Пенообразование и устойчивость пены водных растворов ПАВ

Промышленные процессы производства и очистки предъявляют высокие требования к используемым поверхностно-активным веществам (ПАВ). Важную роль играют не только температура и рН процессов, но и склонность растворов к пенообразованию. В некоторых процессах, например, пенная очистка или флотация, пену создают специ-ально. В других случаях с пеной борются, например, при транспортировке продукта интенсивное пенообразование приводит к увеличению объема, это может привести к плохому течению вещества. Таким образом, необходимо иметь информацию о причинах возникновения пены и о ее стабильности.

Склонность к образованию пены и ее стабильность часто ограничиваются методами измерения. Например, в методе Росс-Майлса (ASTM D1173) необходимо выждать определенное время перед проведением измерения, что для неустойчивых пен не приемлемо. Во многих методах пену нельзя качественно воспроизвести, а это очень важно для сравнения данных полученных разными пользователями в разных лабораториях.

Динамический анализатор пены DFA100 позволяет воспроизводить результаты благодаря созданию одинаковых условий для всех измерений. Запатентованные параметры tdev и t tr описывают стабильные пены и пены с очень малым временем жизни с помощью модели, ориентированной на процесс распада пены. Метод рассматривает разрушение пены в три стадии: сначала выделяется вода, далее к выделению воды добавляется разрушение пены и на последнем этапе разрушается только сама пенная структура.

В данной статье сравниваются три поверхностно-активных вещества с разной склонностью к пено-образованию, которые характеризуются с помощью двух параметров hmax (макс.высота пенного слоя) и tdev, измеряемых с помощью DFA100. Дополнительно для данных ПАВ измерили реологию поверхности, полученные данные хорошо коррелируются с данными пенообразования.

В качестве ПАВ были взяты криптоамонийные алкилы полигликолиевого эфира карбонатов, которые могут быть адаптированы под разные задачи за счет варьирования длины гидрофобной алкильной группы или полярной цепи полиэфира. Формулы исследованных ПАВ, приведены ниже:

Ожидалось, что стабильность пены снижается от А к С (согласно информации производителя). Измерения проводились на 0.01% водном растворе, для всех образцов данная концентрация была ниже ККМ. При 21°С растворы имели рН = 6 и вязкость около 0,98 мПа·с.

Исследования пенооразования ПАВ проводились на динамическом анализаторе пены DFA100. Каждый образец объемом 50 мл помещали в емкость для образца (капилляр). Через пористое основание капилляра (тип G2, размер пор 40-100 мкм) продували воздух в течение 12 сек (скорость потока была 5 мл/сек). Стабильность пен исследуемых растворов ПАВ, предсказанная производителем, хорошо подтверждается с помощью параметра t_dev. Кроме того, измерение модуля упругости жидкости с помощью прибора для исследования поверхностной реологии DSA100R также подтверждают полученные результаты.

Склонность жидкости к пенообразованию можно оценить непосредственно по максимальной высоте столба жидкости + пены. Согласно полученным данным склонность к пенообразованию уменьшается в ряду:

Стабильность пены оценивали с помощью параметра t_dev, полученного на базе кривой. На диаграмме видно, что по ста-бильности пен получены следующие результаты:

Видно, что вещества А и В при одинаковой склонности к пенообразованию, показывают разную стабильность пены. Можно предположить, что разный химический состав веществ больше влияет на стабильность, чем на склонность к пенообразованию.

Для сравнения результатов измерения с независимыми методами были проведены исследования реологических свойств поверхности растворов с помощью метода осциллирующей капли (ODM). Измерения проводились на приборе DSA100R (KRUSS, Германия). В ходе измерения для каждого вещества были определены параметры E* (модуль межфазного расширения), E' (модуль упругости) и E'' (модуль потерь).

Параметр Е* описывает устойчивость пены: чем выше это значение, тем более стабильна пена.

Модуль упругости Е' напрямую связан с выделением жидкости во время разрушения пены, что описано в литературе [5-10], таким образом, он полностью коррелируется с параметром t_dev.

Физические явления, которые описывает модуль потерь E'', пока изучаются. При изучении растворов жирных кислот [5] было показано, что высокие значения E" связаны с высокой стабильностью пен.

Исследование реологических параметров подтвердило, последовательность в стабильности пен A > B > C, а также показало, что параметр Е* сильно доминирует над E', т.е. выделение воды играет большое влияние на стабильность пены. В случае прибора DFA100 данный процесс описывается параметром t_dev. Соотношение параметров t_dev и E' согласуются для всех трех поверхностно-активных веществ.

Параметры, измеряемые с помощью DFA100, показывают, что с разрушением пены доминирует процесс выделения водной фазы (t_dev), при распаде самой пены выделение воды уже незначительно (t_tr). Параметр t_dev определялся для трех растворов алкил-полигликолевых эфиров карбоксилата, что позволило выявить закономерность в образовании пены. Различия в склонности к пенообразованию и стабильности пены были показаны с помощью параметров hmax и t_dev. При равной склонности веществ А и В к пенообразованию, стабильность полученных пен была разная.

Данные, полученные на анализаторе пены DFA100, хорошо коррелируются с данными измерения реологи-ческих свойств поверхности жидкости (ODM-метод). Таким образом, параметр t_dev подходит для характеристики растворов ПАВ.