Skum Gjør
Quick Start
hvordan gjør du masse skum veldig lett? Det viser seg å være overraskende vanskelig å komme opp med en oppskrift på suksess, med mange kompliserende faktorer. Hvis du er opptatt av skum gjør, lene seg tilbake, slappe av og nyte lese. 2020-oppdateringen senere på siden gir et toppmoderne sammendrag som sier, ja, det er komplisert, men de praktiske reglene er ikke for harde. Jeg har også lagt til en del om forskjellige skumfremstillingsmetoder, basert på hva jeg har lært de siste årene.
det er trivielt enkelt å lage et skum – bare bland luft og væske med litt energi og bobler vil danne. Hvis disse boblene når overflaten med en flytende fraksjon ε i 0,1-0,2-området, er de en kugelschaum («kugel» betyr «sfære» og «schaum» betyr skum). Disse skum er egentlig ikke vurdert i disse programmene. Når ε<0.1 da har vi en polyederschaum( polyhedral), det klassiske skummet som er den sentrale bekymringen For Praktiske Skum. Selv om det er lett å lage et skum, er det i de fleste tilfeller helt ustabilt. Så spørsmålet om å lage skum er ikke så mye om hvordan å lage dem (som er trivielt), men hvordan å gjøre dem stabile(som ikke er). I AntiFoam-delen vil vi diskutere det enda vanskeligere spørsmålet om hvordan man gjør et stabilt skum ustabilt.
som nevnt I Grunnleggende, er energien som kreves for å lage et skum omvendt proporsjonal med overflatespenningen, γ. Den lave overflatespenningen hjelper sikkert, men hvis γ endres fra 40 (et «dårlig» overflateaktivt middel) til 20mN / m (et» veldig bra » overflateaktivt middel), halveres bare energien som trengs, noe som ikke er så signifikant. Vurder lav γ som nødvendig (tross alt kan rent vann ikke danne skum), men ikke tilstrekkelig. Så hvilke ting kreves?
- Elastisitet. Den første grunnen til at overflateaktive stoffer bidrar til å skape skum er at overflaten blir elastisk. Dette betyr at boblene tåler å bli bumped, presset og deformert. En ren vannoverflate har ingen slik elastisitet og boblene bryter raskt. Det betyr også at de systemene som produserer mer elastisitet (Se Elastisitetsseksjonen), også vil produsere mer stabile skum. Som diskutert I Reologi-delen, gir generelt en vegg som er både stiv og elastisk et skum med større evne til å motstå en skyvekraft og dermed et høyere avkastningsspenning. Mindre bobler gir også et høyere avkastningsspenning
- Disjoining press. Den andre grunnen til at overflateaktive stoffer bidrar til å skape skum er at væsken i skumveggene naturlig suges ut av veggene inn i kantene. Dette er ingenting å gjøre med drenering (som forklart I Drenering inneholder veggene en irrelevant brøkdel av væsken), det er bare enkel kapillaritet. Kapillærtrykket vil fortsette å trekke væske ut med mindre et mottrykk («disjoining press») virker mot det. Dette kan produseres av ladninger på overflateaktivt middel på hver side av veggen og/eller ved steriske interaksjoner mellom overflateaktive kjeder. Disse effektene diskuteres I DLVO, men fordi ladningseffekten opererer over store avstander (50nm) sammenlignet med de små avstandene (5nm) av steriske effekter, er generelt ioniske overflateaktive stoffer mye bedre til å skape stabile skum.
- Motstand mot modning. Ostwald modningseffekten betyr at små bobler krymper og store vokser. Som Ostwald-delen viser, styres dette delvis av gassen (CO2 faller fra hverandre raskt, luft/N2 er langsommere OG C2F6 mye langsommere), men også av hvor god en barriere for gassdiffusjon» veggen » av overflateaktivt middel på overflaten gir.
- Motstand mot drenering. Jo mer vann rundt skummet jo mindre risiko (generelt) for at det blir skadet. Så et skum som drenerer raskt, er mer sannsynlig å bli skadet. Som vi vil se, for å motstå drenering trenger du høy viskositet og små bobler, selv om overflateaktivt middel veggen har noen effekt på dreneringsprosessen med stivere vegger gir (vanligvis) tregere drenering.
- Motstand mot feil. Hvis olje eller en hydrofob partikkel kan trenge inn i skumveggen, kan det føre til at veggen (og dermed skummet) bryter. Selv om det er plausible og enkle teorier (diskutert I Antifoam) For Oppføring, Brobygging og Spredningskoeffisienter, viser de seg å være av begrenset prediktiv verdi. Igjen er de nødvendige, men ikke tilstrekkelige. Hovedproblemet er Inngangsbarrieren. Når dette er høyt, er skummet motstandsdyktig mot feil.
disse prinsippene er så enkle, men det er overraskende vanskelig å lage skum effektivt. Hvorfor? Hovedproblemet er tidsrammer. Hvis et overflateaktivt middel er fantastisk elastisk og har et sterkt disjoing trykk og er en god gassbarriere og har en høy inngangsbarriere, kan det (og gjør det vanligvis) ikke å danne et skum fordi det tar for lang tid å nå væske / luftgrensesnittet og danne sitt sterke resistente domene, slik at skummet allerede har kollapset. På den annen side vil et overflateaktivt middel som raskt når overflaten for å skape en tilstrekkelig elastisitet og disjoing trykk, produsere store mengder skum – selv om skummet vil kollapse raskt, spesielt i nærvær av oljeholdige urenheter som fett blir vasket fra ens hender.
dette fører oss til Spørsmålet Om Dynamiske Overflatespenninger. Det ville være flott å gi en app som fullt beskrevet kompleksiteten AV DST og som derfor tillot deg å produsere en blanding med svært rask reduksjon AV ST for å gi raskest mulig skummende oppførsel. Men min lesning av litteraturen er at det er raskere å måle DST-oppførselen ved å bruke (oftest) En Maksimal Bobletrykkinnretning (som skaper bobler over forskjellige tidsskalaer og derfor gir overflatespenningen ved hver av disse tidsskalaene) enn det er å forsøke å beskrive oppførselen via teorier. Spesielt er det store debatter om DST er begrenset av diffusjon, ved barriereinngang og / eller via behovet for å komme ut av en micelle før du går inn i grensesnittet. Min lesning Av den utmerkede anmeldelsen Av Eastoe1 er at enkel diffusjon dominerer, og at eksistensen av miceller i stor grad ikke gjør noen forskjell fordi tidsskalaen for et overflateaktivt molekyl til partisjon fra micelle er veldig fort, selv om tidsskalaen for micelle dannelse/kollaps er veldig sakte. Selvfølgelig kan man finne ekte tilfeller av inngangsbarrierer og ekte tilfeller av micelle-begrenset diffusjon. Men det er enda mer komplisert. En omfattende analyse fra U. Sofia viser at det er 4 mulige utfall i systemer som inneholder miceller, hvorav to er utvisket (til tilfeldig observatør) fra enkel diffusjon kinetikk og to av dem kan forveksles med barrierekinetikk. Endelig er det overraskende vanskelig å skille mellom inngangsbarriere og micellareffekter fra effektene av små mengder urenheter i overflateaktive stoffer, og for den praktiske formulatoren ved hjelp av kommersielle, urensede overflateaktive stoffer er det lite håp om å forstå finessene AV DST-kurver. «Ikke formuler skum uten Å måle SOMMERTID, men bruk ikke for mye tid på å teoretisere om hvorfor du får gode resultater for en bestemt overflateaktivt middelkombinasjon.»Jeg liker ikke å skrive slike råd som jeg vanligvis finner at gode modeller er den beste måten å unngå mange laboratorieeksperimenter. 2020-gjennomgangspapiret, som er omtalt nedenfor, inneholder imidlertid en mesterklasse på den aktuelle teorien og konkluderer med at «teorien hjelper egentlig ikke-bare måle DSTs». den harde virkeligheten er at vellykkede skummidler pleier å være blandinger, med alle kompleksitetene de induserer. Den allestedsnærværende SLES / CAPB (Sodium Laureth Sulfate/CocoAmidoPropyl Betaine) blandingen skjer for å være laget av to gode raske foamers. CAPB på egen hånd produserer mye stabilt skum, men er ganske dyrt. CAPB er spesielt god på å skape en høy oppføring barriere så er motstandsdyktig mot oljer under etableringen av skum. SLES på egen hånd produserer mye relativt ustabilt skum. En blanding av de to gir en god balanse mellom kostnad, skum og stabilitet. Imidlertid har tilsetning av en liten % laurinsyre eller myristinsyre en dramatisk effekt på skumstabiliteten. Det øker elastisiteten, men reduserer også bobleveksten (Ostwald modning) dramatisk, slik at skummet forblir lite. Dette har stor innvirkning på vannets evne til å drenere fra skummet – dreneringshastigheten går Som Diameter2-og jo tørrere skummet er, desto lettere (andre ting er like) er det å bryte det fra hverandre. De langkjedede syrer på egen hånd er ubrukelige som skummemidler (og som natriumsalter er av beskjeden skummende evne som vanlig såpe, lett ødelagt av hardt vann). Kombinasjonen AV SLES / CAPB / Langkjedesyre er en kraftig blanding for å skape et skum med små bobler og lang levetid. Faktisk er en enkel måte å omdanne en håndsåpe til et barberskum, å legge til noen få % av langkjedet syre.
men hva med mitt overflateaktive system?
reglene for å skape et godt, stabilt skum (eller reglene for å sikre at et slikt skum ikke er opprettet) er enkle og klare. Så hvorfor er det så vanskelig å lage nye skumformuleringer? Svaret er at hvis du har riktig oppsett for å måle alle grunnleggende: CMC, Γ, disjoining pressure v filmtykkelse, interfacial elastisitet og inngangsbarriere så er det ganske greit å gjøre det beste ut av et sett med overflateaktive stoffer og skumforsterkere du tilfeldigvis vil bruke. Målingene kan i stor grad automatiseres, så mange formuleringsblandinger kan screenes raskt. Et problem, som nevnt ovenfor, er tidsskalaer. De fleste målinger gjøres etter relativt lange tider, så det trenger ekstra tidsavhengige eksperimenter for å se om de riktige delene av en overflateaktivt blanding kommer til overflaten raskt nok til å skape et skum som deretter stabiliseres når de langsommere komponentene kommer til å danne et tøffere overflateaktivt lag. Det andre problemet er at små tilsetninger av co-tensider, skum boosters etc. kan gjøre en stor forskjell, så det er nødvendig å utføre målinger på et stort antall prøver. Et robotlaboratorium som er satt opp for å gjøre mye høy gjennomstrømningsscreening, kan gjøre mye av det harde arbeidet, men det meste av bruken har ikke tilgang til et slikt laboratorium.
på lengre sikt vil en teori som kan forutsi grensesnittets oppførsel av blandinger av ingredienser, gjøre utviklingen av skum mye mer rasjonell. Men en slik teori synes å være langt unna.
utsikten fra 2020
jeg skrev denne siden i 2014-15 og hadde ingen grunn til å oppdatere den til 2020. Til min overraskelse, det jeg skrev har stått testen av tid. Jeg har ikke endret noe av den forrige teksten, annet enn DST-setningen som refererer leseren til her. Men en mesterlig review2, støttet av en seriøs mengde eksperiment og teori, tillater oss å være litt mer spesifikk. Igjen er Det Teamet I Sofia, ledet Av Prof Tcholakova, som har avklart situasjonen med fem hovedpunkter.Selv om både ikke-ionics og ionics kan produsere utmerket skumdannelse, må ikke-ionics være over 95% av grensesnittets fulle overflatedekning (Med Gibbs Elastisitet over 150 mN/m) før de vil skumme godt – det er en slags alt eller ingenting. Ionics kan begynne å produsere troverdig skum på 30% av overflatedekningen (selv Med Gibbs Elastisitet på bare 50 mN / m), med en jevn økning i produksjonen når du går til 100%. Årsaken er klar: sterisk stabilisering av skumgrensesnittet fungerer bra, men bare når det er nesten full dekning; grensesnittet kan bryte lett hvis det er enda et 5% gap i dekning. Charge stabilisert ionics er mye mer tilgivende.
Skummingsteknikker
jeg hadde generelt sett lite oppmerksomhet til de forskjellige skummingsteknikkene, men bemerkningen i forrige avsnitt om at skum er selvbegrensende, fikk meg til å innse at jeg har kommet over ganske mange forskjellige metoder.
- Ristesylinder. Sett si 10 ml løsning i en 130 ml målesylinder og sving den, kontroller volumet av skum etter et gitt antall rister. Hvis du får 90% fanget luft så er du på 100 ml, så finn ut om du har 91, 92 … blir vanskelig i en 130ml sylinder. Mitt inntrykk er at denne typen skum er relativt grov, men jeg kan være feil
- Ross-Miles. Sett litt testløsning i bunnen av en høy sylinder. Nå dropwise legge mer av løsningen fra toppen. Dråpene smashing i væsken under produserer et skum. Mål volumet på slutten av tillegget, da, for stabilitet, volumet etter noen minutter. Utrolig, dette er en industristandard test.
- Blender. Bare få en stor blender og sett i nok væske til å dekke bladene. Sug bort og mål volumet ved å hente innholdet i en målesylinder. Det faktum at dette kan gjøres antyder at skummet er ganske grovt, fordi et fint skum ville være vanskelig å helle..
- Planetarisk mikser. Ta Deg Kenwood Chef eller tilsvarende Med en wire visp og se hva som skjer når vispen svinger på sin akse mens du beveger deg rundt på den andre aksen. Et papir fra Sofia-gruppen viser en klar selvbegrensende effekt når skummet blir tykt nok til å squash overflatebølgene som i utgangspunktet fanget luften, så dette virker bra for testing for evnen til å skape finere skum.
- Sparging kolonne. Blåse luft gjennom en frit nederst i en kolonne som inneholder skummende løsning. Du får en ide om skumbarhet og stabilitet fra skumets stabile høyde, og / eller du kan måle vekten av skum som kommer over toppen i en gitt tid. Flere detaljer er tilgjengelig På Skum Fraksjonering siden.
- mikroskumtest. Jeg måtte en gang måle skumbarhet ved bruk av mg overflateaktivt middel og µ oppløsning. Dette var bemerkelsesverdig enkelt å gjøre med en jevn luftstrøm som blåste gjennom en veldig fin sprøytenål inn i løsningene i mikrotiterplater. Det er en veldig god høy gjennomstrømningsteknikk (det er derfor vi utviklet den) for å skille mellom lav, middels og høy skum og kort, middels og lang levetid skum. Det er rå, men utrolig effektivt.
- komprimert luft skum. Bland din overflateaktive løsning med litt høytrykksluft, la den reise ned i et rør, utvide som det går, og briste ut på, si, et oljelagringsfartøy i flammer. Jeg skrev en gang en app for et brannslokkingsprosjekt som krevde teorien om et slikt skum og trengte noen målinger for å parameterisere teorien. Dessverre mislyktes de levende eksperimentene på en testrigg i full størrelse fordi riggen brant ned under en av testene…
- Aerosolskum. Dette er en variant av den forrige, i mindre skala. Drivstoffet i en boks (vanligvis en hydrokarbongassblanding) blandes vakkert inn i overflateaktive blandingen, slik at det dannes en masse fine bobler når den plutselig utvides. Et typisk eksempel er et barberskum som må være bra for å ha høy viskositet og gi stress for å holde seg i ansiktet.
- hånd gni. Jeg vet at skumming ikke har noen betydning når det gjelder vasking – trangen til det er psykologisk, ikke fysikk. Så jeg hadde aldri plaget å se hvor mye skum man kunne skape med fantasifull håndgnidning. Det er ganske mye, men etter min mening ikke verdt innsatsen.
- Barberkost. Jeg hadde aldri forstått barberbørster. De produserte ikke en interessant mengde skum og virket bare en komplisert måte å spre såpe over ansiktet mitt. Men da hadde jeg aldri plaget å lære å gjøre det. Hvis du pisker bort på en blob våt såpe på ens hånd, synes det ikke mye å skje. Det er fordi alt skummet er i børsten. Bare klem børsten på noen måte, og ut kommer en masse veldig fint, stabilt skum, perfekt for å plassere ansiktet. Jeg var veldig imponert.
- Skummende nett. Ta noen cm av et fint nett og gni det hardt mellom hendene med den våte såpen. Som med barberkost, skjer det ikke mye hvis du ikke vet hva du prøver å gjøre – jeg måtte gå Til YouTube for å finne ut. Hvis du trekker nettet mellom fingrene, oppstår en stor mengde skum. Gjenta dette et par ganger, og du får en fantastisk mengde fint, stabilt skum. Det fine nettet er tydelig godt å bryte opp større bobler i mindre. Hvorfor noen plager å bruke sin tid på å lage denne massen av skum bobler er ikke et spørsmål jeg er kvalifisert til å svare.
- Målinger av nøkkelparametere.
- Åpenbart skumhøyde, der det er hensiktsmessig, og forholdet mellom total høyde og mengden væske i bunnen av beholderen, og hvordan dette endres over tid.en konduktivitetsmåler over et kjent gap, kalibrert med konduktiviteten til vannet som brukes i forsøket, gir deg en god ide om volumfraksjonen av luft.
- Sett et stort prisme i kontakt med skummet og par lys inn og ut av det. En video viser en sterk kontrast mellom kontakt med vann (hvit) og luft (svart), og det er så enkelt å bruke bildeanalyse for å måle skummet. Eksperimenter har vist at prismen har en overraskende liten forstyrrelse på skummet selv, slik at målingene er relevante. Det er utrolig vanskelig å få god bildeanalyse fra bilder av fritt skum fordi det sjelden er pålitelig god kontrast mellom vegger og resten.
oljeskum
det virker åpenbart at du ikke kan lage skum i oljer. Oljens overflatespenninger er lave, og et overflateaktivt middel kan ikke gjøre stor forskjell, og derfor kan den avgjørende elastisitetsstabiliserende effekten ikke komme i drift. Dette gjelder generelt for enkle hydrokarbonoljer. For å produsere skum i disse må du bruke smarte partikulære triks som lyotrope faser av bestemte overflateaktive stoffer (som mono-Myristylglycerat) eller hydrofobiserte silikaer (se Opp Binks I Google Scholar). Men den virkelige oljeindustrien har store problemer med skum, og kunsten/vitenskapen om å finne defoamers for hver bestemt råolje er en stor utfordring. Hvorfor skum mange råoljer?
den klareste vitenskapelige beskrivelsen av Dette kommer fra Arbeid Av Callaghan og kolleger PÅ BP3. De ekstraherte nøye alle de sure komponentene fra et bredt spekter av oljer (disse representerte vanligvis bare 0,02 vekt%) og fant at oljen viste (a) ingen elastisitet og (b) ingen skumdannelse. Hvis de la ekstraktene tilbake til ikke-skumoljen, returnerte både elastisitet og skumdannelse. Syrene var ganske enkle lange (ish)-kjede alkansyrer som dodecanoic. Selv om dette papiret ikke registrerer overflatespenningene i råoljen, viser andre papirer typiske verdier i de lave 30mn / m, men som kan reduseres til midten av 20 – tallet ved tillegg av enkle overflateaktive stoffer eller defoamers. Dette er ikke en stor reduksjon, og derfor kan elastisitetseffektene ikke være store. Men i råoljer kan trykket være veldig høyt, slik at boblingen kan være svært voldelig når råoljen når atmosfærisk trykk, så det trenger ikke en veldig sterk overflateaktanseffekt for å forårsake massiv skumdannelse.går tilbake til den andre typen skumstabilisering, er råolje vanligvis komplisert av tilstedeværelsen av asfaltener som lett kan krystallisere / klynge ved luft / oljegrensesnittet og gi skumdannelse på den måten. Og, som vi vil se, skum stabilitet er sterkt forbedret med høy viskositet som mange oljer kan lett levere. Men ingenting er enkelt: asfaltener har vist seg å være veldig beskjedne overflateaktive stoffer som kan produsere skumdannelse i toluen hvor de er (per definisjon) oppløselige.
Brannslukningsskum
dette er et stort emne. Det eneste poenget her er at for olje / bensin branner overflateaktivt middel bør ikke være bra for emulgering av oljen med vannet i skummet. Standardteorien sier derfor at systemet trenger en stor «Spredningskoeffisient» (se Delen Antifoam) som i praksis bare kan oppnås med fluorosurfaktanter. Slike skum er forbausende gode til å bli jetted gjennom store flammer for å lande pent på overflaten av den brennende væsken(som til overraskelse for mange er «bare» ved kokepunktet – ikke noen superhøy temperatur) og slukke brannen. For virkelig robuste skum er det en god ide å legge til et protein overflateaktivt middel-vanligvis som en del av en rask/langsom blanding av et normalt raskt overflateaktivt middel for å få skummet til å gå og det langsomme proteinet som når grensesnittet etter en tid og gjør det hele utrolig solid. Alternativt kan noen høye mwt-polymerer utføre denne funksjonen for å skape ET AR-AFFF Alkoholresistent Vandig Filmdannende Skum som betyr en Som ikke bare fungerer på ikke-polare branner, men også på polare branner som et konvensjonelt skum kan være for kompatibelt med væsken.men med flyttingen bort fra fluorosurfactants (tilsynelatende uunngåelig, forsvarlig eller ikke) er mitt syn at det er nødvendig å fokusere på å skape det jeg kaller LRLP skum, Lav Radius og Lav Permeabilitet, opprettet med standard tensider. Hvis du utforsker skumreologi, drenering, Ostwald modning, vil du se at små radius skum er stivere og tøffere. Så du kan få skum levetid via mindre bobler. Og med triks som å legge myristinsyre, kan du lage et skum Lav Permeabilitet ved å gjøre grensesnittet stivere. Dette bidrar til å redusere hastigheten der varm damp kan bevege seg gjennom skummet, noe som reduserer risikoen for at de antennes igjen.1J. Eastoe, Js Dalton, Dynamisk overflatespenning og adsorpsjonsmekanismer av overflateaktive stoffer ved luft / vann-grensesnittet, Fremskritt Innen Kolloid Og Grensesnittvitenskap, 85, 2000, 103-144
2b. Petkova, S. Tcholakova, M. Chenkova, K. Golemanov, N. Denkov, D. Thorley, S. Stoyanov, Skumbarhet av vandige løsninger: Konsentrasjon, Fremskritt I Kolloid Og Grensesnitt Vitenskap 276 (2020) 102084
3IC Callaghan, et al, Identifikasjon Av Råolje Komponenter Ansvarlig For Skumming, SPE Journal, 25, 1985, 171-175