表面活性劑對(duì)起泡性的研究.doc

皖西學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)表面活性劑的起泡性研究表面活性劑對(duì)起泡的影響和作用夏善慧 應(yīng)用化學(xué)0801 2008010744摘要： 泡沫是氣體分散在液體中的分散體系,其中氣體是分散相,液體是分散介質(zhì)。泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,泡沫的不穩(wěn)定性在于體系具有較大的界面面積和較高的表面能,所以體系具有減少界面面積使其能量降到最低的自發(fā)趨勢(shì)。純液體是不能形成氣泡的,除非有表面活性物質(zhì)存在。能夠起泡的表面活性物質(zhì)主要有三類:表面活性劑、高分子聚合物和固體顆粒，本文就表面活性劑來(lái)進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：泡沫，起泡性，穩(wěn)定性，表面活性劑 引言：由液體薄膜或固體薄膜隔離開(kāi)的氣泡聚集體稱為泡沫。啤酒、香檳、肥皂水、皂角或水溶液等在攪拌下形成的泡沫稱為液體泡沫；面包、蛋糕、山藥汁等彈性大的物質(zhì)，以及餅干、泡沫水泥、泡沫塑料、泡沫玻璃等為固體泡沫。在液體泡沫中，液體和氣體的界面起著重要作用。由液體和氣體形成的泡沫稱為兩相泡沫，當(dāng)其中有固體粉末時(shí)，例如在選礦時(shí)形成的泡沫稱為多相泡沫。因此，起泡現(xiàn)象與化學(xué)工業(yè)的各種過(guò)程及日常生活密切相關(guān)。根據(jù)吉布斯吸附公式，在形成泡沫過(guò)程中，溶液中的表面活性劑吸附在氣-液界面上。在液體泡沫中，液體和氣體的界面起著重要作用。在液體泡沫中各氣泡相交外形成所謂拉普拉斯交界，如圖一的P點(diǎn)處。根據(jù)拉普拉斯公式(Ap=2rR)，溶液中P點(diǎn)的壓力小于A點(diǎn)，故液體自發(fā)地從A向P處流動(dòng)，于是液膜逐漸變薄，此過(guò)程稱為泡沫排液過(guò)程，當(dāng)液膜變薄到一定程度，便導(dǎo)致液膜破裂，泡沫破壞。圖一 泡沫交界1表面活性劑的起泡力和泡沫穩(wěn)定性 1.1起泡力。若將丁醇稀水溶液和皂角苷稀溶液分別置于試管并加以搖動(dòng)，發(fā)現(xiàn)前者形成大量泡沫，后者形成少量泡沫，但丁醇水溶液泡沫很快消失，而皂角苷水溶液泡沫不易消失。因此不能簡(jiǎn)單地講哪種溶液起泡力好，因?yàn)槠鹋莺团菽€(wěn)定兩者的標(biāo)準(zhǔn)是不同的。由丁醇水溶液形成的穩(wěn)定性小的泡沫，稱為不穩(wěn)定泡沫；由皂角苷水溶液形成的壽命長(zhǎng)的泡沫，稱為穩(wěn)定泡沫。起泡力的大小是以在一定條件下，搖動(dòng)或攪拌時(shí)產(chǎn)生的泡沫多少來(lái)評(píng)定的。一些陰離子表面活性劑，如脂肪酸鈉、烷基苯磺酸鈉、烷基硫酸鈉等均具有良好的起泡能力，它們都是良好的起泡劑(發(fā)泡劑)。表1列出了一些表面活性劑的起泡力。 表1.一些表面活性劑的起泡力(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為01，30) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為025。溫度為35質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5。由表可見(jiàn)，陰離子表面活性劑起泡力最大，聚氧乙烯醚型非離子表面活性劑次之，脂肪酸酯型非離子表面活性劑起泡力最小。因此，肥皂、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉等陰離子表面活性劑適宜用作起泡劑。表面活性劑的類型是決定起泡力的主要因素，而環(huán)境條件也很重要。例如，溫度、水的硬度、溶液的pH值和添加劑等對(duì)起泡力都有很大的影響。溫度對(duì)非離子表面活性劑起泡力的影響不同于陰離子表面活性劑。例如，對(duì)聚氧乙烯醚型非離子表面活性劑來(lái)說(shuō)，溫度低于濁點(diǎn)時(shí)起泡力大，達(dá)到濁點(diǎn)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，高于濁點(diǎn)起泡力急劇下降。陰離子表面活性劑對(duì)溫度敏感性不大，相反，有的隨溫度升高起泡力增大。 1.2泡沫穩(wěn)定性 泡沫穩(wěn)定性是指生成的泡沫存在時(shí)間的長(zhǎng)短，即泡沫的持久性或存在的壽命，也可以理解為泡沫破滅的難易程度。下面根據(jù)起泡力和泡沫穩(wěn)定性的涵義來(lái)討論泡沫穩(wěn)定的機(jī)理。首先考慮不穩(wěn)定泡沫。圖二為在丁醇水溶液中以一定速率通入空氣，所形成的泡沫高度h 圖二.丁醇水溶液泡沫與溶液濃度C的關(guān)系曲線。從圖中可看出，當(dāng)丁醇的濃度為零或飽和時(shí)，起泡不良，而在兩者之間的區(qū)域內(nèi)起泡良好，但泡沫極不穩(wěn)定。這表明，泡沫是熱力學(xué)上不穩(wěn)定體系，之所以不穩(wěn)定是由于泡沫生成后體系的總表面積增大，能量增高，它自發(fā)地向能量降低、總表面積減小的方向進(jìn)行，即發(fā)生泡沫破滅。泡沫的破滅主要是由于氣體通過(guò)膜進(jìn)行擴(kuò)散、液膜中的液體受重力作用及膜中各點(diǎn)的壓力不同而導(dǎo)致流動(dòng)(排液)引起的。在形成的泡沫中，氣泡的大小通常是不均勻的，根據(jù)拉普拉斯關(guān)系式，小氣泡中的壓力大于大氣泡中的壓力，故小氣泡中的氣體有自動(dòng)擴(kuò)散至大氣泡的傾向，于是小氣泡逐漸變小，而大氣泡逐漸變大，最終泡沫消失。由于重力的作用，液膜中的液體自動(dòng)地向下流動(dòng)。在液膜排液過(guò)程中流下的液體分子較容器底部的液體分子有較大的自由能，自發(fā)過(guò)程是向自由能減小的方向進(jìn)行，所以氣泡不斷地排液使膜壁變薄而破裂，從而導(dǎo)致泡沫消失。2表面活性劑對(duì)泡沫穩(wěn)定的影響和作用。2.1表面黏度實(shí)驗(yàn)和理論表明，決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是液膜的強(qiáng)度，而表面膜上表面活性劑分子的存在，使表面黏度增高，阻礙膜上液體流動(dòng)排出，從而使泡沫穩(wěn)定。使表面黏度增高的物質(zhì)很多。表2列出了三種表面活性劑水溶液的表面黏度與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系。表2.一些表面活性劑水溶液的表面黏度與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系 從表中數(shù)據(jù)可看出，表面活性劑水溶液的表面黏度越大，由其生成的泡沫的壽命也越長(zhǎng)。表中所列十二烷基硫酸鈉為含相當(dāng)量十二醇的非純品。若將十二烷基硫酸鈉用石油醚或乙醚進(jìn)行提純處理后再做起泡實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溶液的表面黏度顯著降低，與此相應(yīng)，泡沫的壽命大大縮短。若在純十二烷基硫酸鈉溶液中分別加入不同量十二醇做同樣的起泡實(shí)驗(yàn)，含不同量十二醇的十二烷基硫酸鈉溶液的表面黏度各不相同，所生成的泡沫的壽命增長(zhǎng)情況也不同，隨表面黏度增高，泡沫穩(wěn)定性增大(見(jiàn)表3)。表3.十二醇對(duì)十二烷基硫酸鈉水溶液的表面黏度與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系 通過(guò)增大液膜吸附表面活性劑分子，使液膜強(qiáng)度增高，泡沫的穩(wěn)定性增大。例如，在十二烷基硫酸鈉水溶液中加入少量十二醇或月桂酰異丙醇胺后，泡沫的液膜上構(gòu)成密度較大的混合吸附分子膜，混合膜中分子間的作用較強(qiáng)。這是因?yàn)樵诩尤胧蓟蛟鹿瘐．惐及分?，表面上吸附的表面活性劑分子的直鏈烷基由于極性基帶有負(fù)電荷而產(chǎn)生排斥不能靠近；加入之后，由于十二烷的插入，表面上烷基的總數(shù)增多，密度增大；一般疏水基中支鏈較多的表面活性劑，其分子間的作用力較直鏈?zhǔn)杷砻婊钚詣┓肿尤?，故泡沫穩(wěn)定性差。例如，不飽和烯烴經(jīng)硫酸化后制得的烷基硫酸鹽帶有兩條烷鏈，其水溶液生成的泡沫遠(yuǎn)不及正烷基硫酸鹽生成的泡沫穩(wěn)定。陰離子和陽(yáng)離子復(fù)配型表面活性劑復(fù)配使用時(shí)，正、負(fù)離子間的作用很強(qiáng)，表面強(qiáng)度變得很大，由這種復(fù)配表面活性劑水溶液生成的泡沫，其穩(wěn)定性極高。下面以一實(shí)例來(lái)說(shuō)明：分別由濃度為00075molL的辛基硫酸鈉和辛基三甲基溴化銨溶液生成的氣泡，在25下它們的壽命相應(yīng)為19s和18s；而濃度分別為00075molL的辛基硫酸鈉和辛基三甲基溴化銨溶液按l：1比例混合形成的混合表面活性劑溶液所生成的氣泡，在25下長(zhǎng)達(dá)26 1OOs尚未破裂，盡管此時(shí)氣泡中的氣體已全部擴(kuò)散到泡外，氣泡仍未消失。由此可見(jiàn)，陰離子表面活性劑和陽(yáng)離子表面活性劑在表面膜上相互作用非常強(qiáng)烈，氣泡極為穩(wěn)定。2.2適當(dāng)濃度的表面活性劑能使泡沫具有抗沖擊性，保證泡沫的穩(wěn)定性。當(dāng)泡沫的局部液膜受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)變薄，同時(shí)液膜表面積增大，吸附于其上的表面活性劑分子的密度發(fā)生急劇變化，表面變薄處的密度減小，未受沖擊處與受沖擊的連接處密度增大。表面活性劑密度大處的分子會(huì)向密度小處移動(dòng)并帶去一部分液體，最終使吸附的表面活性劑的分子密度復(fù)原，液膜厚度復(fù)原，液膜強(qiáng)度亦復(fù)原，這時(shí)泡沫表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。表面活性劑溶液的濃度適當(dāng)(低于臨界膠束濃度)時(shí)，泡沫的穩(wěn)定性較高；表面活性劑溶液的濃度過(guò)高(超過(guò)臨界膠束濃度)時(shí)，表面吸附表面活性劑分子的速率較快，快速達(dá)到新的平衡狀態(tài)，因此，泡沫的穩(wěn)定性往往較低。一般低級(jí)醇水溶液的泡沫穩(wěn)定性不高，這與醇分子自溶液中吸附于表面的速率快有關(guān)。2.3表面活性劑的混合體系對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響。表面活性劑分子在液膜上吸附的數(shù)量和排列的緊密程度與氣泡中氣體擴(kuò)散透過(guò)液膜的速率密切相關(guān)。氣泡液膜的厚度越小，黏度越低，表面吸附膜越松散不緊密，氣泡中的氣體越容易擴(kuò)散透過(guò)液膜，氣泡越不穩(wěn)定，越容易消失；反之，氣泡的液膜厚度越大，黏度越高，表面吸附膜越緊密，氣泡越穩(wěn)定，壽命越長(zhǎng)。例如，在十二烷基硫酸鈉溶液中加入少量十二醇，表面吸附膜即會(huì)含有大量十二醇分子，使吸附膜中分子間力加強(qiáng)，分子排得更為緊密，氣體透過(guò)性降低，較由十二烷基硫酸鈉溶液生成的泡沫的穩(wěn)定性高得多。2.4液膜電荷如果泡沫的液膜帶有電性相同的電荷，液膜的兩液面相互排斥，能防止液膜變薄而破裂。以離子表面活性劑作為起泡劑，溶液中的表面活性劑分子富集于表面。如用十二烷基硫酸鈉作為起泡劑，當(dāng)生成泡沫時(shí)，泡沫液膜的兩表面吸附一層十二烷基硫酸基，而反離子(Na+)則分散于液膜的內(nèi)部，液膜的兩表面構(gòu)成了表面雙電層。當(dāng)液膜變薄時(shí)，兩表面電層的排斥力增強(qiáng)，防止液膜進(jìn)一步變薄。溶液中表面活性劑濃度過(guò)高，雙電層的擴(kuò)散層會(huì)被反電荷離子所壓縮，電位降低，液膜兩表面的排斥作用減弱，液膜厚度變小，泡沫穩(wěn)定性變差。上述四種作用對(duì)泡沫的穩(wěn)定性均有影響，而其中以表面活性劑分子(離子)在液膜上排列的緊密程度對(duì)液膜的強(qiáng)度起主要作用，表面活性劑分子(離子)在液膜上吸附得越強(qiáng)烈，排列得越緊密，液膜的強(qiáng)度越高。此外，液膜上表面活性劑分子(離子)排列得緊密還能使表面層下面鄰近的溶液層中的液體不易流走，使液膜排液相對(duì)較困難，液膜不易變薄，使泡沫的穩(wěn)定性增高。因此，為獲得穩(wěn)定性高的泡沫，或破壞不需要的無(wú)益泡沫，應(yīng)首先考慮構(gòu)成表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，分析它是否在液膜上有利于形成目的表面膜。參考文獻(xiàn):1.劉興允. 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