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1、1,第八章泡沫分散体系,2023/1/16,表面活性剂,2,打开啤洒、香槟瓶即有大量泡沫出现等，液体泡沫。,人们通常所说的泡沫多指,面包、蛋糕等弹性大的物质以及泡沫塑料、饼干等为固体泡沫。,液体泡沫也是本节要讨论的主要内容。,泡沫:以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物。起泡剂：起泡好的物质称为起泡剂。稳泡剂：在表面活性剂配方中加入增加泡沫稳定性的物质。,8.1.1泡沫的分类,8.1泡沫性质,图8.1 气泡、气泡分散体、泡沫,1）寿命“短暂泡沫”和“持久性泡沫”。2）产生泡沫的力和破泡力之间的平衡“不稳定性泡沫”和“稳定性泡沫”。3）聚集状态 液多气少的“气泡分散体”和气多液少的“泡沫”。,
2、8.1.2泡沫产生的条件,1.气液接触,2.发泡速度高于破泡速度,3.制造泡沫的方法,1)聚集法发泡液中有高压气体、低沸点液体或反应后能生成气体的物质，通过减压或化学反应，使气体分子集合形成泡沫。如啤酒、汽水、水沸腾和泡沫灭火器等。2）分散法通过搅拌、振荡、喷射空气等方法使气、液混合。,8.1.3泡沫的破坏机制,1.泡沫液膜的排液变薄 2.气泡内气体的扩散,1.泡沫液膜的排液变薄,A重力排液 在地心引力作用下液膜就会产生向下的排液现象，使液膜变薄。,B表面张力排液,图73 Plateau边界,由于阻力的存在，膜达到一定的厚度可能达到暂时平衡。从曲面压力看，膜之间夹角为120度时，泡沫最稳定。,
3、膜之间夹角为120度时，泡沫最稳定，所以在多边形泡沫结构中，大多数是六边形。,小气泡内的压力大于大气泡内的压力.,2）气泡内气体的扩散,8.2表面活性剂的起泡和稳泡作用,图7.4 泡沫生成模式图,表面活性剂的泡沫性能,“起泡力”是指泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的 多少。“泡膜稳定性”是指生成泡沫的持久性消泡的难易。,1）表面活性剂的起泡性,表面活性剂降低水的表面张力的能力来表征。,2）表面活性剂的稳泡性,泡沫“寿命”,2023/1/16,表面活性剂,16,3.4.2 表面活性剂的起泡和稳定作用,1 表面活性剂的起泡性,表面活性剂在外界作用下产生气泡的难易程度加压通气、搅拌W外=E=A,202
4、3/1/16,表面活性剂,17,2 表面活性剂的稳泡性,稳泡剂,天然化合物高分子化合物合成表面活性剂,2023/1/16,表面活性剂,18,在肥皂水里加入一小匙的砂糖或少许的茶叶，放在阴暗处过夜后，就会发现这种肥皂水吹出来的泡泡颜色不但鲜艳，而且比较不容易破裂。,肥皂，热水,8.3泡沫稳定的因素,泡沫是一种热力学不稳定体系，破泡后体系总表面减少，能量降低，这是一个自发过程。泡沫破坏的过程，主要是隔开气体的液膜由厚变薄，直至破裂的过程。泡沫的稳定性主要取决于排液快慢和液膜的强度。,2023/1/16,表面活性剂,20,1 表面张力,泡沫的稳定性与那些条件相关呢？,3 界面膜的性质,2 表面张力的
5、修复作用,4 表面电荷,5 泡内气体的扩散,1）表面张力,液体的表面张力低，有利于泡沫的形成，生成相同的泡沫，外界对体系作功较少，体系能量的增加亦较少。液体表面张力不是泡沫稳定性的决定因素。,2）表面活性剂的自修复作用,在泡休液膜受到外力外力冲击时，有使液膜厚度恢复，使液膜强度恢复的作用，Gibbs-Marangoni效应。,Marangoni效应,图7-5 表面活性剂的自修复作用,Gibbs弹性,Gibbs弹性：通过收缩使该处表面活性剂浓度恢复并且阻碍液膜的排液流失。,表面吸附分子的迁移,第一种过程自低表面张力区迁移至高表面张力区。第二种过程是溶液中的表面活性剂分子吸附至表面，恢复表面分子的
6、密度，使受到冲击液膜的表面张力恢复到原来的值。例1：醇类水溶液例2：表面活性剂溶液浓度超过cmc较多时。,表面吸附膜的坚固性通常以表面粘度来量度。表面粘度是指液体表面单分子层内的粘度。,3）界面膜的性质,7.1一些表面活性剂（0.1）的表面张力等性质和泡沫寿命的关系,由表7-1可知 溶液表面张力的高低与泡沫的寿命无一定关系。,A表面粘度,表7.2十二醇对纯十二烷基硫酸钠水溶液的表面粘度和泡沫寿命的影响,a 十二烷基硫酸钠在液膜上形成的吸附 b 十二烷基硫酸钠与十二醇在液膜形成的堆密混合膜图7-6液膜中形成了十二烷基硫酸钠与十二醇在液膜形成的堆密混合膜,图7-7 月桂酰异丙醇胺对0.1%月桂酸钠
7、溶液（pH=10）的泡沫寿命和表面粘度的影响,一方面，表面粘度大使液膜表面强度增加；另一方面使临近液膜的液体不易排出,B界面膜的弹性,表面粘度无疑是生成稳定泡沫的重要条件，但也不是唯一的。并非越高越好还须考虑膜的弹性。例:十六醇能形成表面粘度和强度很高的液膜但却不能起稳泡作用，因为它形成的液膜刚性太强，容易在外界扰动下脆裂，因此十六醇没有稳泡作用。理想的液膜应该是高粘度高弹性的凝聚膜。液膜内液体的粘度也对泡沫的稳定有一定的影响。若液膜液体粘度高，在液膜的重力排液变薄过程中液体粘度高可使排液速度减缓，因此起到稳定泡沫的作用。,4）气体的透过性,液面上气泡半径随时间变化的速度，来衡量气体的透过性。
8、气体透过性与表面吸附膜的紧密程度有关，表面吸附分子排列愈紧密，表面粘度愈高，气体透过性愈差，泡沫的稳定性愈好。,5）表面电荷,图78 液膜中离子型表面活性剂双电层 图79 离子型表面活性剂的双电层,6表面活性剂的分子结构,1）表面活性基的疏水链,随着碳链的增加，起泡力也随之而增加，但常会经过一个最高值。随着碳链再增长，起泡力反而要降低。,C12和C14,2）表面活性剂的亲水基,亲水基的水化能力强就能在亲水基周围形成很厚的水化膜,离子型表面活性剂其亲水性基水化性强又能使液膜的表面带电,极性键：稳泡剂应选择分子结构中带有羟基，氨基和酰氨基的表面活性剂以便在表面膜中可形成氢键，而增加表面膜粘度达到稳
9、泡的目的。,8.3泡沫性能的测定,泡沫性能的测定，就是测定起泡性和泡沫稳定性 根据成泡的方式主要分两类：气流法和搅拌法。,7.3.1气流法,图7-10 气流法测定泡沫稳定性,8.3.2搅动法,图7-11 搅拌法测定泡沫的稳定性 图7-12 泡沫性能v-t曲线,可由vt曲线求得，量出vt曲线下的积分量，即为泡沫体积对时间的积分面积，用Lf表示出泡沫的稳定。,8.4起泡剂与稳泡剂,8.4.1起泡剂（具有低表面张力的阴离子表面活性剂）1）羧酸盐 2）硫酸盐 3）磺酸盐 4）磺化琥珀酸盐8.4.2稳泡剂 1）天然产物 2）高分子化合物 3）合成表面活性剂（非离子表面活性剂),8.4.1起泡剂,1）羧酸
10、盐 A脂肪酸钠(肥皂)通式：RCOOM R为C12和C14起泡性最好，M为钠、钾、铵 缺点：在硬水中起泡性差。AEC(脂肪醇聚氧乙烯羧酸钠)通式：RO(CH2CH2O)3CHCOOM，R为C1214；M为钠、钾、铵 优点：发泡力强，具有优良的抗硬水性和钙皂分散能力，泡沫 丰富且稳定，发泡力不受水的硬度和介质pH值的影响。B邻苯二甲酸单脂肪醇酯钠盐 通式 式中R一般为C12H25，特点：白色膏状流体，表面活性好，发泡性好，钙皂分散性强，常用于日化及工业应用领域作高效发泡剂。,2）硫酸盐 A脂肪醇硫酸盐 通式：ROSO3M，R：C1214H2529 M为钠、钾、铵，十二烷基硫酸钠发泡力强，泡沫稳定
11、性稍差。B烷基醇聚氧乙烯硫酸钠(AES)通式：RO(C2H4O)nS03Na，R为C12H25 n12 特点：淡黄色液体，起泡力强，常用作液体洗涤剂的 起泡剂。,3）磺酸盐 A烷基磺酸盐 通式：RSO3Na RC12H25 特点：有发泡性能。B烷基苯磺酸钠 通式 RC12H25 特点：有较好的起泡能力，有一定抗硬水性能。,4）磺化琥珀酸盐 A脂肪酸单乙醇酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐 通式：特点：表面活性高，起泡力强且泡沫稳定，钙皂分散力强，抗硬水，可用于配制各种洗涤剂，还可用作高温钻 井液的发泡剂。,B脂肪酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐 R脂肪酰氨基，椰子油酰氨基特点：无色至微色透明液体，发泡力强泡沫丰
12、富且稳定 性好。广泛用于各种洗涤制品中作助洗剂。,C聚氧乙烯烷基醚磺化琥珀酸单酯铵盐 RC12H25，n13 特点：无色透明粘稠液体，发泡性好，泡沫均匀且稳定性好，有良好的生物降解性。D聚氧乙烯脂肪醇醚单酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐 RC12H25，n812 特点：琥珀色的粘稠液体，溶于水，表面活性好具有较好的起 泡力，去污性及耐硬水性，用于日用化工和工业领域作 净洗剂等。,8.4.2稳泡剂,1）天然产物 2）高分子化合物3）合成表面活性剂,1）天然产物 明胶是一种从动物的皮骨中提取的蛋白质富含氨基酸。皂素的主要成分糖苷含有多羟基、醛基等。特点：降低表面张力的能力不强，但它们却能在泡沫的液膜 表面
13、形成高粘度高弹性的表面膜，因此有很好的稳泡 作用。,2）高分子化合物 聚乙烯醇、甲基纤维素，淀粉改性产物，羟丙基、羟 乙基淀粉等，特点：它具有良好的水溶性，不仅能提高液相粘度阻止液膜排 液，同时还能形成强度高的膜，有较好的稳泡作用。,3）合成表面活性剂 特点：一般是非离子型表面活性剂，其分子结构中含有生成氢 键条件的基团。用以提高液膜的表面粘度。种类：A脂肪酸乙醇酰胺 B脂肪酸二乙醇胺 C聚氧乙烯脂肪酰醇胺 D氧化烷基二甲基胺(OA)E烷基葡萄糖苷(APG),A 脂肪酸乙醇酰胺 代表产品为月桂酸单乙醇酰胺 特点：此产品表面活性高，泡沫稳定性好，有良好的钙皂分散力，抗硬水性能好。,B 脂肪酸二乙
14、醇胺 代表产品，月桂酸二乙醇酰胺 特点：能增加溶液的粘度，稳泡力强，具有钙皂分散力。,8.5消泡.,物理法 化学法。,8.5.1扩展系数与浸入系数,1)扩展系数,S0，消泡剂能在泡沫液膜上扩展；S0，则不能在泡沫液膜上扩展。,E0，消泡剂能够进入泡沫液膜，E0时，则不能够进入泡沫液膜。,2)浸入系数,Ross假说：,2023/1/16,表面活性剂,56,1 表面张力2 界面膜的性质3 表面张力的修复作用4 表面电荷5 泡内气体的扩散,1 降低局部表面张力,2 破坏界面膜的弹性 使其失去自动修复作用,3 降低膜黏度,4 固体颗粒,8.5.2消泡机理,1)消泡剂使泡沫液膜局部表面张力降低而消泡,2
15、)消泡剂破坏膜弹性使液膜失去自修作用而消泡,3)消泡剂降低液膜粘度使泡沫寿命缩短而消泡,4)固体颗粒消泡作用机理,固体颗粒表面必须是疏水性的。,图8-20 疏水二氧化硅消泡过程,8.6 消 泡 剂,具有能与泡沫表面接触的亲和能力；具有能在泡沫上扩散和进入泡沫，并取代泡沫膜壁的性能；不溶于介质之中；具有在泡沫介质中分散的适宜颗粒作为消泡核心。,2023/1/16,表面活性剂,61,消 泡 剂,1 降低局部表面张力2 破坏界面膜的弹性 使其失去自动修复作用3 降低膜黏度4 固体颗粒,1 天然油脂、矿物油2 固体颗粒3 合成表面活性剂,天然油脂主要成分是高级脂肪酸及其酯，高级醇及其酯，它 们在不同的
16、条件下都可用作消泡剂。1)植物油类：棉子油、蓖麻油、油酸、椰子油、妥尔油及啤酒 花油等。2)动物油：猪油和牛羊油等。3)动植物蜡：棕榈蜡、蜂蜡和鲸蜡等。,1.天然油脂,2天然产物的改性物 A天然油脂溶于矿物油中使用。B配制成OW型的乳状液来使用 C：将硬脂酸制成各种盐,1.脂肪酸酯型2.聚醚型3.有机硅型4.固体颗粒型消泡剂5.消泡剂颗粒内含水的新类型,8.6.2合成表面活性剂消泡剂,A二元醇作起始剂 例如 乙二醇单硬脂酸酯 结构式 HOCH2CH2OOCC17H35 特点：白色至奶油色固体或片状物，可用于金属加 工、化妆品洗涤剂和药物生产中作消泡剂。,1.脂肪酸酯型,特点：白色或微黄色蜡状固
17、体易溶于植物油，可作 为糕点和豆浆的消泡剂。,B丙三醇作起始剂 例如 甘油单硬脂酸酯,2.聚醚型,在水中的溶解度具有逆温性，在低温时醚键中的氧原子能与水中的氢原子形成氢键而溶于水，当温度升高时随着氢键的破坏水溶性变差，直到“浊点”时基本上不再溶于水中而以小油滴形式存在于水中；因此可用作水体系的消泡剂。当聚醚处于浊点时有很低的表面张力。同时由于此时的分子结构为锯齿状，当吸附在液膜表面时不能形成紧密的表面膜，因此不失为一类性能优良的水体系消泡剂。,A聚氧乙烯醚 B聚氧丙烯聚氧乙烯嵌段共聚物 C以氨为起始剂 三异丙醇胺聚氧丙烯聚氧乙烯醚 D以醇为起始剂 E甘油聚醚脂肪酸酯,2.聚醚型,3.有机硅型,
18、a表面张力低,b溶解度低且活性高,c挥发性低并具化学惰性无生理毒性,4.固体颗粒型消泡剂,图716 二氧化硅微粒因吸附水而使表面布满羟基,5.消泡剂颗粒内含水的新类型,图717 FWDD的形成过程示意图(a)消泡剂作为外相的WO型乳状液，(b)OW型乳化剂水溶液；(c)油相为消泡剂的WOW型乳状液(PWBD),Fluid Water Based Defoamer缩写“FWBD”FWBD的优点为：具有没有失火危险在消防法上被定为非危险品，给贮存和运输带来很大方便；因用油量少，使废水处理时，化学耗氧量(COD)、与生物耗氧量(BOD)都减小，有利于环境保护。,8.7 影响消泡剂效力的因素,8.7.
19、1消泡剂的溶解度 8.7.2加溶 8.7.3表面电荷 8.7.4起泡液的性质 8.7.5消泡剂本身的性质,8.7.1消泡剂的溶解度,溶解度低，就可以在较低用量下发挥消泡作用。,8.7.2加溶,8.7.3表面电荷,图818 带同种电荷的消泡剂与气泡间的电斥力,表83 硅油微滴在不同溶液条件下的 电势,图719 C12H25SO4Na溶液中硅油微滴的 电势和消泡系数,8.7.4起泡液的性质,表74 消泡剂在不同起泡液中的不同效力,1)消泡剂以微粒的形式吸附在泡膜上，通过微粒的破碎，使气泡穿孔、破灭或合并。微粒直径与泡膜厚度相近，效果较好。由于消泡剂微粒反复发挥作用，多次破碎会使消泡剂粒径变小。2)
20、消泡剂因受到起泡剂中起泡剂的影响，特别是与起泡液“亲和性”过强等原因，使消泡剂颗粒变得太小而失去活性。3)消泡剂微粒过大会使消泡剂微粒的运动迟缓，不能迅速聚集到泡膜气液界面上起作用导致活性变差。,4)消泡剂在起泡液中，由于消泡剂微粒的相互碰撞，有可能并聚而变大。5)消泡剂聚集在泡膜上，当源源不断的泡沫由液体中涌到表面时，消泡剂微粒集中到液面上的泡沫层中，而泡沫破灭后化为少量液体，大量的消泡剂微粒聚集在少量液体里，很容易发生消泡剂微粒的并聚。6）消泡剂活性成分还会粘附于容器壁上而失效。7）消泡剂微粒的表面性质往往会因吸附起泡剂而发生变化由亲油性变为亲水性而使消泡剂的活性下降而失去消泡作用。,8.
21、8泡沫及消泡的应用,8.8.1泡沫灭火剂 8.8.2泡沫浮选 8.8.3泡沫在原油开采中的应用8.8.4泡沫在污水处理中的应用,8.8.1泡沫灭火剂,例1：木材、原棉等固体燃料的火灾，会因含有灭火剂的水溶液的浸透，使水易于渗透到燃料内部有利于灭火。例2：烃类等液体的燃料的火灾，消泡剂可以加速油的乳化或凝胶化，迅速在燃烧油的表面上层开，形成一层水膜而与空气隔绝达到灭火的目的。,1）蛋白质泡沫灭火剂,起泡剂：以天然蛋白质作为起泡剂。用途：用于大型油罐贮存场,2）合成表面活性剂灭火剂,有限空间的室内火灾灭火的高泡型泡沫剂,3）含氟表面活性剂泡沫灭火剂,8.8.2泡沫浮选,1）泡沫选矿2）离子浮选,2
22、）离子浮选,图720 带电的气泡吸附反离子过程示意图,这种方法特别适合于离子浓度低含量少的物质的分离。,8.8.3泡沫在原油开采中的应用,1）泡沫钻井液 2）泡沫酸化压裂液(泡沫酸)3）泡沫在气井排水中的应用 4）泡沫冲砂洗井 5）泡沫驱油 6）泡沫水泥固井 7）泡沫调剖堵水,1）泡沫钻井液,低压地层时采用具有低密度低压力的泡钻井液,2）泡沫酸化压裂液(泡沫酸),适合于厚度大的碳酸盐岩油层，也适合于重复酸化的老井和水敏性地层。,3）泡沫在气井排水中的应用,4）泡沫冲砂洗井,5）泡沫驱油,图721 CO2泡沫驱油过程示意图,5）泡沫驱油,6）泡沫水泥固井,泡沫水泥：就是在水泥浆中加入一定量的发泡剂和泡沫稳定剂，再混入或通入一定量的气体，并使产生的气泡均匀地分布在水泥浆中，从而达到降低水泥浆密度的目的。泡沫水泥固井是用降低水泥浆密度的方法，减少固井时的液柱压差，从而解决易漏井固井问题的一种固井新工艺。,8.8.4泡沫在污水处理中的应用 气浮法污水处理技术,优点：机械设备装置体积小，占地面积小，可以由可拆卸的单元组成，能适应单井、井组、联合水处理站的工作条件，日处理水的能力可小至几百大至几千米。处理后的油、固体机械杂质进入管汇输油系统，无须像沉淀技术那样定期清池排除污泥而占用农田。处理后的水可以用于密闭处理以减少暴氧机会。,
