Влияние пен на процесс удаления загрязнений
Удаляя различные загрязнения растворами, содержащими ПАВ, мы часто сталкиваемся с пенообразованием. При этом в ряде технологических процессов уборки и чистки требуется большое количество пены, где-то наличие пены допускается, и есть процессы, в которых пены не должно быть вовсе. В связи с этим возникает ряд вопросов. Пена – это хорошо или плохо? Помогает она или мешает удалению загрязнений? Как работает пена при очистке поверхностей?
Пена – это дисперсная система, состоящая из ячеек – пузырьков воздуха, разделенных пленками жидкости. Обычно воздух рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость – как непрерывная дисперсионная среда.
Структура пен определяется соотношением между объемами газовой (воздушной) и жидкой фаз.
Получать пены можно двумя способами: диспергационным и конденсационным.
Диспергационный способ получения пены
Рассмотрим этот способ, так как пены, с которыми мы имеем дело, образуются именно так – в результате интенсивного совместного смешения пенообразующего раствора и воздуха.
Диспергирование происходит:
а) при интенсивном действии движущихся устройств (в нашем случае щеток) на жидкость в атмосфере воздуха;
б) при прохождении под давлением струи пенообразующей жидкости через сетку или мелкоячеистый фильтр;
в) при эжектировании воздуха движущейся струей раствора.
|
| Рис. 1 Схема образования пузырьков и переход их из жидкости в газовую среду |
Схематично механизм образования пузырька пены можно представить так, как показано на рис. 1.
В жидкости возникает пузырек воздуха, который окружен адсорбционным слоем молекул ПАВ. При выходе из жидкости пленка на поверхности пузырька образуется из двойного слоя ориентированных молекул ПАВ, причем между слоями находится вода.
Следует отметить, что процесс пенообразования намного сложнее, чем мы это представляем, так как на него одновременно влияют многочисленные физико-химические и физические факторы.
Пенообразующая способность ПАВ во многом зависит от строения молекул вещества. Известно, что анионактивные вещества пенятся намного сильнее, чем неионогенные ПАВ, среди которых имеются вещества, использующиеся в качестве компонентов смесей, подавляющих пенообразование.
Образование пен зависит от длины углеродной цепи молекулы ПАВ и от вида катиона. Например, калиевые мыла пенятся сильнее, чем натриевые.
С увеличением концентрации ПАВ пенообразование сначала увеличивается, затем растет до максимального значения, а затем остается постоянным или даже понижается.
Изменение пенообразующей способности ПАВ связано с достижением критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Именно в области ККМ происходит завершение образования адсорбционного слоя, приобретающего максимальную механическую прочность.
Вспениваемость анионактивных ПАВ повышается с ростом температуры и, пройдя через максимум, начинает снижаться. Для неионогенных ПАВ характерной особенностью является точка помутнения, которая соответствует определенной температуре. При достижении этой температуры пенообразующая способность неионогенных ПАВ резко падает. Температура помутнения зависит от строения молекулы ПАВ, само же явление обусловлено понижением растворимости соединения с увеличением температуры.
Мыла и другие анионактивные вещества хуже пенятся в кислой среде, чем в нейтральной и щелочной. Максимальное пенообразование у них лежит в пределах рН = 8÷9, а неионогенные ПАВ не зависят от рН среды в области значений от 3 до 9.
Если с уменьшением поверхностного натяжения пенообразующая способность растворов увеличивается, то соли жесткости отрицательно влияют на образование пены. Менее всего подвержены действию солей жесткости растворы веществ с десятью атомами углерода в молекуле. Неионогенные ПАВ и здесь отличаются от анионактивных ПАВ. Соли жесткости не только не снижают их пенообразующую способность, но и в ряде случаев могут выступать слабыми усилителями пенообразования.
Свойства пены
Для улучшения пенообразующей способности очищающих средств в различных условиях применения (в том числе и в жесткой воде) в их состав вводят различные добавки. Чаще всего для этого используются соли фосфорной кислоты, или фосфаты. Фосфаты стабилизируют пену и увеличивают ее объем. Вместо фосфатов иногда применяется сода, но она снижает устойчивость пены. Для повышения пенообразующей способности в состав средств добавляют и другие органические вещества.
Устойчивость пены характеризуется временем ее существования. Практически все факторы, которые мы упомянули ранее, влияют на устойчивость пен. При этом устойчивость пен, полученных из растворов анионактивных ПАВ, выше, чем устойчивость пен, полученных из неионогенных ПАВ (НПАВ). Тем более что НПАВ с малым числом оксиэтилированных групп являются пеногасителями. Устойчивость (стабильность) пен увеличивается с увеличением концентрации ПАВ и достигает максимального значения в области ККМ. А вот влияние температуры достаточно сложно, оно связано с протеканием нескольких конкурирующих между собой процессов, таких как испарение растворителя и пенообразующего вещества, увеличение растворимости ПАВ, усиление тепловых колебаний молекул, ослабление прочности поверхностного слоя пузырьков, увеличение скорости истечения жидкости и пр. В итоге с повышением температуры уменьшается устойчивость пены.
Стабильность пен, получаемых из растворов анионактивных ПАВ, в кислой среде заметно увеличивается, а в щелочной – уменьшается.
Как любая дисперсная система, пена агрегатно неустойчива. Разрушение пены происходит в результате истечения жидкости, диффузии газа между пузырьками и разрыва индивидуальных пленок внутри пены. В очень стабильных пенах первые 10–20 минут разрушения не происходит.
Удаление загрязнений
Теперь от свойств пен перейдем к процессам удаления загрязнений. Значение пен в моющих процессах до конца не выяснено. В настоящее время его оценивают с различных позиций. Например, есть мнение, что поскольку зависимости моющего действия и пенообразующей способности ПАВ от его концентрации не совпадают, то роль пен незначительна или пена вовсе не влияет на процесс очистки. В то же время известны вещества, растворы которых обладают высоким пенообразованием и полным отсутствием моющего действия, и наоборот – многие неионогенные ПАВ не пенятся, но весьма эффективны при очистке.
На практике момент насыщения моющего раствора грязевыми частицами определяют по прекращению его вспенивания. В этот момент происходит истощение раствора ПАВ, молекулы которого адсорбируются на поверхности загрязнений, что вызывает снижение общего объема пены и частичное блокирование моющего процесса. Но и способность образовывать пену, и моющее действие имеют общую причину – проявление активности ПАВ.
В процессах стирки, несмотря на сложившееся мнение, что пена не влияет на качество стирки, а порой и мешает, она тем не менее оказывает положительное влияние на удаление загрязнений. С ростом пенообразующей способности ПАВ увеличивается и моющее действие.
Пенный способ хорошо подходит для очистки стен, колонн, потолков производственных помещений, наружных и внутренних поверхностей технологического оборудования, транспортных средств и других объектов. К положительным качествам этого метода можно отнести следующие: исключение смачивания очищаемых поверхностей и материалов; удаление частичек загрязнений без повреждения обрабатываемой поверхности; более продолжительное время контакта с вертикальными, наклонными поверхностями и поверхностями с отрицательными углами наклона. К тому же процесс очистки пеной более экономичен, так как требует меньших расходов химических средств.
Некоторые виды поверхностей, такие как потолки, нижние части карнизов, высоко расположенные фризы, поверхности со сложной конфигурацией или с глубоким рельефом, проблематично очистить с помощью растворов, тогда как пены весьма пригодны для этого.
При обработке потолков и стен время контакта с растворами моющих средств очень мало. Пены, особенно высокократные («сухие»), к этим поверхностям хорошо прилипают и медленно стекают с них, что обеспечивает длительный контакт химического средства с загрязнениями. Кроме этого, за счет разрушения пены и истекания из нее жидкости происходит постоянное обновление моющего раствора в зоне контакта с загрязнениями и осуществляется мягкое механическое воздействие.
Пену применяют также при чистке ковров, ковровых покрытий и обивки мягкой мебели во избежание намокания текстильных покрытий.
Очистка транспортных средств
Очистка транспортных средств пенным способом используется давно. Так, в Германии (ГДР) этот метод применяется с 1951 года. Установка пенной мойки вагонов аналогична портальной мойке. При прохождении вагонов через раму портала на его крышу и стены наносится слой пены, которая растирается специальными вращающимися щетками, а затем удаляется водой при прохождении через следующую раму. Пенные установки применяются и для мойки автомобилей. Кроме портальных моек, для наружной обмывки автомобилей, для чистки салонов используют ручные генераторы пены, например производства компании «Квазар».