表面活性劑的起泡和消泡作用

關(guān)于表面活性劑的起泡和消泡作用2024/4/212024/4/22第一節(jié)泡沫簡介泡沫是指氣體分散在液體中的分散體系，氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)。氣泡被連續(xù)相的液體隔開來。泡沫有兩種聚集態(tài)，（1）氣體以小的球型均勻分散在較粘稠的液體中，氣泡間的相互作用力弱，這種泡沫被稱為稀泡，由于外觀類似乳狀液，有時甚至稱這種稀泡為“氣體乳狀液“第2頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/23（2）濃泡。濃泡的泡沫是密集的，氣泡間只被極薄的—層液膜所隔開，是結(jié)構(gòu)為多面體氣泡的堆積。濃泡才是真正的泡沫。一、泡沫的分類泡沫的分類方法有以下三種：1．按泡沫的壽命分類可分為壽命為幾秒的“短暫泡沫”和在無干擾條件下能維持幾天不破的“持久性泡沫”。第3頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/242．按起泡以及消泡之間的力平衡性質(zhì)，可分為不斷接近平衡狀態(tài)（起泡以及消泡之間的力幾乎相等）的“不穩(wěn)定性泡沫”，和平衡過程受阻的“穩(wěn)定性泡沫”（起泡力大于消泡力）3．按聚集狀態(tài)可分為：

液多氣少的“氣泡分散體”即稀泡，氣多液少的“泡沫”濃泡第4頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/25二、泡沫產(chǎn)生的條件

1．氣液接觸因為泡沫是氣體在液體中的分散體系，所以只有當(dāng)氣體與液體連續(xù)充分地接觸時，才有可能產(chǎn)生泡沫。這是泡沫產(chǎn)生的必要條件。第5頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/262。起泡速度應(yīng)高于消泡速度無論你向純凈的水中如何充氣，也不可能得到泡沫而只能出現(xiàn)單泡，因為純水產(chǎn)生的泡沫壽命大約0.5秒之內(nèi)，瞬間存在，即消泡速度高于起泡速度，所以純水中的只能出現(xiàn)單泡，因此不可能得到穩(wěn)定的泡沫。第6頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/27但水中表面活性劑的存在不僅使發(fā)泡變得容易而且使發(fā)泡速度超過破泡速度，從而得到穩(wěn)定的泡沫。第7頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/28第8頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/29三、泡沫的破壞機制泡沫是氣體分散在液體中的粗分散體系體系存在著巨大的氣—液界面，是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系。造成泡沫破壞的主要原因是（1）液膜的排液減??；（2）泡內(nèi)氣體的擴散。第9頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/210１.泡沫液膜的排液減?。?）.重力排液氣泡間的液膜，由于液相密度遠大于氣相的密度，因此在地心引力作用下就會產(chǎn)生向下的排液現(xiàn)象，使液膜減薄。（２）.表面張力排液由于泡沫是由多面體氣泡的堆積而成．在泡沫中氣泡交界處就形成了如圖7—3中的形狀稱之為Plateau邊界(也稱為Gibbs三角)。第10頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/211第11頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/212B處為兩氣泡的交界處形成的氣—液界面相對比較平坦可近似看成平液面而A處為三氣泡交界處，液面為凹液面，從彎曲液面的附加壓力來考慮，所以B處液體的壓力應(yīng)大于A處液體內(nèi)部的壓力，因此液體從壓力大的B處向壓力小的A處排液，使B處的液膜排液減薄。第12頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2132.氣泡內(nèi)氣體的擴散因為形成泡沫的氣泡的大小不一樣，根據(jù)Young-Laplace公式附加壓力與曲率半徑成反比，小氣泡內(nèi)的壓力大于大氣泡內(nèi)的壓力，因此（1）小泡會通過液膜向大泡里排氣，使小氣泡變小以至于消失，大泡變大且會使液膜更加變薄，最后破裂。（２）液面上的氣泡也會因泡內(nèi)壓力比大氣壓大而通過液膜直接向大氣排氣，最后氣泡破滅。？？？第13頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/214第二節(jié)表面活性劑的起泡和穩(wěn)泡作用有SAA的水溶液形成泡沫的機理第14頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/215這種帶有表面活性劑的雙分子層水膜厚度具有光的波長等級(數(shù)百納米)，因此的氣泡在太陽光可以看到七色光譜帶。

SAA會以疏水的碳氫鏈伸入氣泡的氣相中，而親水的極性頭伸入水中。此時形成的是由表面活性吸附在氣—水界面上形成單分子膜產(chǎn)生的氣泡，當(dāng)氣泡上升露出水面與空氣接觸時，表面活性劑就吸附在液面兩側(cè)形成雙分子膜.第15頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/216一、表面活性劑的起泡能力前已述及，泡沫的產(chǎn)生是將氣體分散于液體中形成氣--液的粗分散體，在泡沫形成的過程中，氣—液界面會急劇地增加，因此體系的能量增加，這就需要在泡沫形成的過程中，外界對體系作功，如通氣時加壓或攪拌等方式。第16頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/217當(dāng)外界對體系作功時，體系因產(chǎn)生泡沫使體系的能量增加，其增加值為液體表面張力γ與體系增加的氣—液界面的面積A的乘積(γ×A)應(yīng)等于外界對體系所作的功。若液體的表面張力γ

越低，則氣--液界面的面積A就越大，泡沫的體積也就越大，說明此液體很容易起泡。表面活性劑就具有明顯地降低水的表面張力的能力，因此表面活性劑具有很強的起泡能力（性）。第17頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/218二、表面活性劑的穩(wěn)泡能力SAA的穩(wěn)泡能力是指在表面活性劑水溶液產(chǎn)生泡沫之后，SAA使泡沫持久不滅，或增加泡沫“壽命”的能力。這與SAA在液膜的性質(zhì)有密切的關(guān)系。三、影響表面活性劑穩(wěn)泡能力的因素1．界面張力第18頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/219

低表（界）面張力有利于泡沫的形成，同時也有利于泡沫的穩(wěn)定，因為當(dāng)形成多面體的泡沫時，會產(chǎn)生表面張力排液的作用。若液膜的表面張力低，在Plateu邊界和平面膜間的壓差就會小，液膜排液減薄的速度就慢，此時低表張力才有利于泡沫的穩(wěn)定。第19頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/220但是，表面張力的大小并非決定因素，例如乙醇的表面張力在20C0時為2.4mN·m-1。由于其表面張力低，所以在外界條件作用下乙醇易于產(chǎn)生泡沫，但泡沫很不穩(wěn)定破滅很快。而表面活性不太高的蛋白質(zhì)、明膠等雖然產(chǎn)生泡沫不如乙醇那么容易，但泡沫一旦形成卻很穩(wěn)定。第20頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/221

2．界面膜的性質(zhì)界面液膜能否保持恒定要得到穩(wěn)定的關(guān)鍵，影響界面膜性質(zhì)的關(guān)鍵因素是液膜的表面粘度與彈性

(1)表面粘度表面粘度是指液體表面分子層內(nèi)的粘度。表面活性不高的蛋白質(zhì)和明膠能形成穩(wěn)定的泡沫是因為它們的水溶液有很高的表面粘度。第21頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/222第22頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/223溶液表面張力的高低與泡沫的壽命無一定關(guān)系。然而凡是體系的表面粘度比較高的體系，所形成的泡沫壽命也較長。因為十二烷基硫酸鈉和月桂醇在氣—液界面上形成了致密混合膜所致。于是十二烷基硫酸鈉以C12H25SO4-；的形式吸附在氣泡液膜上形成雙分子吸附膜.極性頭帶有負電荷,產(chǎn)生電斥力，第23頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/224不能形成緊密排列，當(dāng)加入月桂醇后，非離子型的月桂醇插入兩個負離子SAA之間形成排列緊密的混合膜,效果：〔1〕.非極性碳氫鏈間的范德華力的增加有利于界面粘度的增加?！?〕.同時月桂醇非離子SAA的插入會使SAA負離子間的電性排斥性減弱也有利于界面膜強度的增加。第24頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/225第25頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/226類似的情況也發(fā)生在將少量的月桂酸異丙醇胺加入月桂酸鈉的水溶液中，也會明顯地提高月桂酸鈉水溶液產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性。第26頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/227(2)界面膜的彈性（非強度）表面粘度比較高而且彈性好才有高的穩(wěn)泡性能例如，十六醇能形成表面粘度和強度很高的液膜但卻不能起穩(wěn)泡作用，因為它形成的液膜剛性太強，容易在外界擾動下脆裂，因此十六醇沒有穩(wěn)泡作用。理想的液膜應(yīng)該是高粘度高彈性的凝聚膜。第27頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/228

3，表面活性劑的自修復(fù)作用將一小針刺入肥皂膜，肥皂膜可以不破，表明肥皂膜有自修復(fù)作用。

Marangoni認為當(dāng)泡沫受到外力沖擊或擾動時，液膜會發(fā)生局部變薄使液膜面積增大，導(dǎo)致表面活性劑的濃度降低引起此處的表面張力暫時升高，第28頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/229第29頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/230由于A處的表面活性劑濃度低，所以表面活性劑由B處向A處擴散使A處的表面活性劑濃度恢復(fù)，表面活性劑在遷移過程中同時也攜帶鄰近的液體一起移動使其A處的液膜又恢復(fù)原來的厚度。表面活性劑的這種阻礙液膜排液的自修復(fù)作用稱為Marangoni效應(yīng)，應(yīng)還有附加壓力的效應(yīng)第30頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/231第31頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/232

形成局部的表面張力梯度，因此液膜會產(chǎn)生收縮趨勢，尤如液膜具有了彈性。通過收縮使該處表面活性劑濃度恢復(fù)并且能阻礙液膜的排液流失。把液膜這種可以收縮的性質(zhì)稱為Gibbs彈性。Gibbs從另一角度分析了這一問題，當(dāng)吸附了表面活性劑的泡沫受到震動、塵埃碰撞、氣流沖擊及液膜受重力作用排液時，都會引起液膜局部變薄，使液膜面積增大引起此處表面活性劑的濃度降低表面張力上升，第32頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/233正是這種因表面張力梯度引起的收縮效應(yīng)使吸附了表面活性劑的液膜，在受到?jīng)_擊后，產(chǎn)生自動修補液膜變薄處，表現(xiàn)出表面活性劑的自修復(fù)作用。

Gibbs用下式來表示膜彈性：E膜彈性；A膜面積；γ

表面張力T溫度;N組分第33頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/234第34頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/235**表面活性劑的濃度對其自修復(fù)作用有一定的影響。（１）若表面活性劑的濃度太高，液膜變形區(qū)表面活性劑的補充往往是從垂直方向補充，于是液膜變形區(qū)表面活性劑的濃度可以恢復(fù)，但液膜的厚度卻無法恢復(fù)。這樣的液膜機械強度差，這就是表面活性劑的濃溶液為什么泡沫穩(wěn)定性差的原因。第35頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/236（2）表面活性劑的濃度太稀，則液膜表面的表面活性劑濃度低，當(dāng)液膜變形伸長時液膜表面的表面活性劑濃度變化不大，表面張力降也不大，dγ／dＡ值小，液膜彈性低自修復(fù)作用就差，泡沫穩(wěn)定性也差。

泡沫最穩(wěn)定的濃度是在某一濃度Ｃ時取得dγ／dＣ極大值時的濃度，表面活性劑在這一濃度所產(chǎn)生的泡沫是最穩(wěn)定的。一般其濃度不要超過CMC太多。第36頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/237

4．表面電荷若泡沫液膜的表面上帶有同種電荷，當(dāng)液膜受到擠壓，氣流沖擊或重力排液使液膜變薄，當(dāng)液膜薄到一定程度大約為lOOnm時，就會產(chǎn)生靜電斥力作用阻止液膜排液繼續(xù)減薄，延緩液膜變薄的過程使泡沫穩(wěn)定。第37頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/238第38頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/239第39頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2405．泡內(nèi)氣體的擴散氣體的擴散有兩個途徑，小泡內(nèi)氣體向大泡擴散及表面泡內(nèi)氣體向大氣排氣。事實證明，泡沫的排氣性與液膜的粘度有關(guān)，液膜的表面粘度高，氣體的相對透過率就低，氣泡的排氣速度慢，泡沫就穩(wěn)定。第40頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/241

SAA吸附于泡沫的液膜上形成緊密排列的雙分子吸附膜使液膜的表面粘度升高，特別是加入助泡劑后使液膜的透氣性明顯降低，阻止了泡沫氣泡的排氣。具有良好的穩(wěn)泡作用。

6．表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)對泡沫的穩(wěn)定性起很大作用。第41頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/242

(1)表面活性基的疏水鏈

為了使液膜須具有高粘度，SAA就必須在液膜表面形成緊密的吸附膜，因此SAA的疏水碳氫鏈應(yīng)該是直鏈且較長的碳鏈，但碳鏈太長也會影響起泡劑的溶解度且剛性太強，所以一般起泡劑的碳原子數(shù)以C12～C14較好，第42頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/243c12和c14的月桂酸鈉和豆蔻酸鈉其碳鏈長度適中，能形成粘度較高且粘度適中的表面膜因此產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性好。(2)表面活性劑的親水基

SAA親水基的水化能力強就能在親水基周圍形成很厚的水化膜，因此就會將液膜中的流動性強的自由水變成流動性差的束縛水，同時也提高液膜的粘度和彈性，減弱了重力排液使液膜變薄，從而增加了泡膜的穩(wěn)定性。第43頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/244實驗證明，直鏈陰離子型表面活性劑其親水性基水化性強又能使液膜的表面帶電，因此有很好的穩(wěn)泡性能。而非離子表面活性劑的親水基聚氧乙烯醚（僅有）在水中呈曲折型結(jié)構(gòu)不能形成緊密排列的吸附膜加之水化性能差，又不能形成電離層所以穩(wěn)泡性能差，不能形成穩(wěn)定的泡沫。第44頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/245第三節(jié)起泡劑與穩(wěn)泡劑一、起泡劑起泡性能好的物質(zhì)稱為起泡劑。具有低表面張力的陰離子表面活性劑一般都具有良好的起泡性，但生成的泡沫不一定有持久性。起泡劑大約有以下幾種：

1．羧酸類

(1)脂肪酸鈉(肥皂)第45頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/246發(fā)泡力強，具有優(yōu)良的抗硬水性和鈣皂分散能力度和介質(zhì)pH值的影響。脂肪醇聚氧乙烯羧酸鈉(AEC)（2）鄰苯二甲酸單脂肪醇酯鈉鹽白色膏狀流體，表面活性好，發(fā)泡性好皂分散性強，常用于日化及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域作為高效發(fā)泡劑。第46頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2472．硫酸鹽類

(1)脂肪醇硫酸鹽(2)烷基醇聚氧乙烯硫酸鈉(AES)起泡力強，常用作液體洗滌劑的起泡劑(3)烷基酚聚氧乙烯醚硫酸鈉泡沫豐富常用干凈洗劑中(4)烷基醇硫酸乙醇胺鹽前者為單乙醇胺泡沫豐富而穩(wěn)定，常用于香波和液體洗滌第47頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/248

3．磺酸鹽(1)烷基磺酸鹽(2)烷基苯磺酸鈉有很好的起泡能力

4.磺化琥珀酸鹽表面活性高，起泡力強且泡沫穩(wěn)定，鈣皂分散力強，抗硬水，可用于配制各種洗滌劑用作高溫鉆井液的發(fā)泡劑。第48頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/249(4)聚氧乙烯脂肪醇醚單酰胺磺化琥珀酸單酯二鈉鹽(1)脂肪酸單乙醇酰胺磺化琥珀酸單酯(2)脂肪酰胺磺化琥珀酸單酯二鈉鹽(3)聚氧乙烯烷基醚磺化琥珀酸單酯銨鹽第49頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/250二、穩(wěn)泡劑1．天然產(chǎn)物

明膠和皂素等。明膠是一種從動物的皮骨中提取的蛋白質(zhì)，富含氨基酸。皂素的上要成分是糖苷含有多羥基、醛基等。它們能在泡沫的液膜表面形成高粘度高彈性的表面膜，因此有很好的穩(wěn)泡作用，第50頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/251這是因為明膠和皂素的分子間不僅存在范德華引力而且分子中還含有羧基，氨基和羥基等。這些基團都有生成氫鍵的能力。使表面膜的粘度和彈性得到提高，從而增強了表面膜的機械強度，起到了穩(wěn)定泡沫的作用。第51頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/252

2．高分子化合物高分子化合物如聚乙烯醇、甲基纖維素，及淀粉改性產(chǎn)物，羥丙基、羥乙基淀粉等，它們具有良好的水溶性，不僅能提高液相粘度阻止液膜排液，同時還能形成彈性高的膜。因此有較好的穩(wěn)泡作用。第52頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/253

3．合成表面活性劑合成表面活性劑作為穩(wěn)泡劑一般是非離子型表面活性劑，其分子結(jié)構(gòu)中往往含有各類氨基、酰氨基、羥基、羧基、羰基酯基和醚基等具有生成氫鍵條件的基團。用以提高液膜的粘度，增加穩(wěn)泡力。第53頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/254

(1)脂肪酸乙醇酰胺(2)脂肪酸二乙醇胺(3)聚氧乙烯脂肪酰醇胺(5)烷基葡萄糖苷(APG)(

4)氧化烷基二甲基胺（OA）第54頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/255第四節(jié)消泡機理雖然泡沫有不少用處，但是在絕大多數(shù)生產(chǎn)過程中，泡沫會給生產(chǎn)帶來許多麻煩，因此研究泡沫的抑制和破滅是一個重要的研究課題。有些泡沫可以通過加入某些試劑與起泡劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而破壞。例如脂肪酸皂為起的泡劑泡沫，可以加入強酸及鈣、鎂鋁鹽等，形成不溶于水的脂肪酸劑難溶的脂肪酸鹽，于是泡沫破壞。第55頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/256一般來說，泡沫的消除大致有兩種方法，物理法和化學(xué)法。物理法：高壓、靜電、加熱等方法，化學(xué)法是用消泡劑消泡。消泡劑大多數(shù)屬于表面活性劑類型。下面介紹羅斯假說和幾種消泡劑的作用機理。一、擴展系數(shù)與浸入系數(shù)

l，擴展系數(shù)第56頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/257

1941年，哈金斯(Harkins.W.D）提出了擴展系數(shù)S

的概念γm

—起泡介質(zhì)的表面張力(mN·m－1）一般為水；γint—消泡劑與起泡介質(zhì)的界面張力(mN·m－1)γa

—消泡劑的表面張力(mN·m-1)哈金斯認為當(dāng)S>o時，消泡劑能在泡沫液膜上擴展，而當(dāng)S<0時，則不能在泡沫液膜上擴展。第57頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/258

2．浸入系數(shù)1948，魯賓遜(Robinson，J，V．)和伍茲(Woods，W．W．)提出了“浸入系數(shù)”E

的概念，即：第58頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/259魯賓遜和伍茲認為：當(dāng)E>0時，消泡劑能夠進入泡沫液膜，而當(dāng)E<0時，消泡劑則不能夠進入泡沫液膜。

微滴既能浸入也能在泡沫液膜擴展稱之為消泡劑。美國膠體化學(xué)家羅斯(Ross，S．)對添加了各種表面活性劑的起泡體系進行試驗和觀察，發(fā)現(xiàn)消泡劑在起泡液中溶解性與消泡效力的對應(yīng)關(guān)系。第59頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/260提出了羅氏假說：在溶液中，液體若呈溶解狀態(tài)的是溶質(zhì)，是穩(wěn)泡劑；不溶解狀態(tài)的溶質(zhì)，當(dāng)浸入系數(shù)與擴展系數(shù)均大于零時，才是消泡劑。因為只有在液體溶質(zhì)不溶解的狀態(tài)下，才能聚集為液體分子團即一個微滴。而微滴的形成正是消泡的前提。第60頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/261

羅斯認為，當(dāng)消泡劑的分子團即微滴與泡沫液膜接觸時．首先應(yīng)該是浸入，浸入之后在泡沫液膜上擴展，使液膜局部變薄最終斷裂，導(dǎo)致氣泡合并或破滅。第61頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/262第62頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/263二、消泡機理

1．消泡劑使泡沫液膜局部表面張力降低而消泡

消泡劑微滴的表面張力要比泡沫液膜的表面張力低。這樣，當(dāng)消泡劑加入到泡沫體系中后，消泡劑微滴與泡沫液膜接觸，可使此處泡沫液膜的表面張力減低，而此處周圍液膜的表面張力未變化。第63頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/264表面張力降低的部分，被強烈地向四周牽引、延展，最后破裂使泡沫破滅。詳細過程見下圖：第64頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/265消泡劑浸入氣泡液膜擴展，頂替了原來液膜表面上的起泡和穩(wěn)泡劑，(圖中A、B處)使其此處的表面張力降低，而存在著穩(wěn)泡劑的別處液膜表面的表面張力高，將產(chǎn)生拉力，從而使低表面張力的C處液膜被拉長而變薄，最后破裂使氣泡破滅(D處)。第65頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/266

2．消泡劑破壞膜彈性使液膜失去自修作用而消泡在泡沫體系中加入表面張力極低的消泡劑如聚氧乙烯聚硅氧烷消泡劑。此消泡劑進入泡沫液膜后，會使此處液膜的表面張力降至極低。當(dāng)此處的液膜受到外界的擾動或沖擊拉長，液膜面積A會增加，但是由于消泡劑本身的表面張力太低，無法使具有較高值而使膜失去彈性，失去自修復(fù)作用而破壞。

第66頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/267

3．消泡劑降低液膜粘度使泡沫壽命縮短而消泡。第67頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/268第68頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/269固體顆粒作為消泡劑首要條件是固體顆粒必須是疏水性的。4．固體顆粒消泡作用機理第69頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/270第70頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/271當(dāng)疏水二氧化硅顆粒加入泡沫體系后，其表面與起泡劑和穩(wěn)泡劑疏水鏈吸附，而親水基伸入液膜的，這樣二氧化硅的表面由原來的疏水表面變?yōu)榱擞H水表面，于是親水的二氧化硅顆粒帶著這些表面活性劑一起從液膜的表面進入了液膜的水相中。使液膜表面的表面活性劑濃度減低，從而全面的增加了泡沫的不穩(wěn)定性因素，大幅地縮短了泡沫的“壽命”而導(dǎo)致泡沫的破壞。第71頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/272第五節(jié)消泡劑一、天然產(chǎn)物及其改性產(chǎn)物1．天然油脂天然油脂主要成分是高級脂肪酸及其酯，高級醇及其酯，它們在不同的條件下都可用作消泡劑。主要包括各種動植物油。植物油類如：棉子油、蓖麻油、油酸、椰子油、妥爾油及啤酒花油等。各種動物油如，豬油和牛羊油。此外，還有各種動植物蠟如：棕櫚蠟、蜂蠟和鯨蠟等。第72頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/273

2．改性產(chǎn)物為了改進天然油脂在水中的分散性，可將不溶水的高級脂肪酸、高級脂肪酸酯等溶于煤油等礦物油中，配制成飽和溶液用作水體系的消泡劑。另—種方法是配制成O／W型的乳狀液來使用，例如，先將硬脂酸和各種甘油的酯先溶于礦物油中然后采用O／W型乳化劑配制成O／W型乳劑再使用，還可以將硬脂酸制成各種鹽如：鋁、鋇、鈣和鋅等油溶鹽，再將它們?nèi)苡谑炗椭凶飨輨┦褂谩５?3頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/274二、合成表面活性劑1．脂肪酸酯型(1)二元醇作起始劑(2)丙三醇作起始劑2．聚醚型聚氧丙烯甘油醚(GP型)第74頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/275聚醚型消泡劑的特點。(1)在水中的溶解度具有逆溫性，在低溫溶于水，當(dāng)溫度升高，直到“濁點”時，基本上不溶于水中而以小油滴形式存在干水中。②濁點時有很低的表面張力。同時由于此時的分子結(jié)構(gòu)為鋸齒狀，當(dāng)吸附在液膜表面時不能形成緊密的表面膜(1)聚氧乙烯醚(2)聚氧丙烯聚氧乙烯嵌段共聚物(3)以氨為起始劑第75頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/276以丙三醇作起始劑這類消泡劑通常被稱為甘油聚醚，有兩種類型GP型和GPE型。聚氧丙烯甘油醚(GP型)本品為無色或淡黃色粘稠液體，難溶于水，可用作酵母、味精、鏈霉素、造紙、生物農(nóng)藥等生產(chǎn)中作消泡劑第76頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/277聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚(GPE型)本品一級品為無色透明液體，濁點為17～21℃，有很強的消泡功能，常用于制藥工業(yè)作抗菌素發(fā)酵過程的消泡劑。第77頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/278以季戊四醇作起始劑當(dāng)R＝C17H35，稱為甘油聚醚硬脂酸酯用GPES表示，其單酯、雙酯、和三酯分別用GPES-l、GPES-2和GPES-3表示。這類消泡劑由于端基被酯化后親水性進一步降低，親油性增加消弱了原來聚氧乙烯鏈與水分子間的氫鍵而有利于表面張力的降低，以折疊式的結(jié)構(gòu)，平臥于氣—液界面上因此活性高，用量少消泡力強。第78頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/279第79頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/280

試驗證明GPES—2型消泡性能在三者中最好。

3有機硅型作為消泡劑的有機硅是聚硅氧烷第80頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/281其中n值為幾十到幾百，R多為一CH3就是甲基硅氧烷，是用得最普遍的消泡劑。(1)有機硅消泡劑的特性1.表面張力低第81頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2822.溶解度低且活性高在水中和油中的溶解度均很差。吸附狀態(tài)有利于低的表面張力和高活性。第82頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2833.揮發(fā)性低并具化學(xué)惰性4.無生理毒性可用于食品、制藥及醫(yī)療。(2)有機硅消泡劑的類型

1.用于水體系的有機硅消泡劑2.用于油體系的有機硅消泡劑第83頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/284

4．聚醚聚硅氧烷型聚硅氧烷難溶于水的性質(zhì)，妨礙了它在水體系起泡液中的分散。它的油溶性，又降低了在油體系中的消泡效力，解決此間題的最佳途徑是通過嵌段共聚或接枝共聚向聚硅氧烷鏈上引入聚醚鏈段，使聚硅氧烷增加親水性，使其具有自乳性，第84頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/285聚硅氧烷聚醚型消泡劑的特性1.消泡效力強2.逆溶解性3.自乳性

4.穩(wěn)定性5.生理無毒性

自發(fā)的形成聚硅氧烷鏈段卷曲在內(nèi)部，聚醚段伸展在外部，形成膠團的性質(zhì)第85頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2865，固體顆粒型消泡劑固體顆粒型消泡劑在水中為固液懸浮體，適用于水體系。這種類型的固體消泡劑特別適用于需要迅速消除泡沫或只需在—短時期內(nèi)控制泡沫的場合。第86頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/287關(guān)鍵是固體顆粒表面必須是疏水的，親水不行。第87頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/288可采用六甲基二硅醚及二氯二甲基硅烷等對白炭黑進行疏水處理方可作為消泡劑。第六節(jié)影響消泡劑效力的因素一、消泡劑的溶解度根據(jù)羅斯假說：在溶液中溶解狀態(tài)的溶質(zhì)是穩(wěn)泡劑；不溶解狀態(tài)的物質(zhì)當(dāng)浸入系數(shù)和擴展系數(shù)均為正值時才是消泡劑。只有當(dāng)表面活性劑處于過飽和、不溶解狀態(tài)，以微粒形式聚集在泡膜上，才起消泡作用。第88頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/289二、加溶因此選用非極性基的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同于起泡劑的消泡劑，可在較低用量下取得較好的消泡效果。越容易被加溶，消泡效果越差第89頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/290三、表面電荷由于消泡劑與氣泡帶有同種電荷在相互靠近時會產(chǎn)生電斥力阻止消泡劑與氣泡接觸。而降低了消泡劑的消泡效率?？聪聢D第90頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/291第91頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/292所以，應(yīng)盡量采用難以吸附的離子型起泡劑的的消泡劑。四、起泡液的性質(zhì)大多數(shù)消泡劑在不同的起泡液中其擴展系數(shù)和消泡效力均有較大差異，特別是高效消泡劑聚二甲基硅氧烷，居然在烷基苯硝酸鹽水溶液中無消泡作用。第92頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/293五、消泡劑本身的性質(zhì)1.反復(fù)使用的性能；2.防止并聚減少分散度的能力。第93頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/294第七節(jié)泡沫性能的測定

穩(wěn)定性為泡沫最主要的性能，此外表面活性劑(或其它起泡劑)的起泡能力亦與泡沫有關(guān)的重要性質(zhì)。因而，一般泡沫性能的測定主要是對穩(wěn)定性及起泡性進行研究。第94頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/295泡沫穩(wěn)定性的測量方法很多，主要分為兩類，氣流法及攪動法。前法是以一定流速的氣體通過一玻璃砂濾機，濾板上盛有一定量的測試溶液；氣體在通過濾板后在容器(刻度量筒)中形成泡沫。當(dāng)固定氣體的流速，并使用同一儀器時，流動平衡時的泡沫高度A(如圖)?？梢宰鳛榕菽阅艿牧慷?。因為A是在一定氣體流速下泡沫生成與破壞處于動態(tài)平衡時的泡沫高度，所以此量包括了泡沫穩(wěn)定性及起泡性兩種性質(zhì)。第95頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/296第96頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/297攪動法則為：在氣體(一般即空氣）中攪動液體，使氣體攪入液體中，形成泡沫。實驗時在量筒中放入少量試液，用下端固定有盤狀不銹鋼絲網(wǎng)的攪拌器(如圖)，通過液面上下攪動。嚴格規(guī)定儀器規(guī)格、攪動方式、時間、速度及液體用量等，則生成泡沫的體積V

(剛停止攪拌時的體積），即可用來表示試液的起泡性，并記錄停止攪動后泡沫體積隨時間的變化(減少)，作出曲線，由此了解泡沫的穩(wěn)定性。一般即利用下式求出泡沫的壽命：第97頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/298第98頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/299在生產(chǎn)及實驗室中，比較方便而且準確地測量泡沫性能的“傾注法”，也屬于攪動法之類。儀器為“羅氏泡沫儀”第99頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2100第100頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2101在粗管中裝入一定量的試液(50毫升)，泡沫移液管中也裝入200毫升試液。外套管中通入恒溫水，使試驗在規(guī)定溫度條件下進行。試驗時，使200毫升試液自粗管上部自由流下，沖擊底部試液后生成泡沫。一般以試液流下五分鐘后的泡沫高度(毫米)作為起泡能力的量度；但也常以起始泡沫高度及泡沫破壞一半(即泡沫高度為起始高度的一半)所需的時間表示泡沫穩(wěn)定性。第101頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2102第八節(jié)泡沫及消泡的應(yīng)用一、泡沫滅火劑

泡沫滅火劑的主要作用是起泡和滅火。氟類和硅酮類表面活性劑是代表性的滅火劑。由于泡沫中含有一定量的水分可起冷卻作用且在燃料的表面上覆蓋一層泡沫層而使可燃氣體與氧隔絕而起到滅火的目的。第102頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2103例如，對于烴類等液體的燃料的火災(zāi)，消泡劑可以加速油的乳化或凝膠化，迅速在燃燒油的表面上展開，形成一層水膜而與空氣隔絕達到滅火的目的。形成這種泡沫的起泡劑多是高級脂肪酸類或高碳醇類的陰離子、非離子和兩性表面活性劑中具有高起泡力的表面活性劑形成的。第103頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2104

實際使用的泡沫滅火器，常用硫酸鋁來代替鹽酸（或硫酸），用碳酸氫鈉來代替碳酸鈉，為了產(chǎn)生泡沫，常加入甘草或皂角等作原料制取的液體。把泡沫滅火器倒轉(zhuǎn)時，兩種藥液相互混合，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

Al2(SO4)3+6NaHCO3＝3Na2SO4+2Al(OH)3↓+6CO2↑

第104頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2105大量的二氧化碳跟發(fā)泡劑形成泡沫，從噴嘴中噴射出來，覆蓋在燃燒物上，使燃燒物隔絕空氣和降低溫度，達到滅火的目的。

但是，因為泡沫中含有水分，不宜用于撲救遇水發(fā)生燃燒或爆炸的物質(zhì)（如鉀、鈉、電石等）；對于電器火災(zāi)，要在切斷電源后才能使用泡沫滅火器。

第105頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/21061．蛋白質(zhì)泡沫滅火劑這種滅火劑主要是以天然蛋白質(zhì)作為起泡劑。用于大型油罐貯存場固定泡沫滅火所使用的泡沫滅火劑。其蛋白質(zhì)主要來源于牛馬的蹄、角等粉末的水解產(chǎn)物，它是一種分子量為5000～20000的高起泡性的多肽。其活性組分是由角朊中所含大量半胱氨酸鍵(－S－S－)生成能與鐵結(jié)合的巰基(SH)。第106頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2107這種肽和鐵(Ⅱ)的化合物是撲滅石油類火災(zāi)的有效成分。在高油溫的水—油界面可以形成穩(wěn)定的吸附膜起到隔絕空氣的作用以達到滅火的目的。2．合成表面活性劑滅火劑第107頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2108主要用于家室、坑道、地下道和高層建筑的滅火之用。用作起泡劑的表面活性劑有起泡力高的十二烷基三乙醇胺、十二烷基聚氧乙烯硫酸鹽及硅酮等。特別是硅酮類是以聚氨基甲酸乙酯作為發(fā)泡劑，它是由聚甲基硅氧烷—聚氧乙烯共聚物經(jīng)改進而得到的產(chǎn)物。是一類性能很好的泡沫滅火劑。例如：第108頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2109第109頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2110

3．含氟表面活性劑泡沫滅火劑用作泡沫滅火劑的含氟表面活性劑的碳氟鏈主要有以下幾種類型：

－C8F17－和

－C7F15－第110頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2111含氟表面活性劑特別適用于消滅石油類火災(zāi)，因為它能使水的表面張力大幅度下降。全氟辛酸水溶液的表面張力在常溫下為15～23mN·m－1，可使水在油上的鋪展系數(shù)S>0而導(dǎo)致水在油上迅速鋪展形成一層水膜，這不僅將油與空氣隔絕而且還可阻止油的蒸發(fā)。例如，在汽油中只添加0.003％含氟表面活性劑泡沫滅火劑，進行通常的燃點試驗，可以不燃的。這種泡沫劑由于有氟碳基，在化學(xué)上是相當(dāng)穩(wěn)定的，能長期保存。還可與粉末滅火劑或蛋白質(zhì)滅火劑并用。第111頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2112二、泡沫浮選1．泡沫選礦

2．離子浮選它是利用泡沫來分離溶液中電解質(zhì)離子的一種方法。第112頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2113以離子型表面活性劑作為起泡劑，它會以疏水的碳氫鏈伸入氣泡的氣體中而以其離子頭伸入水相的吸附狀態(tài)吸附于氣—液界面上作定向排列，使氣泡的表面帶有電荷，它與溶液中的反離子間存在靜電引力，而且對不同的反離子靜電引力也有差異。所以可以把溶液中的某些反離子吸附于泡沫的氣—液界面上，然后隨氣泡升至液面成為泡沫而分離開，如圖7—20所示。這種方法特別適合于離子濃度低含量少的物質(zhì)的分離。第113頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2114第114頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2115例如，溶液中含有KAuCl4(1x10-6mol.L-1和AgN03(1X10-6mol.L-1),可加入少量陽離子表面活性劑(十六烷基三甲基氯化銨等)使之形成泡沫，因為陽離子表面活性劑對[AuCl4]—陰離子的吸引力很強，在泡沫中[AuCI4－1]／[Ag+]的比值可達80。因此利用這個方法可以使金和銀兩種貴金屬得到很好的分離。也可以用此種方法將溶液中的微量巨毒物CN—離子除去。第115頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2116離子浮選應(yīng)用于提取海水中的重要元素，可能會是很有前途的。海水中含有許多重要元素如Cu，Au，Zn，U等，雖然濃度很低，但海水可以說是取之不盡用之不竭的。如果能從海水中提出這些元素，則其量是相當(dāng)可觀的。因此，對于提取海水中提取微量元素，離子浮選法在原則上是行之有效的。據(jù)報道，海水中僅含有一億分之一的Cu和Zn時，利用改進的離子浮選方法，提取率可達90％以上。關(guān)鍵在于建立低成本、經(jīng)濟高效的生產(chǎn)工藝。第116頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2117三、泡沫在原油開采中的應(yīng)用1．泡沫鉆井液大多數(shù)鉆井使用泥漿，它有攜帶和懸浮鉆屑、穩(wěn)定井壁、冷卻和沖洗鉆頭、清除井底巖屑等作用。對于鉆進中低壓油氣層的地區(qū)，如采用常規(guī)水基泥漿鉆井，會由于鉆井液的密度過高，壓力大容易產(chǎn)生將地層壓漏，使大量鉆井液流失的現(xiàn)象。這不僅給鉆進帶來很大困難而且還會嚴重損害油層。第117頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2118因此在鉆進低壓地層時采用具有低密度低壓力的泡沫鉆井液，泡沫的細小緊密結(jié)構(gòu)所形成的粘滯性，使其具有良好的攜帶鉆屑的能力，利于發(fā)現(xiàn)油層和保護油層，還能有效地防止鉆井液漏失，顯著提高鉆井速度。第118頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2119

2．泡沫酸化壓裂液(泡沫酸)

壓裂酸化是在足以壓開地層形成裂縫或張開地層原有裂縫的壓力下，對地層擠酸的一種工藝，該工藝主要是在碳酸鹽巖中進行，是較大面積地改造低滲透油氣層的重要手段。泡沫用于油氣井增產(chǎn)具有濾失率低，粘度適當(dāng)，懸浮力強。用量少對地層傷害小，反排性好等優(yōu)點。泡沫酸是用發(fā)泡劑使氣體分散在酸溶液中，形成的氣—液分散體系。第119頁,共131頁，2024年2月25日，星期天2024/4/2120泡沫酸要求選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑及穩(wěn)泡劑，提高表面粘度，增加泡沫穩(wěn)定性。與常規(guī)鹽酸酸化比較，泡沫酸濾失量更低，攜砂能力更高，可用于水敏性地層，高粘度的泡沫還是攜帶支撐劑的良好介質(zhì)。

泡沫酸施工后，井口壓力低，能促使氣體迅速膨脹并攜帶殘液及砂粒返排。泡沫酸化壓裂產(chǎn)生裂縫的能力較大，裂縫導(dǎo)流能力好，酸化半徑大，適合于厚度大的碳酸鹽巖油層