Пена

КАК ПОЛУЧАЮТ ПЕНУ?

Читатель уже знает, и не только по нашему описанию, как возникают мыльные пузыри; он и сам не раз получал пену дома, когда мылся или стирал, готовил безе или омлет. А как это делают на производстве, как, например, приготовить сотни и тысячи литров пены в считанные минуты при пожаре, какие для этого нужны аппараты?

Пена, как и любая дисперсная система, может быть получена двумя способами: объединением очень мелких (микроскопических) газовых пузырьков в более крупные (метод конденсации) или дроблением крупных воздушных 1
пузырей и включений на более мелкие, а следовательно, и более устойчивые (метод диспергирования). В первом случае будущая газовая фаза первоначально присутствует в виде отдельных молекул, из которых затем образуются пузырьки. Типичный пример-пивная пена. Диоксид угле­рода (углекислый газ), возникающий при приготовлении (брожении) пива, растворен в жидкой фазе; когда давле­ние на жидкость резко снижается (при откупоривании бутылки), раствор становится пересыщенным и излишки растворенного газа образуют газовую фазу. Многие твердые пены, получившие теперь широкое применение,- продукт конденсационного вспенивания. Для этого в мас­су вводят специальные добавки, выделяющие в ходе хи­мической реакции газ.

Конденсационный метод почти мгновенного вспенива­ния служит наглядной иллюстрацией закона газового со­стояния: при повышении давления или понижении темпе­ратуры растворимость газа в жидкости увеличивается (закон Генри). Если снизить давление или повысить тем­пературу, то газ сразу начнет выделяться и вспенит жид­кость. На этом «эффекте открывания бутылки» основан один из методов вспенивания. В жидкости, подлежащей очистке от твердых частиц, сначала под давлением рас­творяют газ и добавляют ПАВ. Жидкость переливают в другой резервуар с пониженным давлением, раство­ренный газ высвобождается и, вспенивая воду, уносит с пузырьками загрязнения.

Таким образом, конденсационный способ ценообразо­вания можно осуществить по трем различным схемам: изменением параметров физического состояния си­стемы, например понижением давления над раствором, повышением температуры раствора или введением в рас­твор веществ, уменьшающих растворимость газов; во всех этих случаях растворенный в жидкой фазе газ на­чинает выделяться из жидкости и вспенивает ее;

В результате химических реакций (основные из них - взаимодействие соды с кислотой, пероксида водорода с перманганатом калия, разложение карбоната аммония); при этом выделяется диоксид углерода или кислород;

Использованием микробиологических процессов, со­провождающихся выделением газов, чаще всего С02.

Конденсационные методы широко применяют при из­готовлении хлеба и кондитерских изделий, при производ­стве пенопластмасс, в бытовых огнетушителях, в техноло­гии газобетона и пенометалла.

Диспергащонный метод основан на получении пены в результате дробления и распределения воздуха или газа в растворе с пенообразователем. Обычно небольшие пор­ции газа вводят в раствор и дробят их там до размеров мелких пузырьков. Легче всего этого добиться, продувая газ через трубку, опущенную в жидкость. Таким образом могут быть получены монодисперсные пены (т. е. пены, состоящие из пузырьков одинакового размера). Итак, можно продувать воздух, предварительно раздробленный на струйки, через жидкость. Можно перемешивать воздух и жидкость какими-либо мешалками. Можно встряхи­вать, взбивать, переливать. Иногда орошают жидкостью металлическую сетку, через которую принудительно по­дают газ.

В промышленности для получения пены дисперга - ционным методом исьользуют следующие принципы: прохождение струй газа через жидкость в аэра - ционных и барботажных установках, в аппаратах с «пенным слоем», в пеногенераторах с сеткой, орошае­мой раствором с пенообразователем;

Действие движущихся устройств на жидкость или дви­жущейся жидкости на преграду (в технологических аппа­ратах с быстроходными мешалками; при взбивании, встряхивании, переливании растворов);

Эжектирование (от французского Ejection-выбрасыва­ние) воздуха движущейся струей раствора (в пеногенера­торах).

58

¥ /О „ UjOVrt/0

В химической и пищевой промышленности наиболее распространены различные варианты движущихся устройств, которые при вхождении в жидкость вовлекают в нее воздух и при последующем движении дробят этот воздух на отдельные мелкие пузырьки. Так работают различного рода мешалки с двух - и многолопастными смесителями-крыльчатками, винтовыми и сетчатыми ло­пастями и т. д.

При вхождении в жидкость лопасть оставляет в по­верхностном слое воздушный след. Устье этой воздуш­ной каверны захлопывается, и большая порция воздуха оказывается вовлеченной в раствор. Это явление нагляд­но иллюстрируется кадрами скоростной киносъемки. Ло­пасть заменили металлическим шариком, свободно па­дающим в воду. Хорошо видно, как опускается шарик, а за ним остается воздушный конус. Над водой от удара шарика о поверхность жидкости возникает водяная коро­на, верхняя часть которой сужается и в конце концов за­хлопывается. Воздушный пузырь оказывается в плену. Такой способ ценообразования прост и легко реализуется в любом технологическом процессе.

Наиболее мощные и эффективные установки дисперга - нионного ценообразования разработаны для пожароту-

Ния Они столь надежны и производительны, что ими широко пользуются в самых разных отраслях народного хозяйства. Применяют в основном две группы устройств. К первой относятся воздушно-пенные стволы, работаю­щие по принципу соударения струй: раствор пенообразо­вателя под давлением выбрасывается из отверстий, рас­положенных под углом друг к другу, вследствие чего струи сталкиваются, дробятся и перемешиваются, за­хватывая воздух из окружающей среды. Пена, образую­щаяся в результате интенсивного перемешивания раство­ра и воздуха, выбрасывается через трубу, называемую стволом. Такая пена характеризуется малой кратностью и неоднородностью структуры, поэтому она нестойка

Однако такие генераторы даже при небольших давлениях выбрасывают струю пены на дальние расстояния, что облегчает тушение больших очагов пожара.

В пеногенераторах второй группы вспенивание проис­ходит на сетках. Раствор пенообразователя под давле­нием выбрасывается из распылителя, попадает в виде ка­пель на ячейки сетки и смачивает их. Поток воздуха, подаваемого вентилятором или эжектором, выдувает на ячейках сетки пузырьки пены. Эти пузырьки отрываются от сетки и образуют пену с мелкими однородными пора­ми-пену громадной кратности (1000 и более) и высокой стойкости. Такие пеногенераторы производят до 15000 л пены в секунду, а дальность полета струи достигает 8-12 м.

Известны и другие конструкции пеногенераторов. На верхнем рисунке показано устройство для получения больших количеств пены за счет всасывания воздуха струей прообразующего раствора; ниже приведена схе­ма пеногона, в котором струя воды создает разрежение и всасывает порошок пенообразователя. Он растворяется в этой воде, и раствор при выходе, разбиваясь о сетку, создает пену.

Диспергационные способы получения пен используют при тушении пожаров, в производстве некоторых строи­тельных материалов, при стирке, флотации, очистке сточных вод, во многих технологических процессах.

Еще один путь получения пен открывает электрохи­мия. При электролизе воды на аноде выделяется кисло­род, а на катоде-водород. Этот метод используют в электрофлотации. Пена возникает за счет пузырьков га­за, выделяющегося на электродах, и ПАВ, вводимого в раствор.

В настоящее время в технике пенные системы готовят в основном диспергационными способами. Во всем мире непрерывно ведется разработка более эффективного обо­рудования для производства пены.

Для повышения кратности пены увеличивают интен­сивность взбивания раствора пенообразователя и исполь­Зуют более совершенные типы пеногенераторов. Однако дальнейшее совершенствование процесса получения пены с заданными свойствами, по нашему мнению, состоит не в разработке новых способов, а в синтезе новых пено­образователей.