Получить пену каким способом

Кратность пены

Кратность пены – это безразмерная величина, равная отношению объема пены к объему раствора, содержащегося в пене.

Значение и формула

Кратность пенообразователя (полученной воздушно-механической пены) в равной мере зависит как от физико-химических свойств исходного пеноконцентрата общего или целевого назначения, так и от технических особенностей генераторов пены, имеющих специфические конструктивные ограничения.

Значение кратности пены К_п определяют по формуле:

• V_п – объем пены, л.;
• V_p – объем раствора пенообразователя, численно равный массе пены, л.

Группы

В зависимости от величины кратности, пены разделяют на четыре группы:

Получение пены низкой кратности с помощью ручного пожарного ствола ОРТ-50

Получение пены с помощью генератора пены средней кратности ГПС-600

Получение пены высокой кратности с использованием стационарных систем пожаротушения

Свойства и применение пен различной кратности

В практике тушения пожаров используются все четыре вида пены, которые получают различными способами и с помощью разных устройств:

• пеноэмульсии — вода со смачивателем (добавление небольшого количества пены в воду, при тушении ручными стволами);
• пена низкой кратности — в пеногенераторах, в которых эжектируемый воздух перемешивается с раствором пенообразователя;
• пена средней кратности — на металлических сетках эжекционных пеногенераторов;
• пена высокой кратности — в генераторах с перфорированной поверхностью тонких металлических листов или на специальном оборудовании, в результате принудительного наддува воздуха в пеногенератор от вентилятора.

Воздушно-механические пены (ВМП) средней и высокой кратности:

• хорошо проникают в помещения, свободно преодолевают повороты и подъемы;
• заполняют объемы помещений. вытесняют нагретые до высокой температуры продукты сгорания (в том числе токсичные), снижают температуру в помещении в целом, а так же строительных конструкций и т.п.;
• прекращают пламенное горение и локализуют тление веществ и материалов, с которыми соприкасаются;
• создают условия для проникновения ствольщиков к очагам тления для дотушивания (при соответствующих мерах защиты органов дыхания и зрения от попадания пены).

Устойчивость пены к обезвоживанию во многом определяет ее изолирующее действие, которое выражается в снижении скорости поступления паров горючего в зону горения. Чем больше пена теряет жидкости, тем тоньше становятся пленки пены и тем меньше они препятствуют испарению горючего.

Скорость синерезиса определяется эффективным диаметром пенных каналов, высотой слоя пены и подвижностью поверхности пенных каналов, высотой слоя пены и подвижностью поверхности пенных каналов. Если стенки каналов жесткие, то течение жидкости будет определяться вязкостью раствора, а при подвижных стенках будет происходить совместное движение раствора и поверхности канала, что заметно снижает устойчивость пены.

Подвижность стенок каналов определяется природой поверхностно-активных веществ (ПАВ), содержащихся в пенообразователе.

Предельное напряжение сдвига (прочность) адсорбционного слоя молекул вторичных алкилсульфатов натрия очень низко, поэтому в процессе обезвоживания пены поверхность каналов движется вместе с раствором.

При добавлении к этому пенообразователю жирных спиртов, например тетрадецилового спирта, образуется композиция, которая обеспечивает высокую прочность адсорбционного слоя и придает неподвижность поверхности каналов, что резко снижает скорость течения жидкости и замедляет процесс синерезиса пены.

Пенообразователь, содержащий вторичные алкилсульфаты натрия и добавки высших жирных спиртов, называется «Сампо». В нем, наряду с указанными поверхностно-активными компонентами, содержатся вещества, предотвращающие расслоение системы при низких температурах и повышающие термическую устойчивость пены.

Пенообразователи представляют собой концентрированные водные растворы поверхностно-активных веществ, содержание которых обычно составляет 25 % масс.

Рабочие растворы, из которых непосредственно образуется пена в генераторах, содержат 3-6 % объема пенообразователя, т.е. 1-2 % масс ПАВ.

Минимальное содержание молекул ПАВ в пенообразующем рабочем растворе определяется необходимостью обеспечить на вновь сформированной поверхности пенных пленок плотный монослой адсорбированных молекул пенообразователя.

Современные тенденции применения пен различной кратности

В настоящее время в мире сформировалась тенденция применения на практике пены только низкой или только высокой кратности. Это обусловлено повсеместным применением фторсодержащих пенообразователей, которые за счёт эффекта образования саморастекаемой водной плёнки (локальное пожаротушение на поверхности горючей жидкости) позволяют ограничиться пеной низкой кратности для быстрого достижения целей пожаротушения.

В случаях вынужденного объёмного пожаротушения (авиационные ангары, трюмы речных (морских) судов и т.д.) тандем совместимых пеноконцентратов и пеногенераторов позволяют получить высокую кратность пены, заполняющую защищаемый объект и оперативно ликвидирующую пожар.

На территории России получение и применение пены средней кратности, тем не менее, продолжает сохранять свою актуальность из-за массового применения на практике генераторов пены средней кратности.

Также читайте дополнительный материал по теме:

Источник

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕН

Установлено, что образование сколько–нибудь устой­чивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену мож­но получить только в присутствии специального веще­ства стабилизатора, часто называемого пенообразова­телем.

Основные стадии образования пены можно проследить на примере поведения нескольких пузырьков газа, всплы­вающих в воде, содержащей пенообразователь. В каче­стве пенообразователя возьмем ПАВ. Как только в таком растворе появятся пузырьки газа, на их поверхности нач­нут адсорбироваться молекулы ПАВ и образуют евоеобразную «шубу», состоящую из одного слоя молекул. Всплывая, каждый пузырек достигает поверхности жид­кости, давит на нее, растягивает и образует полусфери­ческий купол. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к растущей поверхности, адсорбируются на ней, предотвращал разрыв пленки жидкости. Таким образом, пузырек оказывается окруженным оболочкой уже из двух монослоев пенообразователя, между которы­ми находится пленка жидкости.

Адсорбционные слои ПАВ обеспечивают длительное существование возникающих пленок. Увеличение чис­ла пузырьков на поверхности раствора приводит к их сближению, при этом форма пузырьков постепенно пе­реходит из сферической в многогранную, а толщина жидких перегородок уменьшается, возникают тонкие жидкие пленки. В результате на поверхности раствора сначала образуется монослой газовых пузырьков, затем формируются последующие слои, что приводит к воз­никновению объемной пены, В результате вся жидкость превращается в пену.

Пену, как любую дисперсную систему, можно полу­чить двумя путями: из грубодисперсных систем, исполь­зуя диспергационные методы, и из истинных растворов с помощью конденсационных методов.

Эти методы основаны на дроблении газа на пузырьки при подаче его в раствор пенообразователя. Обычно не­большие порции газа вводят в раствор и дробят их до мелких пузырьков. Легче всего этого добиться, продувая газ через трубку, опущенную в жидкость.

В промышленности обычно используют следующие принципы.

1. Прохождение струй газа через жидкость в аэрационных и барботажных установках, в аппаратах с «пен­ным слоем», в пеногенераторах с сеткой, орошаемой ра­створом пенообразователя.

2. Действием движущихся устройств на жидкость или движущейся жидкости на преграду (в технических аппа­ратах с быстроходными мешалками; при взбивании, встря­хивании, переливании растворов).

3. Эжектирование (франц. `еjection – выбрасывание) воздуха движущейся струей раствора в пеногенераторах.

В настоящее время в технике пены готовят, в основном, диспергационными методами. Во всем мире непрерывно ведется разработка более эффективного оборудования.

В этих случаях будущая газовая фаза вначале присут­ствует в виде отдельных молекул, из которых затем обра­зуются пузырьки. Конденсационный способ пенообразования можно осуществить четырьмя путями.

Первый путь – изменить параметры физического со­стояния системы:

• понижая давление пара над раствором;

• повышая температуру раствора.

Этот метод почти мгновенного вспенивания служит наглядной иллюстрацией закона: растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и по­нижении температуры. Если снизить давление и увеличить температуру, газ, растворенный в жидкости, сразу начнет выделяться из нее и, если жидкость содержит пенообразователь, образуется пена. Стойкость пены за­висит от свойств и концентрации пенообразователя. Так, лимонад почти не содержит веществ, которые могут иг­рать роль пенообразователей, поэтому, когда мы нали­ваем его из бутылки в стакан, возникающая на поверх­ности жидкости пена почти мгновенно разрушается. Другое дело пиво, которое содержит много пенообразо­вателей.

Аналогичная картина наблюдается при кипячении жидкостей. Если кипящая жидкость содержит пенообра­зователь, то на ее поверхности образуется пена, объем и стойкость которой зависят от природы и концентрации пенообразователя. Достаточно сравнить кипящую воду и кипящее молоко – обильная пена, возникающая над по­следним, переливается через край кастрюли, попадает на раскаленную плиту и превращается в аэрозоль, который образуется из продуктов горения пены.

Второй путь – провести химическую реакцию, со­провождающуюся выделением газа. Примерами могут служить взаимодействие соды с кислотой, пероксида водорода с перманганатом калия, разложение карбоната аммония. Этот путь используется при приготовлении пресного теста, когда в качестве разрыхлителя исполь­зуют питьевую соду NаНСО₃ или карбонат аммония (NH₄)₂CO₃

(NH₄)₂CO₃ + 2Н + = 2NH₃ + H₂O + CO₂ .

Эти реакции протекают в кислой среде, поэтому в муку добавляют лимонную кислоту или смешивают с ней разрыхлитель, готовя так называемый пекарский порошок.

Третий путь – использовать микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением газов, чаще всего СО₂. ,

Таким путем получают дрожжевое тесто – под дей­ствием дрожжей идет спиртовое брожение гексоз:

С₆Н₁₂О₆ 2СО₂ –+2С₂Н₅ОН.

Выделяющийся углекислый газ обусловливает разрых­ление теста, оно увеличивается в объеме в несколько раз. При производстве пива углекислый газ также образуется в результате микробиологического процесса.

Четвертый путьсвязан с электрохимическими про­цессами. При электролизе воды на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. За счет пузырьков газа в присутствии ПАВ, вводимого в раствор, образуется пена. Этот метод используется при электрофлотации.

Конденсационные методы широко применяются в пи­щевой промышленности, при производстве пенопласт–масс, в бытовых огнетушителях, в технологии производ­ства пенобетона.

Источник

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

«МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕН (БЕЛКИ) И ИХ СВОЙСТВА. «

Характеристики грубодисперсных систем:

Термодинамически неустойчивые – имеют избыток поверхностной энергии (седиментация и расслоение)

Частицы дисперсной фазы наблюдают в микроскоп или невооружённым глазом

Отделение дисперсной фазы – центрифугированием и фильтрованием через бумажный(стеклянный) фильтры

Обязательно наличие стабилизатора

Устойчивость пен оценивают:

временем разрушения столба пены на половину начальной высоты:

временем „жизни” пузырька газа.

Устойчивость пенам придают с помощью стабилизаторов (пенообразователей).

Для характеристики пены используют два показателя:

S газосодержание (газонаполнение) – доля объёма газа в общем объёме пены;

S удельная поверхность фазового контакта между газом и жидкостей в единице объёма жидкости.

Степень сбивания – отношение конечного объёма взбиваемой системы к начальному объёму.

Механизм образования пен: Образование пены происходит при прохождении газа через жидкость. Сущность его состоит в том, что пузырьки газа, окруженные адсорбционным слоем ПАВ, встречая у поверхности пленку, не могут пройти сквозь нее и создают на поверхности пену.

Пены характеризуют дисперсностью, устойчивостью и кратностью.

Дисперсность – определяют методом микрофотографирования. с последующим подсчетом числа пузырьков различных фракций.

Стабильность пены определяют временем «жизни» свободной пленки или пузырька или по времени разрушения столба пены.

Кратность пены определяют как отношение объема пены к объему раствора ПАВ, пошедшего на ее образование:

и его значение достигает 10 — 100.

Пенообразование может быть как нежелательным процессом, так и необходимым.

Пенообразование – процесс необходимый в бродильном производстве, при обогащении руд методом флотации, при производстве косметических и фармацевтических средств, при тушении пожаров, в процессах очистки поверхностей от загрязнений, при интенсификации некоторых производственных процессов. Пенные аэрозоли используют в качестве кровоостанавливающих средств. Широко применяются твердые пены: пенопласты, пеностекло, пенобетон, природная твердая пена – пемза.

Пенообразователи делят на два типа:

1.Первого рода (слабые пенообразователи) – низкомолекулярные спирты и кислоты; они находятся в объёме раствора в молекулярном состоянии, не образуют на поверхности раздела фаз механически прочных структур, а лишь уменьшают величину поверхностного натяжения и тем самым снижают термодинамическую неустойчивость пен. Пены, содержащие такие стабилизаторы – неустойчивы и быстро разрушаются. Используются лишь в тех случаях, когда не нужна устойчивая пена (флотация).

2.Второго рода– мыла, алкалоиды, танины, отдельные красители. Пены с такими стабилизаторами устойчивы, вследствие адсорбции пенообразователей на поверхности раздела фаз и образования прочных студнеобразных плёнок. С увеличением концентрации пенообразователя увеличивается устойчивость пен. В производстве кулинарной продукции для получения устойчивой пены при изготовлении кулинарных блюд и изделий в качестве пенообразователя используют яичный белок, кровяной альбумин, молочный белок и белки рыбы.

Когда процесс пенообразования нежелателен, в этом случае используют пеногасители – вещества с высокой поверхностной активностью ( жиры, масла, воски, высшие спирты, эфиры), которые вытесняют стабилизаторы с поверхности раздела и этим уменьшают устойчивость пены.

Существуют также механические, термические, ультразвуковые и другие способы пеногашения.

Методы получения пен:

Диспергационные методы (жидкость взбалтывают в посуде, частично заполненной газом и частично жидкостью, или интенсивно перемешивают её). Используют барботирование: газ пропускают в жидкость через перфорированную перемычку (пенная флотация для обогащения ценных руд).

Конденсационные методы ‑ в результате химической реакции в жидкости образуется газообразная фаза. Так, в огнетушителях используют химическую реакцию:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑ ‑ вследствие этого газообразная фаза образует пену.

Белки

Белки – это высокомолекулярные органические соединения, являющиеся сополимерами аминокислот, объединенных с помощью пептидной связи CO – NH. Молекулярная масса белков от 6 тысяч и свыше 1 миллиона. Аминокислотный состав белков не одинаков и является важнейшей их характеристикой. В составе пищевых белков насчитывается порядка 20 аминокислот. Поэтому белки отличаются длиной цепи, количеством каждой из 20-ти аминокислоты, порядком их очередности. Отсюда очевидно, что число вероятных аминокислотных последовательностей практически неисчерпаемо.

К наиболее важным функциональным свойствам белков относятся растворимость, способность стабилизировать дисперсные системы (эмульсии, пены, суспензии), образовывать гели, пленкообразующая способность, адгезионные и реологические свойства (вязкость, эластичность), способность к прядению и текстурированию.

Белки с высокими функциональными свойствами хорошо растворяются в воде, образуют прочные гели, стабильные эмульсии и пены; белки с низкими функциональными свойствами не набухают в воде, не способны образовывать вязкие, эластичные массы, гели, не стабилизируют пены и эмульсии. Некоторые известные белки не попадают под указанные выше закономерности.

Наиболее устойчивые пены образуются на основе белковых пенообразователей, которые получают из разнообразных веществ, либо полностью состоящих из белка, либо содержащих его в значительном количестве.

Возможность получения устойчивых пен полностью определяется свойствами молекулярных адсорбционных слоев, образующих стенки газовых пузырьков. Хорошими стабилизаторами пен, или пенообразователями, естественно, являются вещества, которые служат эмульгаторами для эмульсий — белки, мыла, сапонин и т.д.

При использовании этих веществ на поверхности раздела фаз располагаются длинные цепеобразные молекулы, полярные группы которых направлены в сторону жидкой (полярной) фазы. Ввиду того, что макромолекулы полимера образуют сплошную защитную студнеобразную пленку, увеличение концентрации, даже выше значения, соответствующего полному насыщению адсорбционных слоев, не приведет к уменьшению стойкости пены. Для высокомолекулярных пенообразователей характерно почти полное взаимное соответствие изотермы адсорбции и кривой, выражающей зависимость стойкости пены от концентрации пенообразователя.

Источник