表面活性劑功能與應(yīng)用起泡和消泡作用實(shí)用教案

1、一 泡沫(pom)的形成第1頁/共39頁第一頁，共40頁。 泡沫是指氣體分散在液體中的一種分散體系。氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)。 泡沫有兩種類型： (1) 稀泡沫 氣體分子以小的球形均勻分布在較粘稠的液體中。氣泡周圍(zhuwi)的液膜較厚，且彼此之間相距較遠(yuǎn)。每個(gè)單獨(dú)存在的氣泡都呈圓球形。 (2) 濃泡沫（多面體泡沫） 氣體占的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于液體，液體的黏度較小，氣泡很容易上升到液體表面，泡沫相互聚集，氣泡之間被很薄的液膜隔開，形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在表面張力和重力的共同影響下，氣泡之間的隔膜變薄，而氣泡的形狀大小各異。二 泡沫(pom)的性質(zhì)第2頁/共39頁第二頁，共40頁。 氣/液接觸（氣

2、體(qt)是分散相，液體是分散介質(zhì)，連續(xù)相） 發(fā)泡速度高于破泡速度 在水中加入少量的表面活性劑并充氣即可得到穩(wěn)定的泡沫。三 泡沫(pom)形成條件第3頁/共39頁第三頁，共40頁。 泡沫是氣體分散在液體中粗分散體系，熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，泡沫會(huì)自動(dòng)破壞。 （1） 泡沫液膜的排液-機(jī)制1 液膜看作毛細(xì)管，液體從膜中排出的速度膜厚4，隨著排液的進(jìn)行，液膜厚度減少，排液速度急劇減慢(jin mn)。 排液的主要原因： 重力排液 存在密度差，液膜在重力作用下向下排液使液膜減薄，重力排液僅在液膜較厚時(shí)起主要作用。 表面張力排液四 泡沫的破壞(phui)機(jī)制第4頁/共39頁第四頁，共40頁。表面張力(biom

3、inzhngl)排液lB處液體壓力A處，液體會(huì)從B處向A處排，使氣泡(qpo)間膜變薄而破裂；膜的夾角是120時(shí)，A和B之間的壓差最小，因此，多邊形泡沫結(jié)構(gòu)中多是六邊形的。Plateau邊界(binji)Laplace 公式第5頁/共39頁第五頁，共40頁。 當(dāng)液膜不破裂時(shí)，泡沫還會(huì)因氣體的擴(kuò)散而破壞(phui)。 小氣泡內(nèi)的壓力大氣泡內(nèi)的壓力，氣泡通過液膜向大氣泡排氣。小氣泡變小、消失。 液面上的氣泡會(huì)通過液膜直接向大氣排氣。氣泡破滅。RP2氣泡內(nèi)氣體的擴(kuò)散(kusn)-機(jī)制二Laplace 公式(gngsh)第6頁/共39頁第六頁，共40頁。 起泡(q po)性 泡沫形成的難易程度和生成泡

4、沫量的多少。 穩(wěn)泡性 生成泡沫的持久性、消泡的難易，即泡沫的壽命五 表面活性劑的泡沫(pom)性能第7頁/共39頁第七頁，共40頁。起泡力的表征：表面(biomin)活性劑降低水的表面(biomin)張力的能力，降低表面(biomin)張力的能力越強(qiáng), 起泡力越強(qiáng)。 加壓通氣或攪拌等方式對(duì)體系做功： W外=E=AE泡沫產(chǎn)生前后體系的能量差W外一定， 越低，A越大，起泡越容易。（1）表面(biomin)活性劑的起泡力第8頁/共39頁第八頁，共40頁。 陰離子表面(biomin)活性劑 羧酸鹽 硫酸鹽 磺酸鹽 琥珀酸單酯磺酸鈉常用(chn yn)起泡劑脂肪酸鹽鄰苯二甲酸單脂肪醇酯鈉鹽脂肪醇聚氧乙烯

5、醚羧酸鈉烷基硫酸鹽烷基硫酸乙醇胺鹽脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉烷基磺酸鹽烷基苯磺酸鹽脂肪醇聚氧乙烯醚單琥珀(h p)酰胺磺酸二鈉脂肪醇聚氧乙烯醚琥珀酸單酯銨鹽磺酸鈉N-脂肪酰基乙醇胺琥珀酸單酯磺酸二鈉脂肪酰胺琥珀酸單酯磺酸二鈉第9頁/共39頁第九頁，共40頁。 穩(wěn)泡性：泡沫的持久性或泡沫壽命(shumng)的長短，這與液膜的性質(zhì)密切相關(guān)。(2) 表面(biomin)活性劑的穩(wěn)泡性第10頁/共39頁第十頁，共40頁。（1）表面張力（2）表面張力的自修復(fù)作用（3）氣體的透過性（4）界面膜的性質(zhì) 表面黏度 界面膜的彈性（5）表面電荷(dinh)（6）表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)（7）其他六 影響(yngxing)

6、泡沫穩(wěn)定性的因素第11頁/共39頁第十一頁，共40頁。（1）表面張力(biominzhngl) 降低液體的表面張力，有利于生成泡沫。 在當(dāng)界面膜有一定的強(qiáng)度，能形成(xngchng)多面體泡沫時(shí)，低表面張力有助于泡沫的穩(wěn)定。 不是泡沫穩(wěn)定的決定因素。 丁醇水溶液的表面活性劑水溶液的RP2第12頁/共39頁第十二頁，共40頁。 表面張力的修復(fù)作用：在泡沫受到外力沖擊時(shí)，有使液膜厚度和強(qiáng)度恢復(fù)的作用。 Gibbs彈性。 外界沖擊(震動(dòng)、塵埃碰撞、氣流沖擊）及液膜受重力排液時(shí)，液膜局部變薄、面積增大、表面吸附分子濃度降低，表面張力增大； 局部表面張力梯度(t d)的形成。 對(duì)于泡沫的穩(wěn)定性來說，表面

7、活性劑使液膜具有Gibbs彈性與自修復(fù)作用比降低表面張力更重要。（2）表面張力(biominzhngl)的自修復(fù)作用第13頁/共39頁第十三頁，共40頁。 表面活性劑向變形處遷移的方式： 自低表面張力區(qū)遷移之高表面張力區(qū)。 溶液(rngy)中的表面活性劑分子吸附至表面，恢復(fù)表面分子的密度，使受到?jīng)_擊的液膜表面張力恢復(fù)到原來值。 雖然恢復(fù)到原來值，但液膜厚度不能恢復(fù)，泡沫穩(wěn)定性較差，如一般的醇類水溶液(rngy)。第14頁/共39頁第十四頁，共40頁。 氣體透過(tu u)性與表面吸附膜的緊密程度有關(guān)。表面吸附分子排列越緊密，表面粘度越高，氣體透過(tu u)性越差，泡沫穩(wěn)定性越好。如在十二烷基

8、硫酸鈉溶液中加入月桂醇(3) 氣體(qt)的透過性第15頁/共39頁第十五頁，共40頁。 決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是液膜的表面粘度和彈性。 表面粘度 液膜的強(qiáng)度主要取決于表面吸附膜的堅(jiān)固性，而堅(jiān)固性通常用表面粘度來度量。 表面粘度通常由表面活性分子在表面上所構(gòu)成的單分子層產(chǎn)生(chnshng)。 凡是表面粘度較高的體系，所形成泡沫的壽命也較長。如表面活性不高的蛋白質(zhì)和明膠溶液。 液體內(nèi)部粘度的增加也有利于泡沫的穩(wěn)定，但僅是輔助影響因素。（4） 界面(jimin)膜的性質(zhì)第16頁/共39頁第十六頁，共40頁。穩(wěn)定作用(zuyng)順序： - N-極性取代酰胺未取代酰胺硫酰醚甘油醚伯醇 - 帶有C

9、10疏水基的烷基硫酸鹽和烷基季銨鹽泡沫壽命長 - 蛋白質(zhì)分子大，泡沫壽命長 - 疏水基分支較多的表面活性劑所形成泡沫穩(wěn)定性差。 不飽和烯烴硫酸酯鹽水溶液泡沫穩(wěn)定性差； 直鏈?zhǔn)徕?、十二烷基硫酸鈉水溶液泡沫穩(wěn)定性好。表面粘度并不是越高越好，還需要考慮界面膜彈性。 - 十六醇形成的泡沫液膜表面粘度和強(qiáng)度都很高，但剛性強(qiáng)易破。第17頁/共39頁第十七頁，共40頁。 界面膜的彈性(tnxng) 表面活性高、分子較大，擴(kuò)散系數(shù)較小的物質(zhì)較好。第18頁/共39頁第十八頁，共40頁。 當(dāng)液膜為離子型表面活性劑所穩(wěn)定時(shí)，液膜的兩個(gè)面會(huì)吸附表面活性劑離子（如C12H25SO4-）而形成(xngchng)兩個(gè)帶

10、同號(hào)電荷的表面，反離子擴(kuò)散分布在膜內(nèi)溶液中，與表面形成(xngchng)兩個(gè)擴(kuò)散雙電層。 液膜較厚時(shí)，這兩個(gè)雙電層不發(fā)生作用。 當(dāng)液膜變薄到一定程度，兩個(gè)雙電層發(fā)生重疊，液膜兩個(gè)表面相互排斥。排斥作用主要由雙電層的電勢和厚度決定。（阻止排液減薄，提高泡沫穩(wěn)定性） 無機(jī)電解質(zhì)的加入對(duì)泡沫的穩(wěn)定不利。（5）表面(biomin)電荷第19頁/共39頁第十九頁，共40頁。第20頁/共39頁第二十頁，共40頁。 表面(biomin)活性劑的疏水基 親水基 表面(biomin)活性劑的濃度（6）表面(biomin)活性劑的分子結(jié)構(gòu)第21頁/共39頁第二十一頁，共40頁。 通常隨疏水基碳鏈的增加，泡沫的界面

11、膜有較大的機(jī)械強(qiáng)度(qingd)和彈性，起泡力隨之增加，但常會(huì)達(dá)到一個(gè)最高值后起泡力下降。 脂肪酸鈉鹽起泡劑： C12C14較好； C8和C10形成的表面膜強(qiáng)度(qingd)低，泡沫穩(wěn)定性差； C16和C18溶解度差，表面膜剛性強(qiáng)，穩(wěn)定性差； 親油基帶有側(cè)鏈或親水基在其中間，泡沫穩(wěn)定性差； 碳鏈長度相同，不飽和雙鍵數(shù)目增加，起泡力顯著下降。 疏水基第22頁/共39頁第二十二頁，共40頁。 烷基苯磺酸鈉起泡劑 C14具有最低的表面張力和最高的起泡力。隨著(su zhe)碳原子數(shù)目增加，起泡力下降。 烷基苯磺酸鈉應(yīng)用最廣。十二烷基與磺酸鈉處于苯環(huán)的對(duì)位起泡力最好；直鏈比支鏈的好。第23頁/共39頁

12、第二十三頁，共40頁。 親水基的水化能力強(qiáng)對(duì)泡沫的穩(wěn)定性有利。 直鏈陰離子型：親水基水化能力強(qiáng)，液膜表面帶電，穩(wěn)泡性能好。 非離子型：親水基聚氧乙烯醚在水中呈曲折型結(jié)構(gòu)不能形成緊密(jnm)排列的吸附膜，并且水化能力差，不能形成雙電層，因此不能形成穩(wěn)定的泡沫。 強(qiáng)的親水基匹配合適的親油基就是一個(gè)較好的起泡劑。如十六烷基硫酸鈉和十八烷基硫酸鈉。 表面(biomin)活性劑的親水基第24頁/共39頁第二十四頁，共40頁。 當(dāng)表面活性劑濃度低于cmc時(shí)，隨其濃度的增加，減少，發(fā)泡力增強(qiáng)，但泡沫的穩(wěn)定性差； 當(dāng)表面活性劑濃度超過cmc時(shí)， 不再(b zi)減少，甚至有時(shí)還會(huì)稍微增大，但活性劑分子在溶液

13、表面富集，會(huì)形成越來越致密的表面膜，因此泡沫穩(wěn)定性增加；但濃度增大到一定程度，泡沫含液量下降，脆性增加，泡沫不穩(wěn)定。表面活性劑濃度(nngd)的影響第25頁/共39頁第二十五頁，共40頁。 其他因素包括：穩(wěn)泡劑、固體顆粒、水的硬度和pH值、壓力、氣泡大小分布以及(yj)溫度等。 在影響泡沫穩(wěn)定的因素中，液膜的強(qiáng)度是最重要的。 表面活性劑表面吸附分子排列的緊密性和牢固性是最重要的因素。（7） 其他影響泡沫(pom)穩(wěn)定性的因素第26頁/共39頁第二十六頁，共40頁。 泡沫的消除 (1) 物理法：溫度(wnd)（液體蒸發(fā)或凍結(jié)）、急劇改變壓力、離心分離、超聲波振動(dòng)及過濾。 (2) 化學(xué)法：消泡劑

14、消泡劑：加入少量物質(zhì)能使泡沫很快消失的物質(zhì)。七 消泡第27頁/共39頁第二十七頁，共40頁。 降低泡沫膜局部表面張力 破壞膜的彈性 降低液膜的粘度 疏水固體(gt)顆粒的消泡作用八 消泡機(jī)理(j l)第28頁/共39頁第二十八頁，共40頁。 消泡劑的泡沫液膜的，最后破裂、泡沫消除(xioch) 消泡劑浸入氣泡，頂替了液膜表面的穩(wěn)泡劑。（1）降低泡沫膜局部(jb)表面張力第29頁/共39頁第二十九頁，共40頁。 加入極低的消泡劑（聚氧乙烯聚硅氧烷等），使膜失去(shq)彈性，液膜最終因失去(shq)自修復(fù)作用而破壞。（2）破壞(phui)膜的彈性第30頁/共39頁第三十頁，共40頁。 泡沫液膜的

15、表面(biomin)粘度高有利于延長泡沫的壽命。 增加液膜強(qiáng)度、減緩液膜排液速度、降低液膜的透氣性，阻止泡內(nèi)氣體的擴(kuò)散等。 能產(chǎn)生氫鍵的穩(wěn)泡劑能提高液膜的粘度。（3） 降低液膜黏度使泡沫壽命(shumng)縮短第31頁/共39頁第三十一頁，共40頁。 疏水的固體顆粒（如二氧化硅）的作用是： 將原來吸附于液膜表面的表面活性劑從液膜表面上拉下來進(jìn)入液膜的水相，使液膜表面上的表面活性劑濃度下降。 增加(zngji)了泡沫的不穩(wěn)定因素： 降低了液膜的表面粘度，致使液膜自修復(fù)能力變小，液膜透氣性增加(zngji)，加速了液膜的排液速度和氣體擴(kuò)散速度。（4）疏水固體(gt)的消泡作用第32頁/共39頁第三

16、十二頁，共40頁。第33頁/共39頁第三十三頁，共40頁。 消泡劑應(yīng)該具備的性能： 能與泡沫表面接觸的親和能力； 能在泡沫上擴(kuò)散和進(jìn)入泡沫，并取代(qdi)泡沫膜壁的性能； 不溶于介質(zhì)中； 能在泡沫介質(zhì)中分散的適宜顆粒作為消泡核心。九 消泡劑第34頁/共39頁第三十四頁，共40頁。（1）天然油脂和礦物油 主要成分脂肪酸及其酯、高級(jí)醇及其酯 天然油脂： 植物油：棉籽油、蓖麻油、油酸、椰子油、豬油、牛油和羊油等 蠟：棕櫚蠟、蜂蠟、鯨蠟(jn l)等（2）固體顆粒 比表面積大，疏水性 SiO2、膨潤土、硅藻土、脂肪酰胺和重金屬皂等。（3）表面活性劑 非離子表面活性劑 （4）有機(jī)硅消泡劑十 消泡劑類型

17、(lixng)第35頁/共39頁第三十五頁，共40頁。 多元醇脂肪酸酯 乙二醇單硬脂酸酯 甘油(n yu)單硬脂酸酯 聚醚型 聚氧乙烯醚 聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物 脂肪醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚 甘油(n yu)聚氧乙烯聚氧丙烯醚脂肪酸酯 含氧聚氧丙烯聚氧乙烯醚非離子(lz)表面活性劑第36頁/共39頁第三十六頁，共40頁。 泡沫的定義及產(chǎn)生 泡沫破壞(phui)的機(jī)制 表面張力的自修復(fù)作用 在影響泡沫穩(wěn)定的因素中，哪個(gè)因素是最重要的？ 為什么非離子表面活性劑不能作為穩(wěn)泡劑？ 消泡劑的消泡機(jī)理？作業(yè)題第37頁/共39頁第三十七頁，共40頁。 表面活性劑作用下氣泡產(chǎn)生(chnshng)的原因及表面活性劑的作用機(jī)理。 查閱文獻(xiàn)論述起泡和消泡各有那些現(xiàn)實(shí)意義？思考題第38頁/共39頁第三十八頁，共40