Лако-красочные материалы — производство

Пены могут иметь жидкую и твердую дисперсионные среды. Устойчивость, стабилизация и разрушение имеют важное прак­тическое значение для пен с жидкой дисперсионной средой. Каю для всех дисперсных систем с такой средой, для пен ха­рактерны термодинамические и кинетические факторы устой­чивости. Однако в отличие от эмульсий пены, как и лиозоли, нельзя получить путем самопроизвольного диспергирования, так как на границе с газом поверхностное натяжение не мо­жет; уменьшиться до необходимого значения. По этой же при­чине пена не может долго существовать без специального ста­билизатора — пенообразователя. Только в разбавленных газо­вых эмульсиях, особенно высокодисперсных, некоторое время могут находиться пузырьки газа, но при соприкосновении оии практически мгновенно коалесцируют.

Устойчивость пены определяется, главным образом, гидро­динамическим фактором и соответствующими свойствами системы, например вязкостью жидкой фазы. Стабилизация пен обеспечивается с помощью поверхностно-активных низкомоле-

Рис. VI.19. Схема образования пузырька пены, стабилизирован­ной ПАВ

Кулярных и высокомолеку­лярных соединений. Меха­низм образования пены в полярной жидкости иллюст­рирует рис. VI. 19. При вы­ходе пузырька из жидкости в его пленке формируются два слоя ориентированных молекул ПАВ. Образую­

Щиеся адсорбционные слои на границе газ — жидкость создают условия, при которых со стороны дисперсионной среды возни­кают двойные электрические или сольватные слои. Эти слон и обусловливают агрегативную устойчивость пен.

Большая роль в стабилизации пен отводится эффекту Ма­рангони. При локальном утончении пленки пены увеличивается поверхностное натяжение. Появление градиента поверхностного натяжения вызывает течение раствора из области низких по­верхностных натяжений в места утончения пленки. Происходит как бы «залечивание» ослабленных участков. Такое залечива­ние можно объяснить и по другому. Утончение пленки пены приводит к росту в ней капиллярного, а затем и расклиниваю­щего давления, что способствует втягиванию жидкости в пленку из утолщений.

С увеличением кратности пены (отношение объема пены к объему жидкости, пошедшей на ее образование) возрастает роль структурно-механического фактора в ее устойчивости. При кратности пены до 10—20 пузырьки ее имеют обычно сфериче­скую форму, так как они разделены достаточно толстыми про­слойками жидкости. С ростом кратности пены от нескольких десятков до сотен ее структура переходит в ячеистую, или со — тообразную, в которой каждая ячейка представляет собой мно­гогранник. Пузырьки газа в таких пенах разделены тончайши­ми пленками жидкости, образующими каркас, прочность кото­рого определяется свойствами пенообразователя и его кон­центрацией.

Разрушение пен связывают, главным образом, с капилляр­ным давлением, обусловливающим переток жидкости в утол­щенные участки, которые находятся под меньшим гидростати­ческим давлением (жидкость в утолщениях пленки имеет во­гнутые мениски), а также с диффузией газа из малого пузырька в более крупный через пленку, разделяющую их. При разрушении пены может преобладать тот или иной процесс в зависимости от природы и состояния пены. В пенах с толсты­
ми жидкими прослойками сначала происходит истечение жид­кости, приводящее к утончению пленок, а затем диффузия газа и разрыв пленок. Разрушение пен высокой кратности («су­хих») обусловлено в основном диффузией газа и прорывом пленок.

Устойчивость пен оценивается временем «жизни» пузырька пены или определенного ее объема. Установлено, что при ис­пользовании ПАВ в качестве пенообразователей с ростом их молекулярной массы стабильность пен увеличивается до опре­деленного предела, а затем при дальнейшем увеличении моле­кулярной массы снижается. Максимум стабильности пей на­блюдается и с увеличением концентрации таких пенообразова­телей, как истинно растворимые ПАВ (низкомолекулярные). Подобные вещества относят к пенообразователям первого рода. Пены, полученные с применением этих пенообразователей, быстро разрушаются по мере истечения междупленочной жид­кости.

Коллоидные ПАВ и белки относят к пенообразователям второго рода. При увеличении их концентрации стабильность пен непрерывно повышается, что объясняется, по-видимому, возрастанием прочности структуры пены. Каркас пены, полу­ченной с применением таких пенообразователей, очень устой­чив и может сдерживать истечение междупленочной жидкости. Пенообразующая способность ионогенных ПАВ существенно выше, чем неионогенных ПАВ, что связывают с большей ско­ростью образования адсорбционных слоев из ионогенных ПАВ.

Пены находят широкое применение. В химической про­мышленности используют эффективные пенные аппараты, пред­назначенные для проведения процессов в газожидкостных сис­темах: абсорбции, десорбции, испарения, конденсации, сушки и очистки газов, охлаждения газов и жидкостей и т. д. Высо­кая скорость протекающих процессов достигается увеличением поверхности контакта взаимодействующих фаз. Пены способ­ствуют очистке поверхностей от различных загрязнений.

Пены применяются для тушения пожаров. Огнегасящее их действие состоит в охлаждении горячих предметов водой, со­держащейся в пене, а также в преграждении доступа кислоро­да к ним. Пена всегда находится наверху и поэтому очень эф­фективна при тушении горючих жидкостей.

В ряде производств пены мешают нормальному протеканию процессов, поэтому требуется гасить пену или предотвращать ее образование. Например, специальное пеногашение проводят в целлюлозно-бумажной, сахарной и фармацевтической про­мышленности; пены часто мешают на стадиях фильтрования, центрифугирования, очистке сточных вод. Для предотвращения пенообразования в систему вводят специальные пеногасители, применяют также и нехимические методы пеногашения. Пено — гаситель препятствует стабилизации пены, поэтому он должен быть более поверхностно-активен, чем пенообразователь, что­бы вытеснить последний или растворить структурированную- пленку пены. В качестве пеногасителей используют природные масла и жиры, органические кислоты, спирты, эфиры, некото­рые кремнийорганические и фосфорорганические соединения.

Из нехимических методов разрушения пен применяют ме­ханические, термические и акустические. Механические методы заключаются в разбивании пены с помощью мешалок, цикло­нов, дисков. Этот процесс выполняется непосредственно в техно­логических-аппаратах или в специальных пеноразрушителях, куда предварительно выводят пену. Термический метод осно­ван на испарении жидкости, находящейся в пленках пены; в одном из вариантов этого метода на пену действуют острым паром. В акустических методах для разрушения пены исполь­зуется ультразвук частотой от 1 до 1000 кГц.

Пены с твердой дисперсионной средой — твердые пены — Нашли широкое распространение в качестве строительных, тепло — и звукоизоляционных материалов. Их получают путем отверждения растворов или расплавов пластмасс (пеноплас — ты), бетона (пенобетон), стекла (пеностекло). При получении газонаполненных материалов (твердых пен) кроме основного компонента, играющего роль дисперсионной среды, в состав полупродукта вводят пенообразователи, которыми обычно слу­жат вещества, легко разлагающиеся с выделением газов: кар­бонаты, диазоаминобензол и др.

В аэрозолях частицы могут иметь заряды даже разного знака, так как газообразная среда не. может быстро обеспечить рав­новесие.

Благодаря интенсивному броуновскому движению в газовой •среде коагуляция в аэрозолях протекает быстрее, чем в лиозо — лях. Константа коагуляции аэрозолей достигает значительно более высоких значений, поэтому скорость коагуляции сильно возрастает с увеличением концентрации аэрозоля. Если час­тицы обладают одинаковыми зарядами, это способствует их рассеянию и увеличению агрегативной устойчивости аэрозоля. При наличии же противоположно заряженных частиц коагу­ляция аэрозоля ускоряется. На скорость коагуляции влияют звуковые колебания и конвекционные потоки, увеличивающие вероятность столкновения частиц. Коагуляции способствует увеличение влажности среды, так как влажные пленки стяги­вают столкнувшиеся частицы (роль третьей фазы при смачи­вании).

Аэрозоли находят широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Туманы, получаемые механичес­ким диспергированием, применяют для опыления, опрыскива­ния, увлажнения, создания защитных завес и т. д. Размер частиц в таких туманах составляет ие менее 1,0—1,5 мкм, что является основной причиной их быстрого гравитационного осаждения и коагуляции. Наиболее стабильны туманы, получа­емые при конденсации пересыщенных паров — метод, который нередко выступает в качестве необходимой стадии технологи­ческого процесса получения многих продуктов. Так, устойчивые конденсационные туманы образуются в производстве серной, хлороводородной и фосфорной кислот, в процессах хлорирова­ния, сульфирования, гидрохлорирования, при термическом раз­ложении некоторых солей, гидролизе ряда газов. Вследствие высокой дисперсности и часто сильной агрессивности дисперс­ных частиц разрушение таких туманов представляет весьма сложный и дорогостоящий процесс.

Аэрозоли в виде дыма и пыли сопутствуют практически каждому производству, потребляющему топливо. Теплоцентра­ли, доменные печи, коксовые батареи, заводы, производящие черные и цветные металлы, цемент и другие материалы, вы­деляют огромное количество дыма и пыли, уносимых техноло­гическими и вентиляционными газами. Улавливание пылей и борьба с дымами при современном развитии производства превращается в общественно необходимое мероприятие по охра­не окружающей среды.

Для разрушения аэрозолей и улавливания дисперсной фа­зы применяют различные методы. Крупные частицы осажда­ются в пылевых камерах. При изменении направления газовых потоков на частицы действует сила ииерции: ударяясь о стен­ки газоходов, они резко теряют скорость и оседают. На этом явлении основано действие инерционных пылеуловителей и циклонов. Широко применяются мокрые уловители — скруббе­ры. В таких аппаратах частицы смачиваются и оседают на дно. Однако улавливаются в основном крупные частицы (более 3-ь5 мкм); для мелких частиц, находящихся в пузырьке газа, вероятность взаимодействия с жидкостью меньше.

Эффективна очистка в электрофильтрах (аппаратах Кот — треля), в которых генерируются отрицательно заряженные га­зовые ионы и электроны на коронирующем электроде (напря­жение 70—100 тыс. вольт). Отрицательные ионы, двигаясь к положительному осадительному электроду, отдают частицам аэрозоля свой заряд, которые,, заряжаясь, начинают переме­щаться в том же направлении. На положительном электроде частицы теряют заряд н осаждаются. Электрофильтры эффек­тивно задерживают частицы размером более 1 мкм.

Широкое распространение получили методы фильтрования аэрозолей. Однако эффективность всех методов уменьшается с увеличением дисперсности аэрозолей, поэтому для разруше­ния высокодисперсных аэрозолей используют методы предва­рительной коагуляции. Наиболее широкое распространение В промышленности получил метод улавливания аэрозолей, ос­нованный на конденсации паров жидкости (обычно воды} в среде аэрозоля. Частицы аэрозоля, выступая в качестве цент­ров конденсации, укрупняются и коагулируют вследствие кон­денсации на них паров воды, что облегчает их улавливание.