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(zhì), 氣泡間吸附著表面活性劑的氣液界面和界面間的液體構(gòu)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu), 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(jié)構(gòu), 則不僅液膜表面粘度高, 而且由于內(nèi)部蓄積的表面活性劑能不斷地調(diào)節(jié)泡液膜內(nèi)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(nèi)的液體不易排出, 延緩壓力差和重力引起的液膜內(nèi)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(gòu)成的泡沫體系中, 隨著液膜內(nèi)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(zhì)(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(cè)基的聚合物表面活性劑(如聚氧乙烯)構(gòu)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(cè)基體積很大的高分子表面活性物質(zhì)如木質(zhì)素衍生物構(gòu)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(nèi)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。可見液膜的滲透性越差、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(zhì)致密程度和

界面間溶液粘度的提高而下降。