Влияние больших перепадов давления в жидкой фазе пены на ее свойства тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛШША, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЖЩИ И ОРДВД ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗЫА1Й1Ш ГОСУДАРСТВШПЙ УНИВЕРСИТЕТ 1Ш.М. В. ЛОМОНОСОВА

Химический факулмзт

На правах рукописи УДК 541.126

' ШЖОВА Наталья ГеоргиеЕна

ШПИНИЕ БОЛЫШ ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ В 2ИДК0Й аДЭЕ ПЕНУ НА БЕ СВОЙСТВА

Специальность 02.00.11 - коллоидная химия

Аьторафарат

диссертации на соискание учаней стапели кандидата химических науй

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедра химии Пензенского инжэнерно-строителыюго института.

Научный руководитель - доктор химических Наук,

профессор КругдякоЕ П.М.

Официальные оппоненты: к. х.н. »доцент Перцов A.B.,

д.х.н., профессор Шароварниког А.Ф.

Ведущая организация Институт физической химии

Защита диссертации состоится " " 1992 г.

в час. е ауд. на заседании специализированного

совета № 2 по химическим наукам /Д-053.05.56/ при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова /МоскЕа, 119899 ГСП, Ленинские горы, МГУ, Химический факультет/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке. Химического факультета МЕУ.

Автореферат разослан " " '1992 г.

Ученый секретарь специализированного ученого

ооЕета I

кандидат химических наук ' В.Н.Матвеенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Пены находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: е пожаротушении, в процессах флотации и пенкой сепарэцяи, для защиты грунтов от промерзания, е производстве пеноматеригалоЕ и т.д.

Метод создания больших пврепадоЕ давления £ каналах Илато-1'ибйоа пены позволяет регулировать кратность и Еремя жизни пенного слоя, что необходимо дтя оптимизации процесса адсорбционного концентрирования различных вещесте (белков, сульфатного мыла ' и др.).

В связи с этим изучение сеойсте пен с высоким капиллярным давлением представляет значительный интерес.

Цель, работы состояла в■исследовании закономерностей разрушения и течения растворов ПАВ через пену под действием силы .тяжести при заданная постсяннчх разморах каналов и под действием

больших ( перепадоЕ давления, н изучении разру~

нения ненн под действием центробежных сил.

Научная ноеизив. Разработаны иоЕые методы исслэдоеп^ия сеойсте пени: определение кратности по теплоемкости, метод исследования кинетики роста кратности, установления давления е канала к Плато-Гиббса и разрушения пего, в центробежном поле, методы исследования течения под действием разности даклений в каналах.

Изучено влияние поверхностной еязкости на тачание растворен 114В через пену в гравитационном поле, проведено срэЕНЗНЯэ степени подеижностй поЕарулостей (с использованием модели Д.Десан и Р.Кумара и отношения '). где ££

экспериментально определяемая скорость течения растЕора ПАВ по каналу Плато-Гиббсп пеня, Ц^. - скорость течения при неподвижных поверхностях.

Обнаружена значительная иодпижность поверхностей каналов при течении растгороЕ ПАВ при больших градиентах давления, получены формулы для расчета числа канлоЕ на единице площади пены и исследован их профиль в направлении течения. Установлено существование "квазираЕНоЕесиого" профиля е пене из раствора додают лсульфа та натрия с обычными черными пленками.

Установлено елияшш градиента давления на отепень подвижности поверхностей. > '

Исследовано одНоЕремэниое Елияние больших порепадоЕ даеле-ния й температуры.на скорость и механизм разрушения пены. Уточнено понятие "критическое давление", введено понятна ".критическая температура" для пен из раствороЕ неионогенных IIAB.

Обнаружено значительное уменьшение Бремени жизни пены е центробежном поле по сравнению о рвзруиением под действием перепада давлений» создаваемого с помощью пористой'Перегородки, а также более быстрое достижение еысоких значений кратности и капиллярного давления при одинаковых параметрах пены. Установлено увеличение Наибольшего капиллярного давления в пенах из растворов Tlitàf2 Х-100, лйэощша и смеси волгоната и емульфора-Ш по сравнению с осушением пены е ячейке с пористой перегородкой.

Практическое значение работы. На основании результатов проведенных исследований разработана опытная устаноЕка для процессг адсорбционного концентрирования мыл смоляных и жирных кислот в сульфатном производства целлюлозы, развиты новые .методы исследования пан: определение кратности по теплоемкости пены и метод изучения пены в центробежном поло.

Апробация работы'и публикации. Материалы диссертации докла-дыевлись и обсуждались на зональной конференции "Пены. Физико-химические сеойствэ и применение" (Пенза, 19.85); конференции по коллоидной химии природных дисперсных систем (КанеЕ 1987); 1У Всесоюзной конференции "Получение и применение пен" (Белгоро Î9B9); IX Международной конференции по поверхностным силам (Моема 1990); IX Международном симпозиуме по ПАВ е растЕорак (Варна, 1992). Результаты исследоЕаниЙ использованы в монографий "Пены и пенные пленки". По теме диссертации имеется 10.публикаций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из ЕЕадения, шести глав, еыеодое и списка цитируемой литературы (131 наимено вание). Работа изложена На 157 страницах, содержит 29 рисунко и Б таблиц.

В обзоре литературы прадставлан анализ устойчивости пенны> пленок и йен, рассмотрено утончение в разрыв свободных пенных пленок, течение раотЕоров ПАВ по каналам Плато-Гиббса пены, рэг рушение пены ЕследстЕИв коалесценции и диффузионного переноса i нлйяние давления е каналах Плато-Гиббса на разрушение пены.

В. глава 2 описаны характеристики веществ и известные мето; исследования пен.

В глаго 3 лрадстаЕлаш ноедаз метода исследования пен. В главе 4 приведани результата исследования влияния поверхностной вязкости иа течение растЕоров ЛАВ в гравитационном поле и закономерности течения под действием больших перепадов давления.

В глаЕв & описано разрушение лен и свободных пенных пленок под действием больших градиентов давления, включая область "критического ттЕлания" н темпера тури. ПриЕ-адашг рдаультати исследования пен 1? пвнтробеацоы полз. Я главе 6 преде те ела но исодадоЕаШкг закономерностей адсорбциошого концентрирования для извлечении мнл ниргшх и смоляных кислот.

краткой содоржаше работы

Для исследования различный свойств пзн использовал» следующие ПАВ: додеодлсульфат натрия (. ЮЙ^Уй) - фирмы " /Я&ЬсА децилсульфат натрия С И&А'а) квалификация "чистый"; оксиэтила-

рованный нонплфенол со средним числом оксиэтилышх групп равным :Л] (Л'р ~л)) <*,прм; "Зеггт", лаурилоЕий спирт квалификации "чистив", белок дизоппм квалификации "чистый", ТгНап х-ДОО фирмы "Рвгак " Для получения многослойных стратифиинрундих пленок и пены с тонкими плвнкаглИ испольасЕали растЕорн смеси технического алкансуль-фоната натрия (Еолгоната) и монозфира олзиноеой кислоты и трн-этвН(!Лй!.'иш е соотношении при общем содержании ПАВ ЗУ % (,об) и керосина 27 % (ой). Крамннйорганпчесние соединения КС-1,.БС~3, КЗП-2 с общей формулой

(Г/4л А-0[-$1 -о ']* (гр, ■ (ослнч)ю

(ОСМп

он

для КС-1 а. = 1-3, I = 0, п = 0,/77 = 8-12, Й-СН^СьЩ для БС-3 а = 7, I = 4, л в О, /У» * 8-12, для КЭП-З а в 2, I = 30,/г) = 15-21}, п .с 12-15, Л-синтезированы в института- ГШХТЭОО (г.Москва).

методы исащавлнин

Пену получали продуванием сжатого Еоздуха через стеклянные фильтры е сосуд с растЕором пенообразователя, Мразутяцаяся вена

поступала е ячейку, предстаЕлядцуа сооой стеклянный цилиндр, дном которого является стеклянный фильтр с размером пор от 5 до 60 мкм. Посла заполнения пеной ячейку закрывали крышкой с вмонтированными в нее платиноЕнш электродами, а пространство под фильтром присоединяли к сосуду с пониженным давлением. При изучении елияния температуры на Еремя жизни ленного слоя ячейка термостатяроЕалась.

Пониженное давление е каналах Плато-Гиббса иены измеряли капиллярным микроманометром.

Поверхностное натяжение ра о тиров пенообразователей определяли методом, осноЕанным на измерении Евса гидрофильной рамки с пленкой и без нее.

Для изучения закономерностей 'течения растворов ДАВ по каналам Ллато-Риббса пены использоеэлн стеклянную ячейку, ограниченную с даух сторон пориатыми перегородками. С наружных сторон перегородки находятся под одинаковым по Ееличине разрешением (при течении рартвора £ гравитационном поле).. Но Ееличинв Л Р определяли радиус кривизны 2 , неизменный по длине канала. При исследовании течения растЕороЕ ПАВ при больших перепадах давления пористые перегородки находились под различном по величине разрежением й Рт'т и Д Ртах у верхнего и нижнего фильтроЕ соответственно. Теоретическую зависимость радиуса от координаты Ъ(£) е предположении нулеЕой скорости на поверхности канала рассчитывали по формуле

гь=г)п,п*(1\пЛ»-г^п)£/1. (I)

где 1т1п - радиус в устье канала

1та.х - радиус у истока канала*^*?)

' L - расстояние от устья какала до произвольного сечения и - длина канала. (Формула подучена Д.Л.КузнецоЕой, П.М.КруглякоЕым).

Число каналоЕ длиной I определяли кондуктометричаски. Электрическое сопротивление елементарного объема одного канала длиной и равно

4/ГЖГ (и >

где - удельное сопротивление растЕора пенообразователя;

Мзл - число независимых (параллельно соединейных) каналов.

Когда фактический профиль ккгала соответствует уравнению Ш, интегрированием 12) с учетом (1) нами получена формула для числа

капплов

(Ь так - 2

Если реальный провяль каналов но соотвзтстЕобал теоретическому, рассчитанному по формуле Ц), >\пя разжата числа кяяалор использовалась экспериментальная зависимость . Так, для панн, получетой из раствора моль/л , экспериментальную зависимость апроксимироваяи формулой

Число независимых каналов в этом случае Енражается уравнением .

д/^- И (с'^дх - )___( 5 )

тл.% ~ ) ' <-т<м

Объемную скорость течения рястЕора 11АН (расход-) измерял' с по-мошьп градуироЕанных капиллярных трубок, когда профиль канала становился равновесном. В предположении тангенциальной неподвижности поверхностей каналов расход жидкости, протекающей через один качал равен

и,

гдо 6 РрП - избыточное дуг ленив в сечении,

где Л£

¿¿Ь

&Р=&Ртпг -ьРт'т - перепад даЕлениЙ. Дисперсность пени определяли измерением кратности я капиллярного давления. Изучение поверхностной вязкости вдсорошюнннк слоев ИЛ.13 проводили методом закручивания диска, подвешенного на упругой вольфрамовой нити я расположенного на границе раздела фаз, при постоянной скорости деформации < £ - соп&£ ). Дополнительно поверхностью вязкость определяли по скорости движения черных . пятен.

Объем жидкости, г.ча лястцейся в результате внутреннего разрушения пени оценивали по кинетике уменьшения числа каналов, но

времени О. спп/аТ 0 учдтом количества жидкости, соде|>-кащейсд в одном канале.

. Разработка мкшда йсслвдвания кратности пены по тшошости

. ; Предложен метод ойределеюя кратности (П-) по теплоемкости пены. Метод позволяет определять кратность е пенах, стабилизированных неионогенными ПАВ без добвЕок электролита. Полненные значения А • хорошо согласуются с кондуктометрическими определениями-при /I < 100.

разработка метода исследования кинетики роста кратности, установления давления в каналах плато-шббса и разрушения пены в центробежном поля

Разработана методика исследования разрушения пены е центробежном поле в ячейке, изооражепнои на рис.1. В гнездо центрифуги

Мс плавным регулированием числа оборотов от 500 до 6000 об/мин помещали металлическую ячейку (I)

РисЛ. Ячейка для исследования закономерностей разрушения пены в центробежном поле. I - металлическая ячейка, 2 - Герметичная крышка, 3 - электрод , 4 - универсальный вольтметр, ¿тац ~ максимальное расстояние от оси вращения,

¿}„~ расстояние от оси вращения до конца электрода , ¿ми - расстояние от оси вращения до слоя пены.

Внутрь ячейки через крыпжу из изолирующего материала (2) коаксйэльио вставлен электрод (3) в виде металлического круглого стержня, глубину погружения которого е пену мамю било регулирогат'- Вторым электродом служила поверхность самой ячейки. Электрода с помощь» скользящих контактов соединяли с универсальным вольтметром В7-16 (входное сопротивление ТО9 он). На рио.Кб) np9деt0Eлe¿to положение ячейки при Еращошш эе в центробежном по~э.

ИССЛЕДОВАНИЙ c¡AKUl ЮЖРНООТЕИ 1'Ш№Я РАСТВОРА ¡Ж ПО КАНАЛАМ. ПЛАТО-ГИЕБСА С 110СТ0ЯННШ ПО ВЫСОТВ

РАДИУсш КРОДШШ

Нздавно Д.Десаи и Р.Кумар предложили новую гидродинамическую модель для описания скорости течения раствора ItAB по каналам о подвижными поверхностями раздала. Попервчдам сечэниам канала Плато-Гиббса в данной модели является равносторонней троугольаак, в вершинах которого скорость течения жидкости пригашается равной нулю, а в центре - максимальна. Раггакяем уравнения Навьа-Стокса палучено значение средней ir и максимальной Цг' скоростей течения растгора 11АВ по каналу Ялато-Гиббса. Для оценки степени • подвижности поверхностей авторы используют функцию /ь которая по физическому синапу представляет собой отношении, максимальной скорости течения Щ' к средней скороотв течения £¿s с. неподвижными поверхностями. Величина <¿ определяется ■

по формуле

¿ = am£L {7 >

где ¿ - объемная динамическая еяэкость; ¿>s - поверхностная еяэкость.

Нами провадена оценка степени подвижности поверхностей для пен из растворов £>&£Л/аи Tillan X-1U0 с использованием функции /Ь в измеренной в независимых опытах величины при

постоянзюм по длине канала радиусом кривизны. Полученные результаты сравнивали с гидродинамической моделью, согласно которой, nena представляет собой систему независимых (параллельно соединенных} капилляров, поперечным сечением которых является "сферический треугольник" Плато-Гиббса о постоянным по длина канала радиусом кривизны ¿ , а скорость течения при неподвижных поверхностях Еыражается уравнением Леонарда-Лемлиха

2f.miL о»

r Hl .

гда - 3.3.I0-3 - геометрический коэффициент Леонарда-Лем»

itexa;

Р - плотность раствора пенообразователя; c¡ - ускорение свободного падения; ^ - объемная вязкость;

(¿i ■= 1,35 - коэффициент извилистости канала для модели пены с ячейками е. виде Пентагона льных додекавдроЕ (Кругляков ü.M., Нузненова JL.JL). Экспериментальную скорость находили из общего расхо-

да жидкости Q и числа каналоЕ ¿Ум

ог

= OJi ZW,* . ( Э )

Результаты исследований преде савлаш в табл. I.

Таблица I

Сравнение, двух методов оценки степени / подеижности поверхностей

Исследуемый 1 ■ ,1 ! | J I Г

раствор пено- t-tö* % . 9 ,

образователя 1{М) Ша.о) ( tf.cjs ЛЛЮ ! Ьл ! ß I¿Г/¿Г

Ы&ЭДДСа ч-

s.TcrSm

4-0,1 моль/л MtW ,

2. ©«Ä/Vit +0,33 моль/л A/aCß

3.

■ -ЙЗ,5коль/л ÄfaCÜ s

4. «msVo.'

'моль/л fi/aCl. б.Ъ'д&Л/в. ,

30 . ю-3 4,5.I0~k 1,17 -2,9 I I

II » 2.8.IU"7 10,4 -1,73 I I

" н 18,5 -1,73 I I

68 «1 - »» • 44,5 -1,35 1,2 .1,2

90 - 3,2. Ю-7 52 -1,28 1,2 3,2

Afa.Ce

6. ггНоп о о

X-I00+ 9U 21,2.10 1,2,10 3.2У. U,b2 II 10 0.1 Моль/л i()3

+72;& глицерина

7. 93 " " 3.45.IÜ3 0,537. 12 15

6' *-10qÄ,4 60 I0'3 e4>5 ~1>ш *'4 4'4

моль/хГ' Ыо-Ct

9. 32 " " 40,5 -1,39 1,15 2,6

Как £идно из табл. I, для пен, стабилизированных додецил-. сульфатом натрия (растворы 1,2,3) полная цеподершость поверх-нбетей наблюдается при радиусе канала В- = ЗО.Ю"6 м. Отноше-

тшя фактической скорости течсии к тропической ^г к ртом олушу ¡приз I. Для эта* ко рэс'.трор величина составляет 1,17.а Футами /Ъ остается постоян-

—Р

п< 'И « гвягк 1. ¡1ря увеличении рздяуеэ-канала до 68.10 м е пене из с ?гь"?т'№;ески!«! ч^чпши клчпктю паолюдавтоя некото-

рое (.одинаковое) увеличение относительной скорости и функции /Ь (V-,/1?г т. I,:-!, рпптяоп 4, табл. I).

БОЛ«"* СИЯЬ№/д УГО.П'.ПОПТ'О ПОПРЯЧЧ^ГТИ НоЕорхиоал сбпарухеп0 в пене из раствора 7\</оп л-Юи с добаЕкоЯ глицерина. При ра-диуге канала 93.ИГВ г; =15; /Ь = !<!, табл. 1, оаст-

вор 7.

Необходимо отметить, что для пен из растЕорсв А/а. +

+ 0,1 моль/л /Va.ce. и ТгИоп Х-ЮО + и,4 моль/л А/а С£ наблюдается заметное расхождение в оценке степени подеи-кности по-гсрх?госгэ$» с помошш мясаипнх моделей, отношение Й/г^ сос-•гплчкт 4,4; ?.,<], я солкт.нга А - 1.2; 1,4; 1,15 дет

рас) еор'д- ь,у,9 тяол. 1 . 370 роялк'н'я, возможно, '.■о'ьясняотся тзы»

что знд-'жонн''''; в гудели Д.Д«с«п Р.Кукзра продолжение о нулевой скорости точчиия ростворп ПАЗ е углах треугольного Г9ЧЗНГЯ канала Плот1-Г:"()бпп к-) пвлчггея точные и не почголчл достаточно надек-по г п ;-ш'|'ь с! зн^нг» 1:-.(ДЕ1!днос'П1 поверхностей р пена:: с различным тппс.т ПАВ :■ пленок. В г/одпли такта считается, что степень

[("ДЕИ^И'-Сте поЕ<грхн.-!СТчЙ че зависит от градиента язвления.

Нами установлено , что при больших градиентах давления ' ■ч'р л'м.«! и';'! п п * пнмоита льтто понятность поЕвркаостэй значительно гозрастп'П. 13 этик уелье Еозмоасвр • зк«е существование "кЕазираЕноЕесного" профиля канала Нлато-Гиобса.

ИССЛКДОНаНИЕ ПРОШЛЯ КАНАЛОВ ПЛАТ0-П1ББСА ПТО ТЕЧЕНИИ РАСТВОРА ПАВ ПРИ БОЛЬШЕ ПЕРЕПАДАХ ДАВЛЕНИЯ

ипродолоикч йксп-эриуонтяльной скорости течения в пене с лост^яннчм вдоль потока радиусом кривизны 2 менее 30.Ю-6 м окчзя чось плесякохнш еслодсигне боль'лих электрических сопротивлений и малости расхода. 13 сеяэп с этим было интересно выяснять закономерности течения раствороЕ ПАВ ^рас ход и изменение радиуса кривизны канала в направлении течения - профиль какали) при боль-пи х градиентах дэелзнея

На рис. 2 представлена часть-профилей канала Илэто-Гиббса (зависимость Z(C)) . При максимальной разности давлений йР « = 5 кПа Е пено с ньютоновскими черны?™ пленками фактические а на-

чвния радиусов каналов Дрис. 2, кривая 2) отличались от расчетных (криЕая X) е середина канайа Ше различие максимально) приблизительно на 20 ч

. Рис. 2, Профиль канилоЕ Нлато-Гиббса

л/Ьчах ■= 8 кПа; &Рт1п- 3 кПа: I - сплошная линия - расчет

. по формула I; точки - пена с обычными черными пленками;

2 г с ньютоновскими черными пленками; 3 - пана с обычными ' черными пленками Iопыты со "соросок") треугольники

Подобное -отклонение (фактического профиля от расчетного наблюдалось и при = 4 кПа {¿Нпах^ 0 кПа; &Р/т'п = 4 кПа). При &Р » 3 кПа ( ьРтол = 8 кПа, & Ртт я 5 КПа) различие профилей закатно уменьшалось, относительное отклонение экспериментального радиуса .от расчетного е сродней части составляло

10. Я». При перепаде давлений дР = 2 н11а I а Рта»" 8 к11я;лРт!п ~ «в 6 кПа).экспериментальный профиль соответствовал расчетному.

Одновременно изучали зависимость удельного расхода О,/У отнесенного к расчетному йг ■ ¡.по формула 6) от радиуса канала для пены с ньютоновскими черными пленками. Число каналоЕ £ этом олучае определяли по формуле 5. Установлено, что по мера уменьшения аР и соответственно радиуса у. истока канала iрадиус е устье канала в этих опытах поддерживался постоянным) от-

ноаенив <?»/<?г уменьшалось и составляло 20; 10; 1,5 при Ътах. ГО^/ЛСГ6 м, 8 Л0~® м, 6,4.10"® м. Поскольку прямые измерения расхода при йР « 2 кПа сделать не удалось, величина радоуса у истока, канала Ztn<líc , при котором достигается тангенциальная нвподЕйяснасть поверхностей, определялась путем экстраполяции зависимости 8э /(¡г * ~ Полученное значение радиуса . хорошо согласуется с известным из опытов по синарезису й- в 5.2.1СГ® м.

Била проведана таю.;о оценка степени подаижноста поверхностей о испольвованием функции /Ъ '.. щш радиусах каналов ¿так « = 10,7.1er6 м, б.Ю^'м, 6,4.1ü параметр' <С принимает'значения Ь,7.1р~а, 5,03.КГ3, 4,02.IG"3, s д во всех'случаях ра-ваз1 I, что'соответствует полностью неподвяхнои поверхности канала Плато-Гиббон. Поскольку одновременно'с умеаынаниам среднего градиента давления уменьшается и радиус у истока катала, то из п{1вдатаЕли1(них дагашг не ясно, дос'тигяэтоя ли тангенциальная ца-нодашность при тако;.; sd градиенте, но большая 'значзвдях' радиуса. В свази с этим исследовали течение е пена при меньших разрзженилк (соотватстЕенно при более толстых каналах). Полученные зависимое^-ти аналогичны представленным на рис, 2. При постоянном радиуса В устье канала (¿min = 8.10"^ м) и .пораженном у истока' ( г»»й< = « 12 и 32-I0"*6 м) тангенциальная неподвижность при всех градаен-так на достигалась. Тате, при перепаде давлений. 4 & ч З »Па •. (¡3 Ртах - 4 к!Та и йвг»'^ - I кПа) фактические значения радиусов канала, определенные в эксперименте отличались от' расчетных в са-редине капала) приблизительно на 30 %, а отношение Ü? /Qr было равно 16. При уменьшении ûP до У кЛа {л^тах- 4 кПа, àfimît, -«в 2 кЛа) профиль канала, определенный экспериментальио, отличался от расчетного приблизительно на' 10 %, а удельный расход через один канал превышал расчетный более чзм в II раз. G другой стороны, при постоянном радиусе у-истока канала imfh ~ В.lu"® « я увеличении радиуса в устье канала ( л Рта*. ~ 3 к!Га) и A Am'n <=■■ = I кПа) отноыение Qi/ûj уменьшалось до 5, что, очевидно, внзеэно уменьшением градиента давления. • •' ■ •

В пене с обычными черными пленками профиль каналов совпадает с расчетным по формуле Ï, однако тангенциальная неподвижность поверхностей при течении раствора ПАВ через пэну не достигалась. Удельный расход жидкости Ä//V в этом случае значительно боль-ue u 33 раза), чем при течанаа с тангенциально неподЕЯ&йыми по* взрхиостями раздела и чем в пане с ньютоновскими планками при тэх же давлениях а Рта.х\\ л Pmin . Установление стационарного профиля происходило чрезвычайно медленно (80-90 минут). ИзЕабтно, что при сине_езисе пен давление в вене, содержащей сбычтше чар-ные пленки устанавливается, наоборот, быстрее, чем е пйнв тоновскими пленками. С учетом втих данных и в связи ö »ем, что " в пене е обычными черными планками вксперииеятальйая обьемйаЛ скорость превышает еа теоретическое эначениа в продположвйия.йолдого

торможения на поверхности, было сделано предположение, что полученные правили яеляются нераЕнонесндаи. для проверки этого предположения были проведены опыты с резким уменьшением разрежения ("сбросом" давления). Измеряли давление в каналах при разреиенип у фильтров APmín = 5-кПа, а-Рта*- 9 Klla на определенном расстоянии от нижнего фильтра. Затем через наноторсе время уменьшали, разрежение до 3 и В кПа. УстаноЕИЕсшеся после "сброса" давление в 'каналах Плато-Гиббса в дальнейшем не изменялось и било выше, а радиусы каналов тоньше рассчитанных по формуле I (рис. 2, кривая 3), аналогично пенам с ньютоновскими черными пленками. Установлено, что радиусы каналоЕ Нлато-Гиобса дли пел с обычными чершмн пленкамн е опытах со "сбросом" давления при й Ртах = = Ё кПа и ьРт!» « 4 кПа были тадке меньше рассчитанных по формула 1, но совпадали по величине с размерами канала в пене с ньш'оноесенми черными лленка»ли. Следует отметить, что для профиля канаяоЕ, получензюго после "сброса" давления, расход жидкости через один капая fo /А/ преЕыпает расход для пены с ньютоновскими черными пленками е 1,3 раза, что качественно согласуется с полученными другими аеторами данными.

Полученные результаты .показывают, что совпадение экспериментального а расчетного що формуле 1) профиля е общем случае при течении по эластичным каналам не яэдяе' ся однозначной характеристикой тангенциальной пеподЕИяности поверхностей раздала. В некоторых случаях возникает нераЕНОЕесшл (но не изменяющийся длительно ло гремзяи) профиль каналоЕ со значительно большими радиусами кривизны, чем он может быть при данном перепаде давлении и разрешениях у концов канала при достижении равновесного состояния путем постепенного понижения разрежения от более высоких значений до более низких. Существование таких "квазиравновесных" профилей и чрезвычайно медленная скорость установления наблюдалась при Есех перепадах давлении в пене, полученной из раствора fO^S/^A о добаикей U,i моль/л 1\/а.С£ .

разрушение üt0j1ea пеш при больших перепадах давлыш tí es в1дк0и <шы

Известно, что время жизни пены Тр уменьшается при увеличении перепада давлений л Р , приложенного к ее жидкой фазе. При определенном перепаде давления (названном ранее критическим- d fitp ) разрушение пенного слоя происходит лаЕин-образно

е тлопал мск<.'/и.ки% секунд, однако природа этого явденая до сак лор не «сна.

В сьйзк с ьтш нами проьедено детально- ксслицование .влияния боль'чик папапацоЕ давления на кинетику разрушения столба наш. (включая область ьозмолшл "критических" иервиадОс).

¿сельдогании кицз'-'шш ризрудювтм лены высокой 3 см кз рьст-Еора 5.Ю"4 моль/л ТгИоп ¿-100 + 0,4 моль/л Л/лС£ от Е9ЛИ_ чины ¡сказало, чей обдаа £рз,\'я :к"ЗШ1 пенного слоя 2/» складывается из индукпионного периода ¿7 , е течение которого капиллярное давление растет, а Ексота слоя пены остается тактически постоянной и собственно времени разрушения столба пени Тс . 0 увеличением перепада дг.е ланий период разрушения уменьшатся, так что при больших ЛР общее Еромя жизни пены становится раЕным ¿/ г?) . Для пены из раствора ГчНап 1-100 7/= Гс = 3 мин при ЛР = 10 к!Ха и комнатной температуре, оч ц'ы ¡¡¡л; «п;;; я перепаде к даЕлепия Ерокя хдзии Тр ста-

ноиь'ия у^обиоЛ а иднчзььчиий харикиркстцк^Л устойчивости пены по ото.,:.чшр> к («зрумчы..» столба. /ге/ыченае п«р;«алЭ давления д,ы ¡/.¡л не ¡ысч й('11>« 11Аь (доци лсульц-ать натрнл) такав

идовид.:«'-' »V , однаки чЮо1б« ьр«г/и ¿нзии доае при

боль~ии л Р ( 20 кЛа) состиьяяло около 60 шшу~, т.е. г о то::., случае не :к.:.1ет простого сжсла. 1»а рас. 3 представлены аимсчшсс«; (йР) для ¡¡они из рас; вира Гг/'{0П Х-100 + 0,4 моль/'л А/лС£ о различной £цс«»ги столба ц исходной дисперсностью нр'! ко..натной температуре. Из рис. 3(а) видно, что при постоянной 1кд ици.а Ансийрси'-сч I ьрчид лиеш: поны составляет 35 мин, 23 мин, У шш и у* тсиы с^ол о сь., 3 с,-., I см (крлЕые 1,£,3), что очевидно отражает изменение времени достижения равноьесного капиллярного даЕлепил. На рис.. 3 (б) приведена зависимость ¿¿/¿РУ НАЛ И:!,1и .,з рйС7Е?,рз Тг Поп Х-100 + 0,4 моль/л МаС£ при ,1о;.'А>япн1,н ¿¡¿соте И = X с и., но с разной исходной дисперсностью (зависимости 4,'о,ь). Уменьшение 2/> £ это;г случае це сгнзано с кшш-лкей установления капиллярного давления, а отражает влияние размера илвиок и процесса структурной перестройки на разрушение столба пены. Было установлено, что при определенном давлений"

10 ш1а для пены из раотЕора ГгЫап Х-1С0 + 0,4 *юль/л /V'аС£ и ■ для пен, стабилизированных кремнийерганическими соединениями КС-1, £0-3, КЭП-й при А Р =4 кПа, 2 кЛа, 5.кПа) наблюдается резкое ушшыиениз ьрнмонц хшзнв пенного слоя любой

Nim

--1-'----->-1-t—----1_l_

«2 ff /0 /* /< 23-

&РкЛа.

Рас. 3. Зависимость Z> ßfi-J^P^ (&Р-~)

для пан, стабилизированных ГгИоп x-iQQ + о,4 моль/л iJqCP

а) с различной высотой столба (см): 1-5,2-3,3-1.

б) с разной начальной дисперсностью: 4,5,6-генератор РО-2, РС-3, РО-4.

• - раЕновесние Pi , * - неравновесные Р*

еысоты. Изменяется и характер разрушения j; столб пзны начинает разрушаться лавинообразно.е течение нескольких секунд после установления в пена некоторого капиллярного давления Рб -.На рис. Э(а) прэдстаЕлена зависимость избыточного давления е канале Р^ (йР) (пунктирные линии) доя пен из растЕора ТгМоп Ъ-100 (микроманометр устанавлиЕался на расстоянии 0,5 см от фильтра). Из рисунка ей дно, что в области давлений й Р < 10 и11а Pj достигает с.Еаего максимального равновесного значения к определенному" ыомсшту времени. При й.Р> 10 Kita £/> пенного слоя любой еысоты продолжает незначительно уменьшаться, а капиллярное давление на достигает максимального значения до конца существования пенного слоя вследствие интенсивного внутреннего разрушения пены, малой скорости вытекания я других кинетических осложнений. Время жизни пены из растЕора ионоганного ПАВ децилсульфата натрия 7.10"^ ыоль/л ¿6&Л/0. + 0,1 моль/л Л/аС£ достаточно велико .даже при больших йР и составляет 108 и 61 мин при &Р « 10 и 20кПа соответственно. Столб пены в втом случае разрушаатсч послой-

но, лавинообразно« разрушение ¡¿е наблюдается ни при каком перепаде давления. Таким образом, изучение зависимости Тр Р) показало, что для пан из расиороЕХ-100 и кромнийоргани-чзских соединений при некотором Л Р наблюдается лавинообразное разрушение е течение 1-й секунд. Однако установить точное значение лРлр по зависимости было нвЕозшвдо. Можно только ука-

зать интервал даплснил, при котором пена разрушается лаЕинообраз-но.

ВЛИЯНИЕ ТШПЙРАТУШ НА ВРЕМЯ ШНИ ПЗНН0Г0 СЛОЯ

Температура оказывает заметное Елияние на время жизни пены, .особенно сильное при получении пен из ноионогэнных ПАВ типа окси-этилироЕаквых производных ыйкилфенолог, спиртов- й кислот. На рис, 4 представлены зависимости времени жизни до полного разрушения пены из растЕора 5.10"^ моль/я ГгИ<3/1 Х-100 + 0,4 моль/л /Va.CE от 1/1 при различных перепадах давленая.

Рис. 4. Зависимость £п,ТГр (1/Т) для пен из растЕора ПНОП х-100 при изменении дР (кПз): 1-1,2-5,3-5, 4-10. Высота пега - 3 см, тип генератора: Р0-40 -1,2,4; Р0-160 - 3.

пТр

АО К 1.Л ' .\э //Т/03

Температурная зависимость времени жизни пенш^) из раст&ораТиЬзп Х-100 является экспоненциальной характерной для процессоЕ с преодолением энергетических барьеров:

.Рр/АТ

( 10 )

где

£р. - эйрзкглрная (кажущаяся) энергия активации разрушения пены;

- гвзоЕая постоянная; 7* - абсолютная температура.' Другой особенностью зависимостей является четко выраженный излом; смещающийся в сторону более низких температур при увеличении йР . Значения £р , рассчитанные графически из наклона

прямолинейных зависимостей (1,2,4)проЕ ее точек излома составляют 167 кД-к/моль { & Р - I кПа), ЭЭ кДж/моль U/9 = 5 кПа) и 35 кДж/моль КлР = IU кПа). время жизни пены при температура* левее точек излома практически не зависит от температуры. При а Р = Г кПа зта температура & равна 4?,b °(J, при ¿Р ~ 5 кПа tK = 40,4 °С, при л Р = 1U кПа ¿к = 39,ь Дальнейшее снижение критической температуры может быть достигнуто повышением¿Р при заданной -дисперсности, а также путам понижения дисперсности (рис. 4, зависимость 3) получаемой пены и ее енстотн. Зависимости, аналогичные представленным на рис. 4, получек! и для пен из кремнийорганических соединении: KU-I, БС-3, КЗП-2. Время жизни пены для исследованных ПАВ левее точек излома практически не зависит от температуры. Взжно отметить, что ео всех системах эта температура гораздо ниже точки помутнения растворов ПАВ и ее можно рассматривать как температуру tK , при которой заданное капиллярное давление становится "критическим" длп пены. При такой температуре пена разрушается лавинообразно при достижении равновесного капиллярного давления е нижнем слое, соприкасавшемся с пористой перегородкой. Из результатов исследовании зависимостей

следует, что критический перепад давлений л Рк/>. при данной температуре может быть определен по излому этой зависимости при самом малом перепаде давления, начиная с которого не изменяются ни температура излома, ни энергия активации.

ИССЛЕДОВАНИЕ СИНЕРЕЗИСА И РАЗРУШЕНИЯ ПЕНЫ В ЦЕПТРОБЕЖПОи ПОЛЛ

Предложенная нами схема установки (рис. I) позволяет исследовать изменение кратности, установление давления в каналах Плато-Гиббга и, соответствующего ему расклинивакхтзго давления в пленках, а также разруиение столба пена в центробежном поле.

Эксперимептально среднюю кратность __ определяли измерением электрического сопротивления слоя пены ЯР и рассчитывали по форлуле

(И)

где /€г &

- сопротивление жидкости с той же толщиной слоя;

- коэффициент форды.

Среднее по Еысота капилллрцоа давление равно

п.АШГ .

Ъ» 2.19а

тг

Рассчитанную по формуле (II) кратность сравнивали со средней гармонической валвчицой.. Я,...

В табл. 2 представлено изменение времени жизни ^ кра£ноо1»! , пг 'И капиллярно го даЕйзцин Е пэтге

¿1 в зависимости-от угловой скорости вращения аГ , причем'значения дисперсности <2. соответствуют максимальным к Л{о-менту ее разрушения б ячейка с пористым фильтром. Значения Дг рассчитывали по формула (12) с использованием Лг • Среднш гармоническую величину Д. ра^счи^ыЕали на ЭШ- чиавштн интегрирование« завиашости /7Г- -¿')? .[Гя9 Влияние центробежпого поля на различные 1 • параметры паны

Исследуемый ! иХ \а-Ю*\ пг 1 }\.г 1 Па ! Ал 1 %

раствор ! с-1 м ■ 1{йа ^

_________________I_____I_____1______I______1______1______

I. Ти "1оп

Х-100+1 моль/л 52,3 5,5 5,5 Д04 6,2 6,4.Ю4 Ь,7

2.

3.

+0,6 моль/л

4.

5^6-20+0,6

моль/л

6.

4VI 3,2 121.106 502 21,3. ' 21

■ До4

52,3 5,5 б.ЗЛи4, о,2 4,7.ГО4 5,4

471 3,2 139.10® 505 1,4|. . 16

52,3 6,0 4,6.1и4 6,04 6,5.10* 7,2

471 3,0 ?7.1и6 494 6,Э.1р4 15

7. Раствор:вол-Гонат^Ц^эмуль-

яд^плин 2'Л '¿6,19 3,0 2,00 4,3.Ю3 3

4 „

керосин 27£

зио ьо

1800 65

аю 15

•15

Продолжение таблЛ

_____I_______!„§__I___I V ГТ

8. 104,9 3 42,3. 66Д~б7зЛ03""м Т

ДО4

Э.Лиэоцим 52,3 3 2,0. 6.5 2.9.104 8 480 0,1&р,1 тп4

хь'/

10. 157 3 17,И. 44,5 ЗЛО4 8 5

.Ю5

Как ей дно из табл. 2 , е пене из раотЕоров ГгЫоп Х-100, *&1()$А/а. , Ыр -20 и лизоцима при малых углогых скоростях Ераще-ния (со в 52,3 с-1) достигается раЕноЕвсноа капиллярное давле-ниа Р± , при котором пена жиеот несколько минут. При увеличении числа оборотов до 471 с""* кратность достигает значений (10-20) .Ю4 , а пена разрушается лавинообразно менее чем за I минуту, не достигая теоретически возможного давления. Полученные нами Р* > в пенах из е%>Ч)£Л/& и № -20 составляют 16 и 15 кПа соответственно и близки по сЕоему значению к максимальным избыточным давлениям, измеренным микроманометром в ячейке с пористым фильтром, равным 18 и 19 кГ1а. В пене из раствора ТгИоп Х-100 Р^з в 2 раза превышает соответствующее избыточное давление, полученное е ячейка с порист и,5 фильтром и составляет # 20 кПа. '

.. При. исследовании паны из раствора лизоцима в центробежном поле раЕншесное капиллярное давление составляет 8 кПа ( " = = 52,3 с"1). Увеличение числа о6о_£отое 52,3 с-*) приводи-

ло к уменьшению до 5 с, а Р^э оставалось неизменным (табл. X , расТЕор 10). Отметим, что максимальное избыточное давление е пене из раствора лизоцима, полученное е ячейке с пористым фильтром не превышало 3 кПа. (Вероятно, метод определения максимального капиллярного давления в момент отслаивания пены:от пористой перегородки не достаточно надежен).

Пена из смеси Еолгоната и эмульфора-Щ е центробежном поле разрушается практически мгновенно даже при малой углоеой скорости вращения (при « = 26,9 ^о = 15 с ), а экспериментальное капиллярное.давление не превышало 3,8 кПа и было близю по своему значению давлению разрыва единичной пенной пленки. • Таким образом, при исследовании закономерностей разрушения пен г центробежном поле установлено, что время жизни пенного

слоя определенной высоты значительно меньше полученного при изучении пени е ячейке со степляинцм фильтром. В пенах из растго-ров ТгИоп х-100, смеси волголзта и эмульфора-ФМ, лизоцима пзблзрделссь далоноЯгов увеличение капиллярного давления, что', вероятно, обусловлено Солее благоприятным по гидродинамическому сопротивлению профилем канала.

В К В О Д Ы

1. Разработан метод определения кратности по теплоемкости пены, который позволяет определять кратность в пенах, не содержащих электролита. Как показали сравнения с кондуктометрпческим измерением кратности, метод пригоден для пен средней кратности (до П ® 100).

2. Проведено сравнение даух методов оценки степени подвижности поверхности канала Платс-Гпббса с использованием' функции

-/(¿} и отггог.'огп;л экспериментально измеренной' скорости ^ к теоретической в предположении неподвижной поверхности.

У<п-чипелоно, что для пет; т;г? рпстроргв лоделчлеульфата натрия с обвчлнки черни/!' плопко'.'п ¡1 5»з рэствора Тг»коп Х-100 наблюдается зачетной превнлелие подвитое ти поверхности канала, изжаренной экспериментально, в ерзвнзлил с теоретической, рассчитанной с использованием модэ;хи Л.Дооае и РЛфмяра.

3. Исследовано течение рчстксрос ПАВ через пену с тонкими каналами Плато-Гиббса (радиус каналов 4-30 ккы) при больших градиентах давления. В пене с ньютоновскими черными пленками та иге н-тдалш»п подлинность поверхностей и отклонение экспериментального профиля канала от раоччтноы изменяются сш.'бятно. Соответствие ' расчетного и фактического профилей каналой и расходов наблюдается при радиусе у истока канала 5 мкм.

■I. В пене из растеря дод^пплгулгфта натрия о обычными чертей плепкагп даглзтге в капалох, соответствуйте стационарному состояттгг уствнчвля^яятся чрезвычайно медленно. Обнаружено сушст-вовотгге ''кЕпэправнсгесного" профиля канала.

5. Показано, что совпадение экспериментального и теоретического профилей канала Плато-Гпббса но является достаточным условием полной неподаигаюсти поверхности. В пене из раствора додзцпл-сульфата натрия с обычными черными планками при совпадении расчетного и фактического профилей измеренный удельный расход су-щоствея^ (р 33 раза ) превышает расчетный в предположении тянгоп-

шальной неподвижности.

6. Обнаружено сильное ьлпяняе градиента давления на отепень подеииности поверхностей каналов Плато-Гиббса.

7. Установлено влияние температуры на время жизни пенного слоя, особенно сильное для пен из иеионогеннык ШШ. Рассчшанн

. эффективные энергии активации процесса разрушения пенного слоя.

8. Введено понятие "критической температуры". "Критическая температура" соответствует излому на зависимости логарифма времени разрушения от обратной температуры /л % (//Г) . При такой температуре пена разрушается лавинообразно при достижении равновесного капиллярного давления в нижнем слое пены.

8. Уточнено понятие "Критического давления" разрушения пены. "Критическое-давление" соответствует равновесному капиллярному давлению, при достижении которого пена разрушается лавинообразно е течение нескольких секунд. Определение "критического давления" с использованием зависимости ¿п% (ЦТ) яелязтся более надежным и однозначным, чем по зависимости Тр(&Р).

: Т.О. Разработан метод исследования кинетики роста кратности, установления давления в каналах Плато-Гиббсв и разрушения пены, в центробежном поле. Обнаружено значительное сокращение гремени кйзни пены е центробежном полз по сравнению с разрушением пены йод действием перепада давлений, создаваемого с помощью пористой Перегородки, а также более быстрое достижение высоких значений кратности и капиллярного давления вследствие особенностей профиля канала Плвто-Гибоса.

II. Установлено увеличение капиллярного давления е пе-

нах.из растпороЕ Ttiton. x-iuü, лизоцима и смеси голгоната и 8МуЛьфора-4М по сравнению с осушением пены в ячейка с пористой перегородкой. Полученные значения Р<г составляют 21; 8; 3,8 KlJa соответственно, что превышает измеренные максимальные значения Капиллярного давления е ячейке со стеклянным фильтром.

Й. Разработаны Исходные данные к проектированию установки для процесса адсорбционного концентрирования мыл жирных и смоляных кислот в сульфатном производстве целлюлозы.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях;

I. КругйякоЕ U.M., Фокина Н.Г. О синерезисе низкократных пен в гравитационном поле //Коллоида.Ж.-1984.-т.46,- 1Ь 6. -С. 1213-1215. .

2. Фокина Н.Г., Кругляков П.М. Исследование закономерностей тз-

• чения растворов ПАВ через пену с тонкими навалами Плаю-Гиббса при больших перепадах давления. //Тезисы докладов зональной конференции "Пану, й'-эико-хшичаские свойства и применение". Пенза, 1ЭУ5. - С.'8.

3. Фокина Н.Г., Кругляков П.М, Исследование закономерностей течения растворов ПАН через пену с toiikhuh риалами Нлато-Гиббса при больших перепадах давления //Казло1щ.й.-1ЭВ6^-т,4В.-)1 2.-С. 31У-324.

4. Фокина Н.Г., Кругляков П.М. Определение кратнооти по теплоемкости пены. Отделение НЙШ'ЭХИМ. Черкассы, 1988. - Дел.

в ШНИТИ 01Л2Л9И6. № 335. ' ' •

5. Фокина Н.Г. Влияние поверхностной ейзкости на* скорооть течения //Тезисы докладов 17 Всесоюзной конференции "Получений и применение пен". Белгород, 1989. - С. 40.

6. Кругляков П.М., 'Зокнна Н.Г., Алейкина С.Н. Влияние температуры на Еремя кизни пеш //Коллоида.я.-1990\-т.52, № 2.-С.365-367.

7. Фокина Н.Г., Кругляков П.М. Исследование разрушения столба пени при больших перепадах давления в ее жидкой фазе //Труды Всесоюзного семинара по коллоидной химии и физико-химической механике пищевых а бноактивннх дисперсных систем (1У89-90 гг.). M.: Наука, 1991. - С. VI~b2.

8. Христов Х.И., Екссрсва д.Р., Кругляков П.М., Аокииа Н.Г. Исследование сеойсте многослойных панних пленок с' большой концентрацией солюбили'аироЕанной органической жидкости //Тезисы докладов IX международной конференции по поверхностный силам. М., 1990. - С. У2-93.

9. ХристоЕ Х.И., EitcepoEa Д.Р. , Кругляков П.М., Фокина Н.Г., Стратификация петшх пленок из растворов с большой концентраций солюбияиэйрованной органической жидкости// ¡Соллоидн.г,-

1992.-т.5-1.С. 173-177.

10. Kruglyakov Р.К., Vilkova. iC.'G. and Malkov V.D. Investigation of -foam propartie a in centrifugal field. // Proc. IX Intern, symposium on surfactants in solution . Varna, ..1992.-P. 175.