在食品加工、發(fā)酵工業(yè)、工業(yè)洗滌、水及廢水處理等領域常常遇到不希望出現(xiàn)的泡沫問題。在制糖加工過程中也不例外, 在制糖過程的滲出、清凈、煮糖等工序不同程度地遇到了泡沫帶來的麻煩。

消泡劑在制糖工業(yè)的應用已有較長歷史, 甜菜制糖剛剛興起時, 人們就用豆油作為消泡劑, 隨著化學工業(yè)的進步, 蔗糖酯、多元醇聚醚、乳化硅油等作為消泡劑應用于制糖及發(fā)酵工業(yè)。本文從泡沫的穩(wěn)定性、消泡劑的進入系數(shù)、鋪展系數(shù)、憎水顆粒的去潤濕機理出發(fā)綜述了有關消泡機理的理論, 以期提高消泡劑的復合配方設計水平。

1.泡沫的形成及穩(wěn)定

1 .1 泡沫的形成

泡沫是氣體被液體隔開的分散體系, 氣相是分散相, 液相是分散介質, 氣泡間吸附著表面活性劑的氣液界面和界面間的液體構成了泡沫的液膜。泡沫本身是熱力學不穩(wěn)定體系。單一組份的液體不能形成穩(wěn)定的泡沫, 如果液體中含有一種或幾種具有起泡和穩(wěn)泡作用的表面活性劑, 則能產(chǎn)生能持續(xù)存在數(shù)十分鐘乃至數(shù)小時的泡沫。從熱力學Gibbs方程可知:

其中:F(T , P)為恒溫恒壓下體系的自由能;γ為體系的表面張力;A 為體系中液體的表面積;μ為組份i 的化學位;ni 為組份i 的摩爾數(shù)。表面活性劑的存在降低了體系的表面張力, 使泡沫形成過程中由表面積增加引起的自由能增值變小, 有利于泡沫的形成;另一方面, 表面張力的降低減小了液膜中的Platcau交界處與其他部位之間的壓力差, 延緩了由此引起的液膜內流本的排液速度, 對泡沫的穩(wěn)定有利。

因此, 雖然泡沫本身是熱力學不穩(wěn)定體系, 但表面活性物質的存在造成了泡沫相對穩(wěn)定存在的一些因素, 即表面或液膜的彈性(GibbsMarangoni效應), 表面粘度, 溶液粘度, 電雙層斥力和熵雙層斥力, 氣泡間的氣體擴散。其中表面彈性和表面粘度為泡沫穩(wěn)定存在的主要因素。

1 .2 液膜的彈性

當吸附有表面活性劑的液膜受到外力沖擊時,膜的局部會變薄, 變薄處表面積增大, 表面吸附活性分子的密度較前下降, 表面張力增加, 引起鄰近處的表面活性分子同溶液一起向變薄處遷移, 使變薄的液膜得到恢復。液膜具有變薄后恢復厚度的能力, 就好像膜具有一定的彈性, 液膜的這種性質稱為液膜彈性, 也叫自身修復作用。液膜變薄處還可以從本體溶液中吸附表面活性劑以得到平衡。如果表面活性劑分子從溶液中吸附的速度較從鄰近處遷移的速度快, 則變薄的液膜的表面張力和吸咐分子密度可恢復, 但不能再變厚(無溶劑隨同遷移), 因此得不到穩(wěn)定。

Rosen根據(jù)Gibbs的觀點, 用數(shù)學式描述液膜的彈性:E =4Γ2RT/hbC

即液膜的彈性模量E 與吸附于液膜表面的溶質過剩濃度Γ的平方成正比, 與液膜的厚度hb 和本體溶液的濃度C 成反比。這一公式成功地解釋了液膜表面的溶質吸附密度對液膜彈性的突出貢獻。

1 .3 　表面粘度及溶液粘度

表面粘度取決于吸附于氣液界面的溶質分子間的相互作用力。作用力大則膜的表面粘度高, 膜強度也高, 泡沫壁上的液體遷移困難, 泡沫的穩(wěn)定性高。有些極性有機物如高級脂肪醇加入泡沫體系中, 能與表面活性劑產(chǎn)生強烈的作用, 形成的液膜具有很高的表面粘度。有些陽離子型表面活性劑和陰離子型表面活性劑構成的混合液膜, 如C8H17N(CH3)3Br -C8H17SO4Na(1∶1)混合液膜, 由于正、負電荷間的強烈?guī)靵鲆? 也表現(xiàn)出極大的表面強度。蛋白質分子或聚醚類表面活性劑由于鄰近分子間的氫鍵作用, 形成準聚合物網(wǎng)狀結構, 所形成的液膜表面粘度也很高。如果在液膜上吸附的表面活性劑能形成液晶結構, 則不僅液膜表面粘度高, 而且由于內部蓄積的表面活性劑能不斷地調節(jié)泡液膜內的表面活性劑濃度, 使其保持最適當?shù)牧? 產(chǎn)生的泡沫有很高的穩(wěn)定性。但是過高的表面粘度又將延緩變薄層的自身修復, 使液膜變脆, 液膜彈性下降。

溶液粘度大, 一方面可增加液膜的表面粘度,另一方面使液膜內的液體不易排出, 延緩壓力差和重力引起的液膜內液體的遷移, 阻止膜的變薄, 延緩液膜的破裂。不過溶液粘度僅為輔助因素, 若沒有表面膜形成, 即使液體粘度很高, 也不能形成穩(wěn)定的泡沫。

1 .4 　電雙層斥力和熵雙層斥力

在由離子型表面活性劑構成的泡沫體系中, 隨著液膜內液體的排出, 帶同性電荷的兩個氣液界面的距離越來越近, 至一定程度(<0 .2μm)時會發(fā)生相互排斥, 阻止液膜的進一步變薄。實驗表明, 在泡沫體系中加入小分子電解質(如NaCl)可以破壞由此產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性。在非離子型表面活性劑尤其是具有親水性側基的聚合物表面活性劑(如聚氧乙烯)構成的泡沫體系中, 隨著液膜的變薄, 吸附著親水性聚合物的兩個氣液界面相互靠近, 引起聚合物鏈的相互作用和聚集, 因而產(chǎn)生一種斥力, 阻止膜的變薄。由于聚合物鏈的聚集導致體系熵變小, 這種斥力稱為熵斥力。在側基體積很大的高分子表面活性物質如木質素衍生物構成的泡沫中, 空間位阻也能阻止液膜的變薄。

1 .5 　氣體的擴散(滲透)

在一般的泡沫中, 氣泡大小不一, 從Laplace 方

程可知, 兩氣泡間的壓力差

Δp =2γ[ (1/R1)-(1/R2)]

其中γ為溶液的表面張力, R1 、R2 為兩氣泡的有效半徑。在此壓力差作用下, 小氣泡內的氣體將通過液膜向相鄰的大氣泡擴散, 小氣泡變得越來越小, 最終消失, 大氣泡越來越大, 變得更不穩(wěn)定。由此壓力差引起的氣體擴散速率:

q =-JAΔp

其中J 為液膜的滲透性,A 為有效擴散面積?？梢娨耗さ臐B透性越差、氣泡大小分布越均勻、表面張力越低, 則氣泡越穩(wěn)定, 反之亦然。液膜的滲透性隨氣液界面排列的表面活性物質致密程度和

界面間溶液粘度的提高而下降。