МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЕН С ЗАГРЯЗНЕНИЯМИ
В работе Стивенсона [109] качественно с помощью фотосъемки процесса взаимодействия пен с масляным загрязнением, содержащим графит, показано, что пена дробит капли и пленки загрязнения до отдельных глобул, которые втягиваются в пену. Наиболее эффективными для дробления оказались пепы из растворов анионных ПАВ.
Предпринята попытка [67] количественно оценить эффективность дробления пенами жидкостей в зависимости от их вязкости и поверхностного натяжения, а также изучить распределение удаляемого вещества в жидкой фазе пены. С этой целью были использованы нитробензол, анилин и ж-крезол, т. е. вещества, обладающие различной вязкостью и поверхностным натяжением. Капли этих жидкостей наносили на стеклянную пластину, покрывали пеной из раствора, содержащего по 0,5% (масс.) сульфонола и тринатрийфосфата, и раздробленную под действием пены каплю фотографировали через определенные промежутки времени. Экспериментальные данные об эффективности
Ь'г/Ь'о |
Srfa |
2 3 г, мин |
2 Т, мин |
Рис. 83. Кинетическая кривая дробления пеной л-крезола (1), нитробензола (2) и анилчьа (3). 5T/So — отношение площади, занимаемой каплей, через т мин после панессннм па нес пены к начальной площади, занимаемой каплей. |
3 |
Г |
О |
О |
Рис 84. Влияние кратности пен р на эффективность дробления капли нитробензола.
Дроблении жидкостей, обладающих различной вязкостью и поверхностным натяжением, представлены на рис. 83.
Как видно из рис. 83, дробление жидкости пенами во времени протекает в две стадии. На первой стадии, характеризующейся резким подъемом кривых и заканчивающейся в зависимости от вязкости и поверхностного натяжения через 0,5—3 мин, интенсивность дробления максимальна. При этом она зависит от вязкости и поверхностного натяжения жидкости: чем больше вязкость, тем с меньшей скоростью протекает процесс дробления (меньше угол наклона первого участка кривой). Жидкости, обладающие меньшим поверхностным натяжением, подвергаются дроблению наиболее интенсивно. Суммарное влияние вязкости и поверхностного натяжения приводит к тому, что время достижения предельной степени дробления может изменяться в широких пределах: для нитробензола — 30 е, для апплпна — 1 мин, а для. u-крезола — более 3 мпп. На второй стадии интенсивность дробления жидкости снижается.
165 |
Рис. 84 характеризует зависимость степени дробления нитробензола от кратности пены. Пены, обладающие высокой кратностью, обеспечивают большую предельную степень дробления, чем пены с низкой кратностью. Это объясняется тем, что с ростом кратности пепы увеличивается средний диаметр ее пузырьков, а так как дробление жидкости протекает в результате распределения ее в промежутках между пузырьками, то площадь, занимаемая каплей 5т при использовании высокократной пены, больше, чем в пене низкой кратности. Нельзя исключить п влияние более высокого капиллярного давления в высокократ - пых ненах [79].
12—952
Рнс. 85. Распределение Na332P04 В слоях пены в зависимости от времени нахождения ее на поверхности пластины.
Расстояние между слоем пены н понерхио-
Сгыо пластины (и мм) / — 0—0.5; 2 — 0,5 1.0; 3- 1,0 2,0 - I — более 2 мм.
В описанном эксперименте проводили количественное изучение процесса дробления в плоскости пятна капли. Распределение вещества в жидкой фазе пены по вертикали изучали путем измерения радиоактивности срезанных после замораживания слоев пены на высоте 2; 1; 0,5 мм от. поверхности стеклянной пластины (радиоактивным препаратом служил водный раствор соли Ыаз32Р04).
Из рис. 85 видно, что распределение Na332PC>4 з пене протекает с большой скоростью, слои содержат максимальное количество радиоактивного вещества уже через 3—4 с после нанесения пены. Возможно, процесс всасывания вещества в пену протекает еще быстрее, однако примененная методика не позволяла сократить время контакта пены с веществом. Во всяком случае, максимальное содержание радиоактивного вещества в пене практически не зависит от экспозиции пены в интервале от 3 до 15 с и не уменьшается в течение 30 с. Затем начинается процесс истечения жидкости из пены, приводящий к обеднению верхних ее слоев радиоактивным раствором и обогащению нижних слоев. Максимальная высота всасывания жидкости в гену достигает 2 мм.
Процесс дробления жидкости пенами и всасывания капель внутрь пены является следствием нестабильности этой коллоидной системы.
Для выяснения причины подъема жидкости внутрь пены рассмотрим возможности диффузионного переноса вещества. Распределение вещества в слоях пены (в описанном выше опыте — 4 слоя) можно описать уравнением [323]
V/(0Rt> = V/(D2T2) Где H — толщина слоя; D — коэффициент диффузии.
Это уравнение показывает, что содержание диффундирующего вещества в слое толщиной hi для времени ti и коэффициента диффузии Ј>i то же, что и в слое толщиной Л2 для времени т2 и коэффициента диффузии £>2. Для определения D, исходя из экспериментально найденного соотношения количеств веществ в четырех слоях находят значение х по таблице, приведенной в [323], которому соответствует это соотношение; по значению х определяют D.
По результатам опытов с водным раствором трннатрнпфос - фата для времени т=3 с распределение вещества в слоях составляет (в относительных единицах) : 7; 14; 24; 54 (сверху впнз). По данным [323] находим x = h2l(Dx)= 0,32, о i куда D=3380 см-'/сут. Практически коэффициент диффузии жидкостей близок к значению 2 см2/сут. Следовательно, явление всасывания жидкости в пену нельзя объяснить диффузионным переносом вещества.
Поскольку на эффективность очистки определенное, хотя и не решающее влияние оказывает межфазное натяжение на границе моющий раствор — жидкое загрязнение, изучали влияние концентрации ПАВ (сульфонол НП-1) на межфазное натяжение на границе раствор сульфонола — органическая жидкость, влияние межфазного натяжения на степень дробления органических жидкостей пенами, а также влияние различных веществ, входящих в композиции для стирки и очистки, на межфазное натяжение па границе органическая жидкость — моющий раствор. Межфазпое натяжение определяли (прн 20 "С) но меюду взвешивания капли, а степень дробления оценивали по площади пятна капель жидкости одинаковой массы через некоторое рремя после нанесения пены. Площадь пятна измеряли по микрофотографиям с постоянным увеличением.
Полученные данные (табл. 17) показывают, что самопроизвольное эмульгирование анилина не наступает даже при концентрации сульфонола, равной 5%. Эмульгирование нитробензола п лг-крсзола наступает соответственно при концентрации 5 и 1%. Введение равных количеств гексаметафосфата натрия или трнпатрнйфосфата вызывает самопроизвольное эмульгирование при меньших концентрациях ПАВ (табл. 18). Так, нитробензол самопроизвольно эмульгируется при концентрации 0,5% сульфонола и 0,5% трнпатрнйфосфата.
В табл. 19 приведены данные, характеризующие влияние концентрации сульфонола и тринатрийфосфата па эффективность дробления органических жидкостей пенами, а также зна-
Таблица 18. Межфазное натяжение Ао на границе раздела раствор сульфонола НП-1 — органическая жидкость в присутствии гексаметафосфата натрия (ГМФ) и Iринатрийфосфата (ТИФ) Содержание фосфата в растворе равно содержанию сульфонола
|
* См. табл. 17. |
Чения межфазного натяжения исследованных растворов. Из приведенных данных видно, что с увеличением концентрации сульфонола наблюдается более эффективное дробление исследованных веществ. Более низкому значению межфазного натяжения всегда соответствует более эффективное дробление органической жидкости.
Влияние добавок, являющихся составными частями моющих композиций (карбоната натрия, силиката натрия, карбоксиме - тилцеллюлозы), а также растворителей (этанола и ацетона) на значение межфазного натяжения на границе раствора ПАВ с анилином иллюстрирует рнс. 86. При наличии в моющем растворе карбоната натрия, силиката натрия и карбоксиметилцел - люлозы в концентрации 0,05—0,1% межфазное натяжение значительно снижается, поэтому вводить эти вещества в моющие композиции в большом количестве нецелесообразно. Заметное
Рис. 86. Влияние некоторых добавок (а) и растворителей (б) иа межфазиое натяжение на границе раздела 1%-ный раствор сульфонола НП-1—анилии: / — карбонат натрия; 2 — силикат натрии; 3 — карбоксимстилциллюлозя; ■/ — «шпал; 5—
Ацетон.
Снижение межфазного натяжения под влиянием органических растворителей (этанол, ацетон) наблюдается лишь при больших концентрациях их в растворе.
Данные, представленные па рис. 87, показывают, что в узком интервале малых значений концентрации препарата ОП-7 межфазиое натяжение До резко снижается, затем с ростом с значение Да увеличивается. Наличие минимума на кривых подтверждено в работе Шварца и Перри.
Если отмываемое пеной жидкое вещество обладает пепога - сящнмп свойствами, то прн контакте пены с этим веществом оно растекается по поверхности раздела с образованием полости (см. разд. 14.3). Установлено, что при очистке различных объектов с помощью пен, например, от н-валериановой кислоты, на образование «полости» расходуется лишь 0,5% пеиогасящего вещества. Однако если к оставшейся капле пеиогасящего вещества подвести свежую порцию пепы, что практически легко может быть реализовано (например, вследствие стекання пепы с наклонных н вертикальных поверхностей), то па образование новой «полости» будет расходоваться еще некоторое количество вещества, и т. д. Поэтому многократное нанесение свежих порций пены па обрабатываемую поверхность приведет к распределению большей части вещества на поверхности раздела раствор — воздух и к 'полному удалению пеиогасящего вещества Дб-ю, н/м с поверхности.
Для визуального изучения процесса взаимодействия н-вале-
Рнс. 87. Влияние концентрации препарата ОП-7 (или ОП-Ю) иа межфазное натяжение на границе раздела моющий раствор — анплнн.
Моющий растиор содержит 0,5% сульфонола и неионогениос ПАВ.
Риановой кислоты при контакте с псион были зарегистрированы на кинопленку стадии образования «полости» (кислоту подкрашивали нерастворимым в воде красителем Судан-6). Киносъемка показала, что в начальный момент в местах соприкосновения кислоты с пеной образуются отдельные пустоты, сливающиеся в общую «полость». Процесс с большой скоростью заканчивается через 3—5 с.