7.3.2.Определение пенообразующей способности растворов ПАВ

Методы определения пенообразующей способности растворов можно разделить на статические и динамические (в известной степени такое разделение весьма условно, а по используемой аппаратуре в некоторых случаях эти методы не различаются). Определение динамическими методами проводят при непрерывном механическом воздействии на раствор, чтобы исключить возможность истечения его из пены. Измеряемый объем пены в динамических условиях обусловлен соотношением между скоростью ее образования и разрушения, а объем пены в статических условиях зависит от скорости распада пузырьков.

Пенообразующая способность растворов ПАВ является важной характеристикой. Так, почти все текстильно-вспомо­гательные вещества нормируются по пенообразующему признаку, поскольку при их использовании пена чаще всего играет отрицательную роль. Пенообразование может служить основным показателем при гигиеническом обосновании предельно допустимых концентраций текстильно-вспомогательных и моющих веществ в воде. Образование устойчивой пены пива свидетельствует о его высоком качестве, поэтому пенообразующая способность пива также проверяется на заводах. Исследуется и пенообразующая способность некоторых очищающих составов специального назначения. Эта характеристика учитывается и при разработке пеноподавляющих средств (антивспенивателей и пеногасителей).

В литературе описывается много различных методов и приборов для определения вспениваемости жидкостей. Многие из них обеспечивают получение хорошо воспроизводимых результатов.

При использовании разных методов определения пенообразующей способности могут получаться взаимно исключающие данные о пенообразовании одного и того же раствора. Кроме того, множество применяемых методов затрудняет анализ данных, характеризующих пенообразующие свойства различных жидкостей. Поэтому целесообразно ввести единую методику в пределах одной службы или отрасли промышленности.

Встряхивание пенообразующего раствора в закрытых мерных цилиндрах проводят как вручную, так и с применением различных вибрационных аппаратов. Пена образуется в результате интенсивного перемешивания раствора и находящегося над ним воздуха.

Основным недостатком ручного встряхивания является плохая воспроизводимость условий пенообразования. При работе необходимо тщательно соблюдать постоянство частоты, амплитуды и общей продолжительности проведения операций. Воспроизводимость результатов увеличивается при использования для встряхивания цилиндров вибрационных аппаратов. Применимость этого метода ограничивается областью значений вязкости исследуемых растворов и невозможностью проводить эксперименты при высоких температурах.

По методу взбивания пена образуется при многократных ударах по поверхности раствора пластиной с отверстиями, прикрепленной к штоку (10-30 ударов за 10-30 с при условии постоянства высоты подъема пластины от дна мерного цилиндра). Взбивание раствора можно осуществлять как вручную, так и с помощью несложных механических приспособлений. Вместо перфорированной пластины можно применять проволочную сетку, обеспечивающую большую однородность размеров пузырьков.

Операции, проводимые вручную, не всегда позволяют получать воспроизводимые результаты. Применение механического привода улучшает воспроизводимость данных. В некоторых модификациях этого метода используют приборы, имеющие иное целевое назначение, например, маслобойные машины, а также несколько одинаковых приборов, собранных в батарею.

Одним из первых устройств для изучения пенообразования, является прибор, основанный на методе продувания воздуха через раствор. Несколько позже был предложен прибор, работающий по принципу пропускания жидкости через пористую пластину под действием атмосферного давления. Этот принцип исключает возможность разрушения пены при продувании через нее воздуха, что возможно в том приборе, где пена образуется при пропускании воздуха.

Недостаток метода, основанного на продувании воздуха, заключается в том, что даже при поддержании постоянного давления перед фильтром скорость потока воздуха может быть различной. Колебания скорости вызваны, по-видимому, уменьшением числа действующих пор в результате их засорения. Исключить этот недостаток можно, применяя вместо пористых пластинок капилляры, соединенные в виде «паука». Удобна установка для непрерывного измерения объема пены, образующейся при пропускании дозированного объема воздуха, в специальной измерительной ячейке. Уровень пены фиксируется электродами, сигнал от которых подается на регистрирующий прибор. Подобные приборы позволяют регистрировать кинетику подъема и разрушения пены.

Другим вариантом метода является барботирование воздуха через раствор с помощью трубки. Основанный на этом методе простой прибор, позволяет получать всестороннюю информацию о свойствах пены. Воздух дозировано подают в сосуд с испытуемым раствором, а образующаяся пена по шлангу поступает в мерный цилиндр. Прибор позволяет определять объем пены, ее кратность, скорость разрушения.

На рис. 2.67 показана схема прибора, действие которого основано на барботировании воздуха через пористый фильтр. На этом рисунке: 1- мерный цилиндр, 2- рубашка термостата, 3 – пористый фильтр, 4 – раствор пенообразователя, 5- трубка для подачи воздуха. С помощью такого прибора можно изучать физико-химические свойства пен в статическом и динамическом режимах при изменении температуры, состава и давления газа, а также диаметра отверстий для барботирования воздуха.

Широко используется для определения пенообразующей способности в промышленности биосинтеза, а также в производстве моющихсредств метод, основанный на перемешивании. Для перемешивания пенообразующего раствора можно применять различную стандартную аппаратуру, например, миксеры, размельчители тканей. Скорость вращения мешалки, ее тип и габаритные размеры определяют время достижения максимального объема пены. Поэтому для получения воспроизводимых результатов эти параметры должны быть строго регламентированы.

Основным недостатком метода является незначительное различие в объемах пены при использовании растворов ПАВ разных концентраций из-за большого расхода энергии при перемешивании. Поэтому оценка пенообразующей способности по объему пены и особенно классификация веществ по этому признаку затруднительны.

В некоторых случаях используется стандартизированный во многих странах на предприятиях производства синтетических моющих средств способ пенообразования - метод выливания (метод Росса–Майлса). В этом методе пена образуется в результате падения струи раствора с определенной высоты на поверхность того же раствора через калиброванное отверстие (1). Схема прибора, основанного на этом методе, показана на рис. 2.68.

Особые требования предъявляются к конструкции прибора. Размеры отдельных узлов должны быть строго регламентированы. Калиброванная трубка для истечения жидкости должна иметь гладкие края и сечение, перпендикулярное к оси. Режимы работы прибора (объем выливаемого раствора, скорость его подачи, объем раствора в сосуде) должны быть постоянными.

Описаны различные модификации прибора Росса – Майлса, усовершенствованные с целью автоматизации выливания раствора и регистрации получаемых результатов.

Для веществ с низкой пенообразующей способностью пригоден прибор, в котором струя жидкости выбрасывается из форсунки под давлением, создаваемым насосом. Применение этого прибора ограничивается потребностью больших объемов раствора. Предложены и другие модификации метода Росса – Майлса, например, выливание струи пенообразующего раствора на экран и многоструйное истечение жидкости.

Разработка метода получения пены, основанного на трении, была вызвана стремлением получать пены в условиях, близких к практическим условиям их применения (например, моющие средства, шампуни, средства для чистки автомобилей). Можно отметить следующие положительные свойства этого метода исследования пен: медленное образование пены, независимость экспериментальных результатов от субъективных погрешностей, возможность определять одновременно несколько параметров пены, возможность изучать процесс ее распада и т. д.

Схема такого прибора приведена на рис. 2.69. Прибор состоит из мерного сосуда 1, помещенного внутри него сетчатого цилиндра 3 и полимерной щетки 2, вращающейся от электромотора. Сосуд помещен в термостат 4, с помощью которого можно поддерживать температуру до 90°С. В результате трения вращающейся щетки о стенки сетчатого цилиндра раствор, заливаемый в мерный сосуд, вспенивается. Детальное изучение метода показало, что этот прибор может найти широкое применение, так как позволяет проводить исследования в присутствии веществ, подавляющих пенообразование, например жиров.