表面活性劑濃度對泡沫堆積高度的影響及參數(shù)分析

劉志剛，耿佃橋*

(1.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819; 2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

表面活性劑濃度對泡沫堆積高度的影響及參數(shù)分析

劉志剛1,2，耿佃橋1,2*

(1.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819; 2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

基于實驗方法，研究了表面活性劑濃度及相關(guān)參數(shù)對泡沫堆積高度的影響. 實驗結(jié)果表明：減小表面張力，增大氣體表觀速率有利于提高泡沫堆積高度；在一定范圍內(nèi)增大黏度有利于提高泡沫堆積高度，但黏度過大時泡沫堆積高度反而減??；當(dāng)表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度(cmc)后，膠團(tuán)穩(wěn)定泡沫的作用不明顯；當(dāng)表面活性劑濃度超過“臨界作用濃度”后，泡沫堆積高度迅速增大. 通過回歸試驗數(shù)據(jù)，分別獲得不同表面活性劑濃度范圍內(nèi)的泡沫堆積高度公式.

泡沫；泡沫堆積高度；預(yù)測模型；表面活性劑；臨界作用濃度；黏度

泡沫是許多氣泡被液體分隔開的體系，是一種以少量液體構(gòu)成液膜并隔開氣體的聚集物[1]. 泡沫在醫(yī)療、石油開采、食品工業(yè)生產(chǎn)、泡沫金屬材料制造和滅火等[2-7]諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用. 在泡沫分離技術(shù)中，泡沫堆積高度會影響固體粒子分離，溶液中離子、分子的分離，蛋白質(zhì)、細(xì)胞等生物產(chǎn)品的分離[8]；在直接吹氣法制備泡沫金屬材料的工藝中，泡沫堆積高度直接影響工藝設(shè)備的設(shè)計；在鋼鐵冶金工藝，泡沫堆積高度會影響高爐操作的穩(wěn)定性[9].

國內(nèi)外學(xué)者對泡沫堆積高度提出了不同的預(yù)測模型. FUEHAN等[10-12]用發(fā)泡指數(shù)對泡沫的高度及其參數(shù)進(jìn)行表征，泡沫高度與氣體的表觀速度和液體黏度呈正比，與表面張力、氣泡半徑和液體密度的平方根呈反比. LOTUN等[13]得出的結(jié)論表明，泡沫高度與表面張力呈正比；KITAMURA等[14]根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)泡沫高度與黏度呈反比. 由于實驗條件的不同，學(xué)者們在各參數(shù)對泡沫堆積高度影響的觀點上存在著分歧.

加入表面活性劑可以降低表面張力，有利于氣泡的產(chǎn)生和降低毛細(xì)管壓力，減緩析液，穩(wěn)定泡沫[15]. 當(dāng)表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度(cmc)，存在隨表面活性劑濃度增大，泡沫堆積高度迅速增加的現(xiàn)象[16-17]. 目前，已有研究針對這種隨表面活性劑濃度超過cmc后，泡沫堆積高度迅速增加的現(xiàn)象缺乏定量分析. 本工作通過調(diào)節(jié)甘油濃度，表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)濃度和表觀速率等，分析研究黏度、表面張力、膠團(tuán)等對泡沫堆積高度的影響. 并通過回歸實驗數(shù)據(jù)，獲得泡沫堆積高度迅速增加前后的兩個泡沫堆積高度預(yù)測模型.

1 實驗

1.1 原料和試劑

甘油(嘉興怡順堂日用化工有限公司)；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS，天津市鼎盛鑫化工有限公司)；自來水.

1.2 主要儀器和設(shè)備

NDJ-9S旋轉(zhuǎn)式黏度計，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；BZY-3B半自動表面張力儀，上海衡平儀器儀表廠；砂芯濾板，連云港中旭石英制品有限公司；MP110B電子天平，上海精密儀器儀表有限公司；壓縮氮氣瓶，沈陽四方乙炔供氣站. 氣體流量計(玻璃轉(zhuǎn)子流量計)；有機(jī)玻璃管及法蘭，撫順有機(jī)玻璃廠(有機(jī)玻璃圓筒高1 500 mm，內(nèi)徑為80 mm，外徑為90 mm)；發(fā)泡裝置示意圖見圖1.

圖1 發(fā)泡裝置Fig.1 Foaming device

1.3 實驗步驟

實驗通過改變甘油的體積分?jǐn)?shù)，SDBS濃度，調(diào)節(jié)不同表觀速度，來研究溶液表面張力、黏度、膠團(tuán)、表觀流速等參數(shù)對堆積高度的影響. 每組溶液的具體成分見表1.

每次調(diào)配好溶液試樣后，依次測量溶液的密度，黏度和表面張力. 實驗開始時，首先接通入氮氣，當(dāng)?shù)獨獬錆M濾板下方的氣室后，減小氣體流量并向柱形圓筒中倒入1 000 mL溶液試樣. 調(diào)節(jié)流量計和穩(wěn)壓器，增大流量至待測值，待氣泡高度穩(wěn)定后，用直尺測量并記錄泡沫高度，并在直尺對照下用相機(jī)拍攝記錄氣泡直徑D.

表1 溶液的成分Table 1 Solution composition

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 SDBS濃度對表面張力及黏度的影響

由圖2可見，表面張力隨SDBS濃度增大先迅速降低，在濃度為0.1 g·L-1達(dá)到最低點，然后緩慢上升，繼而又緩慢下降，在平衡表面張力附近波動. 由表面張力變化可判定，70%甘油水溶液的cmc在0.1 g·L-1附近.

由圖3可見，表面活性劑SDBS濃度由0.1 g·L-1增加至0.7 g·L-1，溶液的黏度幾乎沒有發(fā)生變化. 這是因為在SDBS濃度較低時通常形成球形膠團(tuán)[18]，對溶液黏度的影響不大[19].

圖2 體積分?jǐn)?shù)70%甘油水溶液表面張力隨SDBS濃度的變化Fig.2 Fraction of volume concentration 70% glycerol aqueous solution surface tension with SDBS concentration

圖3 體積分?jǐn)?shù)60%甘油水溶液黏度隨SDBS濃度的變化Fig.3 Fraction of volume concentration 60% glycerol aqueous solution viscosity with SDBS concentration

2.2 黏度對泡沫高度的影響

由圖4可見，黏度適度增大有助于泡沫堆積高度增長. 析液是泡沫破裂的重要因素，溶液黏度的適度增大減緩液膜析液，延緩泡沫破裂[1,20]，有利于泡沫的堆積. 但黏度過大不利于泡沫堆積高度增長，黏度的過大會阻礙氣泡上浮，不利于溶液泡沫化.

a.SDBS concentration 0.25 g/L； b.SDBS concentration 0.40 g/L；c.SDBS concentration 0.70 g/L.圖4 泡沫高度隨甘油濃度的變化Fig.4 Variation of foam height with glycerol concentration

2.3 表面活性劑濃度對泡沫高度的影響

由圖5可見，SDBS濃度較低時泡沫堆積高度較低(約7 mm)，隨SDBS濃度的增大，泡沫堆積高度整體呈增長趨勢. 當(dāng)SDBS濃度超過0.4 g·L-1，泡沫堆積高度隨SDBS濃度的增大迅速增加，最高時可達(dá)344 mm. 表面活性劑濃度較低時，表面活性劑的加入只是起到減小表面張力作用，從而有利于氣泡的產(chǎn)生和泡沫穩(wěn)定. 隨著SDBS濃度的增大，當(dāng)濃度超過cmc，溶液內(nèi)開始生成膠團(tuán)[1,21]. 低濃度膠團(tuán)對泡沫穩(wěn)定性的影響不明顯，當(dāng)SDBS濃度達(dá)到0.4 g·L-1后，SDBS濃度的繼續(xù)增大會明顯促進(jìn)泡沫堆積高度的增長，定義0.4 g·L-1為SDBS影響甘油水溶液泡沫堆積高度的“臨界作用濃度”.

a. gas apparent velocity j=5.3 mm/s； b. gas apparent velocity j=6.6 mm/s； c. gas apparent velocity j=8.0 mm/s.圖5 泡沫高度隨SDBS濃度的變化Fig.5 Variation of foam height with SDBS concentration

部分研究者曾指出顆粒對泡沫堆積高度的影響源自顆粒影響?zhàn)ざ萚22-23]，而本實驗結(jié)果表明，顆粒對泡沫穩(wěn)定性具有直接作用，與對黏度影響的關(guān)系不大. SDBS濃度達(dá)到臨界作用濃度后，生成的大量膠團(tuán)會在氣泡液膜緊密排列，抑制液膜排液[24-26]. 圖6為膠團(tuán)互相作用形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖，液膜在膠團(tuán)作用下形成類似三維凝膠薄膜，從而穩(wěn)定振蕩結(jié)構(gòu)力[27-28]，穩(wěn)定泡沫. 由圖5可見，隨SDBS濃度繼續(xù)增大，當(dāng)SDBS濃度達(dá)到一定值后，泡沫高度不再增大. 隨表面活性劑濃度的增大，膠團(tuán)粒徑不斷增大，膠團(tuán)之間也會產(chǎn)生凝聚增大現(xiàn)象[17,29-30]. 膠團(tuán)粒徑的不斷增大會導(dǎo)致泡沫失穩(wěn)，抑制泡沫堆積高度的增長.

圖6 膠團(tuán)在Plateau邊界形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Network structure of the micelle inside the Plateau boundary

2.4 表觀流速對泡沫堆積高度的影響

圖7為體積分?jǐn)?shù)為70%的甘油水溶液泡沫化高度隨氣體表觀速率的變化. 在實驗表觀流速范圍內(nèi)，泡沫高度隨表觀速率增大而增大. 表觀流速主要影響泡沫的生成速率. SDBS濃度低于臨界作用濃度時，生成泡沫不穩(wěn)定，單個泡沫存在周期短，表觀速率對泡沫高度的影響較小. SDBS濃度高于關(guān)鍵作用濃度時，泡沫相對穩(wěn)定性強(qiáng)，表觀速率對泡沫高度的影響明顯.

a. SDBS concentration 0.10 g/L； b. SDBS concentration 0.70 g/L.圖7 泡沫高度隨氣體表觀速率的變化Fig.7 Relationship between foaming height and gas apparent velocity

2.5 參數(shù)分析

泡沫堆積高度H主要與液體的表面張力σ，表觀流速j，液體密度ρ，重力加速度g，液體黏度μ及氣泡半徑r等參數(shù)有關(guān). 對泡沫上浮以及析液現(xiàn)象進(jìn)行受力分析，可知泡沫化主要受重力、黏性力、表面張力以及慣性力影響；其中，膠團(tuán)的生成會抑制泡沫的析液，形成穩(wěn)定的膜，極大的增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性.

選取三個基本量j、μ、r進(jìn)行量綱分析可以得出四個相似準(zhǔn)則數(shù)分別為：

利用上述π數(shù)組成新的方程，可以得出：

=f(Ca,Re,Fr)=kCaαReβFrγ(5)

在SDBS濃度低于0.4 g·L-1時，擬合得出公式為：

在SDBS濃度高于0.4 g·L-1時，擬合得出公式為：

圖8顯示了預(yù)測的泡沫堆積高度與實驗測量泡沫堆積高度的比較. 由圖8可見，泡沫高度預(yù)測模型得出的計算值與實驗所得的實測值吻合度較好.

(a) SDBS concentration below the critical concentration.

(b) SDBS concentration exceeding critical concentration.圖8 泡沫高度計算值與實驗值的對照圖Fig.8 Comparison between experimental data and foam thickness predicted

3 結(jié)論

1) 表面張力隨表面活性劑濃度的增加先急劇下降，在cmc達(dá)到最小值. 超過cmc后，表面張力先緩慢增大進(jìn)而緩慢減小，圍繞在平衡表面張力附近波動. 隨表面活性劑濃度的增加，溶液黏度幾乎沒有變化. 試驗范圍內(nèi)，表面活性劑濃度對應(yīng)生成的膠團(tuán)是球形膠團(tuán)，對溶液黏度影響不大.

2) 黏度，表面張力和表觀流速等均會影響溶液的泡沫堆積高度. 降低表面張力和適當(dāng)提高黏度可促進(jìn)泡沫化的進(jìn)行，但黏度過高反而不利于泡沫化.

3) 表面活性劑濃度較低時(SDBS濃度低于0.4 g·L-1)，泡沫穩(wěn)定性較差. 泡沫堆積層數(shù)較少，表觀流速對泡沫堆積高度影響較小，堆積高度隨泡沫半徑增大而增大. 利用線性回歸獲得半經(jīng)驗方程：

4) 表面活性劑濃度較高時(SDBS濃度高于0.4 g·L-1)，大量膠團(tuán)穩(wěn)定泡沫. 泡沫堆積高度與黏度和表觀流速呈正比，與表面張力，泡沫半徑，密度及重力加速度呈反比. 在考慮膠團(tuán)對泡沫化影響的基礎(chǔ)上得出半經(jīng)驗公式：

5) 溶液中生成大量膠團(tuán)后，溶液泡沫堆積高度顯著增加. 隨SDBS濃度的增大，膠團(tuán)粒徑長大，膠團(tuán)之間也會凝聚增大. 膠團(tuán)粒徑的不斷增大導(dǎo)致泡沫失穩(wěn)，抑制泡沫堆積高度的繼續(xù)增長.

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Effectofsurfactantconcentrationonfoampackingheightandparameteranalysis

LIU Zhigang1,2, GENG Dianqiao1,2*

(1.KeyLaboratoryofElectromagneticProcessingofMaterials,MinistryofEducation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,Liaoning,China; 2.Schoolofmetallurgy,NortheasternUniversity,Liaoning, 110819,Liaoning,China)

The effect of surfactant concentration and related parameters on foam height have been studied experimentally. Experimental results show that the foam height increases with the increasing apparent gas velocity, while the foam height increases with the decreasing surface tension. Besides, the foam height increases with the increasing liquid viscosity when the liquid viscosity varies in a certain range. However, the foam height decreases when the liquid viscosity is too large. The stabilizing effect of micelle on foam is not obvious when the surfactant concentration exceeds the critical micelle concentration, and the foam height increases rapidly while the surfactant concentration exceeds the “critical action concentration”.We obtain foam height formula with different range to surfactant concentration by the regression empirical formulas.

foam; foam height; prediction model; surfactant; critical concentration; viscosity

O647.1

A

1008-1011(2017)05-0606-06

2017-06-19.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51304038),中國博士后特別資助項目(2015T80261).

劉志剛(1990-), 男, 碩士生, 主要從事泡沫穩(wěn)定性及流變性研究.*

, E-mail:gengdianqiao@epm.neu.edu.cn.

[責(zé)任編輯：吳文鵬]