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 йены в динамических условиях обусловлен соотношением между скоростью ее образования и разрушения, а объем иены в статических условиях зависит от скорости распада пузырьков.

Пенообразующая способность растворов является важной характеристи­кой. Так, почти все моющие средства нормируются по пенообразующему при­знаку, поскольку прн их использовании пена чаще всего играет положи тель­ную роль. Пенообразовапнс может служить лимитирующим показателем при гигиеническом обосновании предельно допустимых концентрации моющих веществ в воде. Образование устойчивой пепы пива свидетельствует о его высоком качестве, поэтому пенообразующая способность пива также прове­ряется на заводах. Исследуется и пенообразующая способность некоторых очищающих составов специального назначении. Эга характеристика учиты­вается и при разработке пепонодавляющнх среда и.

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

При использовании разных методов определения пенообразующей спо­собности могут получаться взаимно исключающие данные о ценообразовании одного и того же раствора. Кроме того, множество применяемых методов затрудняет анализ данных, характеризующих пепообразующпе 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 условии пенообразования. При работе необходимо тщательно соблюдать постоянство частоты, ампли­туды п общей продолжительности проведения операций. Вос­производимость результатов увеличивается при использовании 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 но 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 [173], так и с помощью несложных механических приспособле­ний [22]. 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 нз первых устройств, основанном на методе с проду­ванием воздуха, является прибор Б. Н. Тютюнникова. 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 приборе Б. Н. Тютюнникова. Предложен прибор, до­стоинством которого является возможность термостатнровать испытуемую жидкость и насыщать ею газ, используемый для получения пены [174]. Прибор снабжен расходомером газа.

>-Г Рис. 38. Схема установки для авто. машческого измерения скорости обра ю - ванпя и разрушения иены 117(5]: 1 — |илпмегр; 1'- - П-рМОГТЩ; 3- Д. Н'Шк (lipUlll)JWKtl С UbICOKIIM УЛГКI |1||Ч1Ч' U11M П1»|1()|||П- Лешим); -1 — сосуд, Л — iijMcpiuc. ibuuii мосг; о — регистрирующий ирииор.

Погрешность определения максимального объема пепы пе пре­вышает 10%.

Недостаток метода, основанного на продувании воздухп. 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» [1751. Опи­сана установка для непрерывного измерении объема пепы, об­разующейся при пропускании дозированного объема воздуха, в специальной измерительной ячейке [176]. Уровень пепы фикси­руется электродами, сигнал от которых подается па регистри­рующий прибор. Метод разработан для измерения пенообразу­ющей способности растворов алкиламинов, однако его можно использовать и для изучения других систем. Подобные прибо­ры позволяют регистрировать кинетику подъема и разрушения пены [177]. Схема установки для измерения скорости образо­вания и разрушения пены приведена на рис. 38.

Другим вариантом метода является барботирование воздуха через раствор с помощью трубки. Основанный на этом методе простой прибор, позволяющий получать всестороннюю инфор­мацию о свойствах пены, описан в работе [178]. Воздух дознро - ванно подают в сосуд с испытуемым раствором, а образующая­ся пена по шлангу поступает в мерный цилиндр. Прибор по­зволяет определять объем пеиы, ее кратность, скорость patpy - шення.

Прибор, действие которого основано на барботировании воздуха через пористый фильтр, описан в работе [179]. С по­мощью этого 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 (рис. 39).

Метод, основанный на перемешивании [180], широко ис­пользуется для определения пенообразующей способности в промышленности биосинтеза, а также в производстве моющих средств. 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.

Вакуум 0<н

Р

СГ

Ш т

V7

Рис. 39. Схема прибора дли изучения физико-химических свойств раство­ров ПАВ п пен [179]:

/ — градуированная колонка; 2 — платиновые электроды. 3 — пористы!! фильтр; 4 — сосуд

С раствором; 5—барботср.

Рис. 40. Схема прибора Росса — Майлса.

А — сливная трубка с калиброванным отверстием.

Рис. 41. Схема прибора Келли и Борца [183] для получения пены методом

Выливания струн раствора: 1 -ртутный затвор; 2 — емкости, заполняемые пщиобра 1ующнм раствором 3 — трубки для подачи раствора в 2; 4 — сливные трубки с электромагнитными вентилями; 5—гра­дуированные цилиндры с пенообразующнм раствором; 6 — термостат.

Предложен способ определения пенообразующей способно­сти, основанный па использовании генератора звуковой часто­ты [181]. Вибропреобразователь ВС-12 питается от генерато­ра звуковой частоты ЗГ-10. К якорю внбропреобразователя кре­пится стержень с диском. Оптимальная высота столба пены, получаемая в мерном цилиндре, и наибольшая амплитуда ко­лебания стержня соответствуют напряжению 60 В и частоте 30±5 Гц на выходе генератора. Экспериментальная проверка метода показала, что пенообразующая способность расiворов пропорциональна концентрации IIAB. Прибор может быть ис­пользован для сопоставления пенообразующей способности различных растворов ПАВ.

При использовании метода выливания (метод Росса — Майлса) пена образуется в результате падения струи раствора с определенной высоты на поверхность того же раствора через калиброванное отверстие. Схема прибора, основанного па эгом методе, показана на рис. 40.

Достаточно хорошо изучены факторы, влияющие на точ­ность метода Росса — Майлса, который принят во многих стра­нах в качестве стандартного [182]. Особые требования предъ­являются к конструкции прибора. Размеры отдельных узлов должны быть строго регламентированы. Калиброванная трубка для истечения жидкости должна иметь гладкие края п сечение, перпендикулярное оси. Режимы работы прибора (объем выли­ваемого раствора, скорость его подачи, объем раствора в со­суде) должны быть постоянными.

Прибор Росса — Майлса усовершенствовали с целью авто­матизации выливания раствора и регистрации получаемых ре­зультатов. Один из вариантов прибора [183] отличается тем, что дает возможность определять пенообразующую способность одновременно двух растворов, выливаемых с регулируемыми интервалами времени (рис. 41).

Для веществ с низкой пенообразующей способностью нрнго - ден прибор, в котором струя жидкости выбрасывается из фор­сунки под давлением, создаваемым насосом. Применение это­го прибора ограничивается потребностью в больших объемах раствора. Предложены и другие модификации метода Росса — Майлса, например выливание струи пенообразующего раство­ра на экран и многоструйное истечение жидкости [184].

Разработка метода получения пены, основанного на треипи, 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.

Рис. 42. Схема прибора Вильмсмана для получения Пены методом трения:

/ — мерный сосуд для ucuoofjpjj) ющего раствора; 2 — перлоио - иая щегки; 3 — cepiaruil цилиндр; 4 — термостат.

Прибор, основанный на этом методе [185], состоит нз мерного сосуда, помещенного внут­ри его сетчатого цилиндра и перлоновой щет­ки, вращающейся от электромотора (рис. 42). Сосуд помещен в термостат, с помощью кото­рого можно поддерживать температуру до '^90°С. В результате трения вращающейся щет - -3 ки о стенки сетчатого цилиндра раствор, за­иливаемый в мерный сосуд, вспенивается. Де­нтальное изучение метода показало, что этот прибор может найти широкое применение, так как позволяет проводить исследования в при­сутствии веществ, подавляющих пену, напри­мер жиров.

Некоторые данные, характеризующие методы измерения пе­нообразующей способности, приведены в табл. 5.

Рассмотренные выше методы определения пенообразующей способности являются относительными, поэтому многие иссле­дователи пытались найти инвариантную величину, характери­зующую вспениваемость жидкостей различного типа в разных условиях пенообразования. Конечно, эти попытки целесообраз-

Таблица 5. Сравнительная характеристика методов определения пенообразующей способности

Способ вспенивания

Метод Росса — Майлса

Продувание воздуха че­рез раствор

Перемешивание мешал­кой (и=3000±50 мни-') Вращение щетки (п= = 2600 мин-') Взбивание пластиной вручную (100 ударов в 1 мин)

Алкилсульфат натрии Сц (0,025) Алкилсульфат натрия С|8 (0,025) Бутнлдиметилкарбинол (0,22 и 0,055) Гексилсульфофталат нат­рия Шампунь «серный» (0,1) «яичный» (0,1) Мыло (состав не указан) (1,0) То же (1,0) Додецнлсульфат натрия (0,025) Сульфонол (0,025)

Взбивание машиной (100 ударов за 75 с) Вибрационный (f=30± ±5 Гц)

T. °С	Объем пены, мл	Относи­тельная погреш­ность[1]. %	Литера­Тура
70	64	24	[1731
70	172	4,5
22—24	27,2	4,9	[I86J
22—24	30,6	8,6
49	263	6,7	[1871
40	860	3,8	[188]
40	850	—
40	12,3**	2,0	[189]
40	10,4*'	1,6
—	10,6**	5—7
—	6,2	5—7	[181]

Испытуемое вещество, (с. %>

Ны, однако вряд ли можно найти критерий, который был бы аб­солютно инвариантен по отношению ко всем факторам, влияю­щим па процесс ценообразования. В самом деле, нз схемы, дан­ной в гл. 1, видно, насколько сложны и взаимосвязаны явле­ния, имеющие место при образовании н разрушении пены, а также насколько разнообразны факторы стабильности.

А. В. Думанским предложен критерий вспениваемостн в ви­де предельного значения высоты столба пены /г(). Если время жизни пузырька пены составляет т, а скорость барботнр} смою воздуха //, то накопление йены будет происходить до образо­вания столба высотой h0=ux. Сравнение пенообразующей спо­собности растворов по предельному значению высоты столба пепы можно проводить лишь при идентичных условиях цено­образовании (конструкция прибора, параметры барбогпрона­ция воздуха), чю уже свидетельствует об ограниченных воз­можностях данного критерия.

Бикерманом предложен более удобный критерий для оценки пенообразующей способности. Прн поперечном сечении стек­лянного цилиндра S объем образовавшейся иены равен V„=Sh (где h — высота столба пены), а скорость истечения газа и= = Vrl(Sr) (где Vr — объем газа, прошедшего через пористую пластину за время т). Допустив, что объем образовавшейся пе­ны пропорционален объему прошедшего газа, что близко к ис­тине, получим:

XV„ = fVT (5.1)

Где F—коэффициент, характеризующий продолжительность существования пузырька в пене.

Экспериментально показано, что F не зависит от диаметра пористой пластины, если высота столба жидкости постоянна, но зависит от размеров нор фильтра. При увеличении объема жидкости коэффициент / стремится к пределу, характерному для данного раствора, и поэтому может служить критерием пенообразующей способности.

В [66] предложена формула для определения объема газа (воздуха) W в пене, получаемой прн барботпровапии в раствор воздуха через фильтр:

Кг = OQ2 - J- С (5.2)

Где 0 — параметр устойчивости пен, с2/см3; Q — объемный расход барбошруе - мого воздуха, см3/с; С — константа.

Уравнение (5.2) справедливо для разнородных по химиче­ским свойствам пенообразователей и для различных условий получения пены. Критерий устойчивости 0, не зависящий от объема раствора, условий пенообразоваипя, размеров сосуда с испытуемым раствором и диаметра пор фильтра, можно опре­делить графически по наклону прямой V=f(Q2) (рис. 43).

Наличие двух слагаемых в уравнении (5.2) отражает долю объема воздуха непосредственно в пене (первое слагаемое) и

Рис. 43. Зависимость равновесного объе­ма воздуха в столбе пены от скорости подачи воздуха в раствор при разных объемах раствора полиалкилсилокса - Иа [66].

Во вспененной жидкости (второе слагаемое). При высокой устой­чивости пены константа С мала, а при низкой устойчивости роль второго члена уравнения (5.2) возрастает, и тогда уравнение 0,08 0,i6 0,2k А,(смlc) прИннмает вид V=kQ. Это выра­жение соответствует уравнению Бикермана (5.1), которое, таким образом, является частным случаем уравнения (5.2).

Поиски объективного критерия пенообразования проводили также применительно к питательным средам и культуральньцл жидкостям биосинтеза. Пенообразующая способность таких си­стем изменяется в процессе культивирования в широких преде­лах. Поэтому ни одна из обычно используемых величин (объ­ем пеиы, ее устойчивость и т. д.) не может полностью харак­теризовать вспениваемость, поскольку состав культуральных жидкостей различен в зависимости от состава питательной сре­ды, вида продуцента, продолжительности выращивания и т. д. Пенообразующая способность таких систем может быть оценена с помощью комплекса q [190]:

Q = Атр/тп (5.3)

Где тп и тР—время достижения пеной данного уровня от начала аэрации и время разрушения пены после прекращения аэрации.

Комплекс универсален и учитывает все свойства пеиы.

Величины h и тл определяют при изучении динамики вспени­вания жидкостей: но экспериментальным данным строят зави­симость h=f(Тп) и находят точку, соответствующую прекраще­нию вспенивания. Показано, что критерий q обеспечивает объ­ективную количественную оценку пенообразования культураль­ных жидкостей.