Пены — это дисперсии газа в жидкости или в твердой фазе. Пенообразование определяется соотношением объемов газа и жидкости, которое называется кратностью пены. В низкократных пенах газовые пузырьки имеют сферическую форму, а пленки между пузырьками очень толстые. Хорошо известным примером таких пен являются взбитые сливки. При более высокой кратности пузырьки газа разделяются тонкими, плоскими жидкими пленками. Область, в которой три пленки встречаются, называется каналом.

Устойчивые и неустойчивые пены

Существуют два типа пен: неустойчивые пены с небольшим временем жизни и стабильные пены. Эти типы пен исследуют различными методами. Неустойчивые пены, как правило, характеризуют методом Бикермана. Газ пропускается через жидкость в колонке с фильтром из плавленного стекла; далее измеряют высоту пены или ее объем в тот момент, когда пена достигнет стационарного состояния. Опыт повторяют при различных скоростях подачи газа. Объем стационарной пены прямо пропорционален скорости подачи газа. Наклон зависимости объема стационарной пены от объемной скорости подачи газа характеризует среднее время жизни пенного пузырька или пенной пленки. Важно, чтобы внизу ячейки в течение всего эксперимента имелся избыток жидкости, поскольку в противном случае объем пены будет лимитироваться количеством доступного раствора.

Стабильные пены характеризуются пенообразующей способностью и устойчивостью. Мерой пенообразующей способности является объем пены сразу после ее образования, а мерой устойчивости — время жизни образовавшейся пены. Растворы многих белков обладают очень низкой пенообразующей способностью, но образуют высокоустойчивые пены, в то время как растворы некоторых ПАВ обнаруживают высокую пенообразующую способность, но плохую устойчивость пен.

Объем пены, образовавшейся после встряхивания жидкости в пробирке, можно использовать для характеристики пенообразующей способности ста

Рис. 1. Пенообразование по методу Бикермана: газ непрерывно пропускается через жидкость, находящуюся в колонке; зависимость объема пены от скорости подачи газа.

Примеры приведены для двух типов сырой нефти бильных пен. Главные недостатки этого метода заключаются в зависимости от квалификации оператора, вязкости и объема жидкости, а также от размера и формы сосуда, использованного в опыте. Напротив, метод Росса-Майлса является стандартным методом, он позволяет с хорошей воспроизводимостью одновременно оценивать пенообразующую способность и устойчивость пены. Раствор пенообразователя помещают в пеногенератор, объем мгновенно образующейся пены характеризует пенообразующую способность. Затем измеряют объем пены через 5 или 10 мин, получая таким образом характеристику устойчивости пены. Соответствующая установка показана на рис. 2.

Рис. 2. Ячейка для проведения теста Росса-Майлса: 50 мл жидкости помещают в колонку, пропускают газ и измеряют высоту мгновенно образующейся пены, затем измерение повторяют через 5 или 10 мин

Два условия пенообразования

Пены всегда образуются из растворов, однокомпонентные жидкости никогда не вспениваются. Для пенообразования необходимо соблюдение двух условий. Первое условие — один из растворенных компонентов должен быть поверхностно-активным. Доказательством поверхностной активности компонента является понижение поверхностного натяжения раствора. Поверхностное натяжение большинства органических веществ ниже, чем у воды; поэтому закономерно, что водные растворы с добавками органических компонентов относительно легко образуют пены.

Второе условие заключается в том, что пенные пленки должны обладать поверхностной упругостью, т. е. при растяжении пенной пленки должна возникать сила, стремящаяся вернуть пенную пленку в исходное состояние. Поверхностная упругость E определяется как увеличение свободной поверхностной энергии, или поверхностного натяжения г, при увеличении площади пленки, т. е. при ее растяжении:

Поверхностная упругость должна проявляться в течение всего времени растяжения и восстановления пленки. Таким образом, при пенообразовании диффузия поверхностно-активного компонента из объема раствора к вновь образующейся поверхности должна происходить довольно медленно. В противном случае адсорбция ПАВ на поверхности приведет к уменьшению поверхностного натяжения, поэтому временное растяжение пенной пленки может стать постоянным, и в результате пленка теряет упругость и стабильность.

Рис. 3. При растяжении пенной пленки вследствие механических вибраций или термической нестабильности поверхностная концентрация поверхностно-активного вещества в месте растяжения внезапно понижается, вызывая тем самым увеличение поверхностного натяжения и восстанавливающую силу

Чтобы пенная пленка обладала упругостью, пенообразователь не должен диффундировать из пленки к вновь возникающей поверхности, раньше чем пленка вернется в исходное состояние. Поверхностно-активные вещества с большими значениями ККМ, обеспечивающие высокие концентрации в растворе молекулярно растворенного ПАВ, не образуют устойчивых пен, так как при этом диффузия ПАВ из пленки к вновь возникающим поверхностям приводит к адсорбции на них ПАВ до релаксации пленки. Плохими пенообразователями являются и немицеллообразующие вещества. Например, водные растворы этанола не вспениваются, несмотря на то что этанол снижает поверхностное натяжение воды.

Четыре силы, действующие на пену

Прежде всего очевидно, что на пену действует сила гравитации. Она вызывает дренаж жидкости между газовыми пузырьками. Дренаж можно замедлить, либо повысив вязкость раствора, либо введя твердые частицы или капли эмульсии. Частицы захватываются каналами и замедляют дренаж из-за локального повышения вязкости.

Таблица 1. Основные силы, действующие в пенах

Рис. 4. Капли эмульсии или суспендированные частицы локализуются в каналах и замедляют дренаж жидкости в пенах

В устойчивых высокократных пенах, в которых образуются тонкие пленки, дренаж под действием сил гравитации постепенно уступает место дренажу под действием капиллярных сил. Капиллярные силы появляются из-за того, что гидростатическое давление в канале ниже давления в пленке. Пониженное давление вызвано отрицательной кривизной поверхности жидкости в каналах. Разница давления приводит к вытеканию жидкости из пленки в каналы, что может приводить к неустойчивости пленки.