1、表面活性剂泡沫表面活性剂泡沫打开啤洒、香槟瓶即有大量泡沫出打开啤洒、香槟瓶即有大量泡沫出现等，液体泡沫。现等，液体泡沫。人们通常所说的泡沫多指人们通常所说的泡沫多指 面包、蛋糕等弹性大的物质以及面包、蛋糕等弹性大的物质以及泡沫塑料、饼干等为固体泡沫。泡沫塑料、饼干等为固体泡沫。液体泡沫液体泡沫也是本节要讨论的主要内容。也是本节要讨论的主要内容。1/27/20232表面活性剂表面活性剂泡沫泡沫:以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物。起泡剂：起泡剂：起泡好的物质称为起泡剂。稳泡剂：稳泡剂：在表面活性剂配方中加入增加泡沫稳定性的物质。泡沫的分类泡沫的分类 8.1泡沫性质泡沫性质 图图8.1 8.
2、1 气泡、气泡分散体、泡沫气泡、气泡分散体、泡沫1 1）寿命）寿命 “短暂泡沫短暂泡沫”和和“持久性泡沫持久性泡沫”。2 2）产生泡沫的力和破泡力之间的平衡）产生泡沫的力和破泡力之间的平衡 “不稳定性泡沫不稳定性泡沫”和和“稳定性泡沫稳定性泡沫”。3 3）聚集状态）聚集状态 液多气少的液多气少的“气泡分散体气泡分散体”和气多液少的和气多液少的“泡沫泡沫”。泡沫产生的条件泡沫产生的条件 1.1.气液接触气液接触 2.2.发泡速度高于破泡速度发泡速度高于破泡速度 3.制造泡沫的方法制造泡沫的方法1)1)聚集法聚集法发泡液中有高压气体、低沸点液体或反应后能生成气体的物发泡液中有高压气体、低沸点液体或
3、反应后能生成气体的物质，通过减压或化学反应，使气体分子集合形成泡沫。如啤酒、质，通过减压或化学反应，使气体分子集合形成泡沫。如啤酒、汽水、水沸腾和泡沫灭火器等。汽水、水沸腾和泡沫灭火器等。2 2）分散法）分散法通过搅拌、振荡、喷射空气等方法使气、液混合。通过搅拌、振荡、喷射空气等方法使气、液混合。泡沫的破坏机制泡沫的破坏机制 1.1.泡沫液膜的排液变薄泡沫液膜的排液变薄 2.2.气泡内气体的扩散气泡内气体的扩散(a)消泡剂作为外相的WO型乳状液，(b)OW型乳化剂水溶液；S0，消泡剂能在泡沫液膜上扩展；低压地层时采用具有低密度低压力的泡钻井液2表面活性剂的起泡和稳泡作用特点降低表面张力的能力不
4、强，但它们却能在泡沫的液膜稳泡剂：在表面活性剂配方中加入增加泡沫稳定性的物质。例2表面活性剂溶液浓度超过cmc较多时。通式ROSO3M，RC1214H2529 M为钠、钾、铵，泡沫水泥就是在水泥浆中加入一定量的发泡剂和泡沫稳定剂，再混入或通入一定量的气体，并使产生的气泡均匀地分布在水泥浆中，从而达到降低水泥浆密度的目的。物理法特点无色至微色透明液体，发泡力强泡沫丰富且稳定1)消泡剂以微粒的形式吸附在泡膜上，通过微粒的破碎，使气泡穿孔、破灭或合并。图78 液膜中离子型表面活性剂双电层 图79 离子型表面活性剂的双电层A脂肪酸单乙醇酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐2）合成表面活性剂灭火剂打开啤洒、香槟瓶即
5、有大量泡沫出现等，液体泡沫。表面粘度无疑是生成稳定泡沫的重要条件，但也不是唯一的。图7-11 搅拌法测定泡沫的稳定性 图7-12 泡沫性能v-t曲线1.1.泡沫液膜的排液变薄泡沫液膜的排液变薄A A重力排液重力排液 在地心引力作用下液膜就会产生向下的排液现象，使液膜变薄。B B表面张力排液表面张力排液图图7 73 Plateau3 Plateau边界边界 由于阻力的存在，膜达到一定的厚度可能达到暂时由于阻力的存在，膜达到一定的厚度可能达到暂时平衡。从曲面压力看，膜之间夹角为平衡。从曲面压力看，膜之间夹角为120度时，泡沫度时，泡沫最稳定。最稳定。膜之间夹角为膜之间夹角为120度时，泡沫最稳定，
6、度时，泡沫最稳定，所以在多边形泡沫结构中，大多数是六边形。所以在多边形泡沫结构中，大多数是六边形。小气泡内的压力大于大气泡内的压力.2 2）气泡内气体的扩散）气泡内气体的扩散8.28.2表面活性剂的起泡和稳泡作用表面活性剂的起泡和稳泡作用图7.4 泡沫生成模式图 表面活性剂的泡沫性能表面活性剂的泡沫性能“起泡力起泡力”是指泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的 多少。“泡膜稳定性泡膜稳定性”是指生成泡沫的持久性消泡的难易。1 1）表面活性剂的起泡性）表面活性剂的起泡性表面活性剂降低水的表面张力的能力来表征表面活性剂降低水的表面张力的能力来表征。2 2）表面活性剂的稳泡性）表面活性剂的稳泡性 泡沫泡沫
7、“寿命寿命”也是本节要讨论的主要内容。扩展系数与浸入系数E0时，则不能够进入泡沫液膜。图8-20 疏水二氧化硅消泡过程在泡休液膜受到外力外力冲击时，有使液膜厚度恢复，使液膜强度恢复的作用，GibbsMarangoni效应。随着碳链再增长，起泡力反而要降低。液，同时还能形成强度高的膜，有较好的稳泡作用。起泡剂：起泡好的物质称为起泡剂。通式 RO(C2H4O)nS03Na，R为C12H25 n12由于消泡剂微粒反复发挥作用，多次破碎会使消泡剂粒径变小。2）表面活性剂的自修复作用表面形成高粘度高弹性的表面膜，因此有很好的稳泡起泡剂：起泡好的物质称为起泡剂。2 表面活性剂的稳泡性特点它具有良好的水溶性
8、，不仅能提高液相粘度阻止液膜排通式 RO(C2H4O)nS03Na，R为C12H25 n12第一种过程自低表面张力区迁移至高表面张力区。可由vt曲线求得，量出vt曲线下的积分量，即为泡沫体积对时间的积分面积，用Lf表示出泡沫的稳定。图8.聚乙烯醇、甲基纤维素，淀粉改性产物，羟丙基、羟表面活性剂的起泡和稳定作用表面活性剂的起泡和稳定作用1 表面活性剂的起泡性表面活性剂的起泡性表面活性剂在外界作用下产生气泡的难易程度表面活性剂在外界作用下产生气泡的难易程度加压通气、搅拌加压通气、搅拌W外外=E=A1/27/202316表面活性剂表面活性剂2 表面活性剂的稳泡性表面活性剂的稳泡性稳泡剂稳泡剂天然化合
9、物天然化合物高分子化合物高分子化合物合成表面活性剂合成表面活性剂1/27/202317表面活性剂表面活性剂在肥皂水里加入一小匙的砂糖或在肥皂水里加入一小匙的砂糖或少许的茶叶，放在阴暗处过夜后，少许的茶叶，放在阴暗处过夜后，就会发现这种肥皂水吹出来的泡就会发现这种肥皂水吹出来的泡泡颜色不但鲜艳，而且比较不容泡颜色不但鲜艳，而且比较不容易破裂。易破裂。肥皂，热水肥皂，热水1/27/202318表面活性剂表面活性剂8.38.3泡沫稳定的因素泡沫稳定的因素泡沫是一种热力学不稳定体系泡沫是一种热力学不稳定体系，破泡后体系总表面减少，能量降低，这是一个自发过程。泡沫破坏的过程泡沫破坏的过程，主要是隔开气体
10、的液膜由厚变薄，直至破裂的过程。泡沫的稳定性主要取决于排液快慢和液膜的强度。泡沫的稳定性主要取决于排液快慢和液膜的强度。1 表面张力表面张力泡沫的稳定性与那些条件相关呢？泡沫的稳定性与那些条件相关呢？3 界面膜的性质界面膜的性质2 表面张力的修复作用表面张力的修复作用4 表面电荷表面电荷5 泡内气体的扩散泡内气体的扩散1/27/202320表面活性剂表面活性剂1 1）表面张力）表面张力液体的表面张力低液体的表面张力低，有利于泡沫的形成，生成相同的泡沫，外界对体系作功较少，体系能量的增加亦较少。液体表面张力不是泡沫稳定性的决定因素。液体表面张力不是泡沫稳定性的决定因素。2 2）表面活性剂的自修复
11、作用）表面活性剂的自修复作用 在泡休液膜受到外力外力冲击时，有使液膜厚度恢复，使液膜强度恢复的作用，GibbsMarangoni效应。Marangoni效应 图图7-5 表面活性剂的自修复作用表面活性剂的自修复作用 Gibbs弹性 Gibbs弹性通过收缩使该处表面活性剂浓度恢复并且阻碍液膜的排液流失。表面吸附分子的迁移表面吸附分子的迁移 第一种过程自低表面张力区迁移至高表面张力区。第一种过程自低表面张力区迁移至高表面张力区。第二种过程是溶液中的表面活性剂分子吸附至表面，恢复第二种过程是溶液中的表面活性剂分子吸附至表面，恢复表面分子的密度，使受到冲击液膜的表面张力恢复到原表面分子的密度，使受到冲
12、击液膜的表面张力恢复到原来的值。来的值。例例1 1醇类水溶液醇类水溶液例例2 2表面活性剂溶液浓度超过表面活性剂溶液浓度超过cmccmc较多时。较多时。表面吸附膜的坚固性通常以表面粘度表面粘度来量度。表面粘度表面粘度是指液体表面单分子层内的粘度。3 3）界面膜的性质）界面膜的性质 7.1一些表面活性剂（一些表面活性剂（0.1）的表面张力等性质和泡沫寿命的关系）的表面张力等性质和泡沫寿命的关系表面活性剂表面活性剂表面张力表面张力(达因厘米达因厘米)表面粘度表面粘度（表面泊）（表面泊）泡沫寿命泡沫寿命（秒）（秒）Tritox-10030.5-6烷基苯磺酸钠烷基苯磺酸钠32.5310-3440E60
13、7ZL25.6410-31650月桂酸钾月桂酸钾35.03910-32200十二烷基硫酸钠十二烷基硫酸钠38.5210-369十二烷基硫酸钠十二烷基硫酸钠23.55510-36100由表由表7-1可知可知 溶液表面张力的高低与泡沫的寿命无一定关系。溶液表面张力的高低与泡沫的寿命无一定关系。A A表面粘度表面粘度表表7.2十二醇对纯十二烷基硫酸钠水溶液的表面粘度和泡沫寿命的影响十二醇对纯十二烷基硫酸钠水溶液的表面粘度和泡沫寿命的影响十二烷基硫酸钠十二烷基硫酸钠浓度（浓度（g/100ml）十 二 醇 浓 度十 二 醇 浓 度（g/100ml）表面粘度表面粘度（表面泊）（表面泊）泡沫寿命泡沫寿命（秒
14、）（秒）0.10210-3630.10.001210-38250.10.0033110-312000.10.0053210-313800.10.0083210-315900.50-2950.50.0052.59600.50.0152.511000.50.0252.451200 特点：白色或微黄色蜡状固体易溶于植物油，可作小气泡内的压力大于大气泡内的压力.B邻苯二甲酸单脂肪醇酯钠盐S0，消泡剂能在泡沫液膜上扩展；S0，消泡剂能够进入泡沫液膜，E0时，则不能够进入泡沫液膜。2)浸入系数 Ross假说：1 表面张力表面张力2 界面膜的性质界面膜的性质3 表面张力的修复作用表面张力的修复作用4 表面电
15、荷表面电荷5 泡内气体的扩散泡内气体的扩散1 降低局部表面张力降低局部表面张力2 破坏界面膜的弹性破坏界面膜的弹性 使其失去自动修复作用使其失去自动修复作用3 降低膜黏度降低膜黏度4 固体颗粒固体颗粒消泡机理消泡机理1/27/202356表面活性剂表面活性剂 1)1)消泡剂使泡沫液膜局部表面张力降低而消泡消泡剂使泡沫液膜局部表面张力降低而消泡 2)2)消泡剂破坏膜弹性使液膜失去自修作用而消泡消泡剂破坏膜弹性使液膜失去自修作用而消泡 3)3)消泡剂降低液膜粘度使泡沫寿命缩短而消泡消泡剂降低液膜粘度使泡沫寿命缩短而消泡 4)4)固体颗粒消泡作用机理固体颗粒消泡作用机理 固体颗粒表面必须是疏水性的。
16、固体颗粒表面必须是疏水性的。图8-20 疏水二氧化硅消泡过程8.6 8.6 消消 泡泡 剂剂 具有能与泡沫表面接触的亲和能力；具有能在泡沫上扩散和进入泡沫，并取代泡沫膜壁的性能；不溶于介质之中；具有在泡沫介质中分散的适宜颗粒作为消泡核心。消消 泡泡 剂剂1 降低局部表面张力降低局部表面张力2 破坏界面膜的弹性破坏界面膜的弹性 使其失去自动修复作用使其失去自动修复作用3 降低膜黏度降低膜黏度4 固体颗粒固体颗粒1 天然油脂、矿物油天然油脂、矿物油2 固体颗粒固体颗粒3 合成表面活性剂合成表面活性剂1/27/202361表面活性剂表面活性剂 天然油脂主要成分是高级脂肪酸及其酯，高级醇及其酯，它 们
17、在不同的条件下都可用作消泡剂。1)植物油类棉子油、蓖麻油、油酸、椰子油、妥尔油及啤酒 花油等。2)动物油猪油和牛羊油等。3)动植物蜡棕榈蜡、蜂蜡和鲸蜡等。1.天然油脂天然油脂 2天然产物的改性物 A天然油脂溶于矿物油中使用。B配制成OW型的乳状液来使用 C将硬脂酸制成各种盐 1.脂肪酸酯型 2.聚醚型 3.有机硅型 4.固体颗粒型消泡剂 5.消泡剂颗粒内含水的新类型 合成表面活性剂消泡剂合成表面活性剂消泡剂A A二元醇作起始剂二元醇作起始剂 例如 乙二醇单硬脂酸酯 结构式 HOCH2CH2OOCC17H35 特点：白色至奶油色固体或片状物，可用于金属加 工、化妆品洗涤剂和药物生产中作消泡剂。1
18、.1.脂肪酸酯型脂肪酸酯型 特点：白色或微黄色蜡状固体易溶于植物油，可作 为糕点和豆浆的消泡剂。B B丙三醇作起始剂丙三醇作起始剂 例如 甘油单硬脂酸酯 2.聚醚型聚醚型 在水中的溶解度具有逆温性，在低温时醚键中的氧原子能与水中的氢原子形成氢键而溶于水，当温度升高时随着氢键的破坏水溶性变差，直到“浊点”时基本上不再溶于水中而以小油滴形式存在于水中；因此可用作水体系的消泡剂。当聚醚处于浊点时有很低的表面张力。同时由于此时的分子结构为锯齿状，当吸附在液膜表面时不能形成紧密的表面膜，因此不失为一类性能优良的水体系消泡剂。A聚氧乙烯醚 B聚氧丙烯聚氧乙烯嵌段共聚物 C以氨为起始剂 三异丙醇胺聚氧丙烯聚
19、氧乙烯醚 D以醇为起始剂 E甘油聚醚脂肪酸酯 2.聚醚型聚醚型3.3.有机硅型有机硅型a表面张力低表面张力低b溶解度低且活性高溶解度低且活性高 c挥发性低并具化学惰性挥发性低并具化学惰性无生理毒性无生理毒性4.固体颗粒型消泡剂固体颗粒型消泡剂图图716 二氧化硅微粒因吸附水而使表面布满羟基二氧化硅微粒因吸附水而使表面布满羟基 5.消泡剂颗粒内含水的新类型消泡剂颗粒内含水的新类型 图图717 FWDD的形成过程示意图的形成过程示意图(a)消泡剂作为外相的消泡剂作为外相的WO型乳状液，型乳状液，(b)OW型乳化剂水溶液；型乳化剂水溶液；(c)油相为消泡剂的油相为消泡剂的WOW型乳状液型乳状液(PW
20、BD)Fluid Water Based Defoamer缩写“FWBD”FWBD的优点为具有没有失火危险在消防法上被定为非危险品，给贮存和运输带来很大方便；因用油量少，使废水处理时，化学耗氧量(COD)、与生物耗氧量(BOD)都减小，有利于环境保护。8.7 8.7 影响消泡剂效力的因素影响消泡剂效力的因素消泡剂的溶解度 加溶 表面电荷 起泡液的性质 消泡剂本身的性质 消泡剂的溶解度消泡剂的溶解度 溶解度低，就可以在较低用量下发挥消泡作用。溶解度低，就可以在较低用量下发挥消泡作用。加溶表面电荷表面电荷图图818 带同种电荷的消泡剂与气泡间的电斥力带同种电荷的消泡剂与气泡间的电斥力表表83 硅油
21、微滴在不同溶液条件下的硅油微滴在不同溶液条件下的 电势电势图图719 C12H25SO4Na溶液中硅油微滴的溶液中硅油微滴的 电势和消泡系数电势和消泡系数 起泡液的性质起泡液的性质 表表74 消泡剂在不同起泡液中的不同效力消泡剂在不同起泡液中的不同效力 1)消泡剂以微粒的形式吸附在泡膜上，通过微粒的破碎，使气泡穿孔、破灭或合并。微粒直径与泡膜厚度相近，效果较好。由于消泡剂微粒反复发挥作用，多次破碎会使消泡剂粒径变小。2)消泡剂因受到起泡剂中起泡剂的影响，特别是与起泡液“亲和性”过强等原因，使消泡剂颗粒变得太小而失去活性。3)消泡剂微粒过大会使消泡剂微粒的运动迟缓，不能迅速聚集到泡膜气液界面上起
22、作用导致活性变差。4)消泡剂在起泡液中，由于消泡剂微粒的相互碰撞，有可能并聚而变大。5)消泡剂聚集在泡膜上，当源源不断的泡沫由液体中涌到表面时，消泡剂微粒集中到液面上的泡沫层中，而泡沫破灭后化为少量液体，大量的消泡剂微粒聚集在少量液体里，很容易发生消泡剂微粒的并聚。6）消泡剂活性成分还会粘附于容器壁上而失效。7）消泡剂微粒的表面性质往往会因吸附起泡剂而发生变化由亲油性变为亲水性而使消泡剂的活性下降而失去消泡作用。8.88.8泡沫及消泡的应用泡沫及消泡的应用泡沫灭火剂 泡沫浮选 泡沫在原油开采中的应用泡沫在污水处理中的应用 泡沫灭火剂泡沫灭火剂 例1木材、原棉等固体燃料的火灾，会因含有灭火剂的水
23、溶液的浸透，使水易于渗透到燃料内部有利于灭火。例2烃类等液体的燃料的火灾，消泡剂可以加速油的乳化或凝胶化，迅速在燃烧油的表面上层开，形成一层水膜而与空气隔绝达到灭火的目的。1 1）蛋白质泡沫灭火剂）蛋白质泡沫灭火剂 起泡剂以天然蛋白质作为起泡剂。用途用于大型油罐贮存场 2 2）合成表面活性剂灭火剂）合成表面活性剂灭火剂有限空间的室内火灾灭火的高泡型泡沫剂有限空间的室内火灾灭火的高泡型泡沫剂3 3）含氟表面活性剂泡沫灭火剂）含氟表面活性剂泡沫灭火剂泡沫浮选1）泡沫选矿2）离子浮选2）离子浮选）离子浮选图图720 带电的气泡吸附反离子过程示意图带电的气泡吸附反离子过程示意图这种方法特别适合于离子浓
24、度低含量少的物质的分离。这种方法特别适合于离子浓度低含量少的物质的分离。泡沫在原油开采中的应用泡沫在原油开采中的应用 1）泡沫钻井液 2）泡沫酸化压裂液(泡沫酸)3）泡沫在气井排水中的应用 4）泡沫冲砂洗井 5）泡沫驱油 6）泡沫水泥固井 7）泡沫调剖堵水1 1）泡沫钻井液）泡沫钻井液 低压地层时采用具有低密度低压力的泡钻井液2 2）泡沫酸化压裂液）泡沫酸化压裂液(泡沫酸泡沫酸)适合于厚度大的碳酸盐岩油层，也适合于重复酸化的老井和水敏性地层。3 3）泡沫在气井排水中的应用）泡沫在气井排水中的应用4 4）泡沫冲砂洗井）泡沫冲砂洗井5）泡沫驱油图图721 CO2泡沫驱油过程示意图泡沫驱油过程示意图5 5）泡沫驱油）泡沫驱油6）泡沫水泥固井泡沫水泥就是在水泥浆中加入一定量的发泡剂和泡沫稳定剂，再混入或通入一定量的气体，并使产生的气泡均匀地分布在水泥浆中，从而达到降低水泥浆密度的目的。泡沫水泥固井是用降低水泥浆密度的方法，减少固井时的液柱压差，从而解决易漏井固井问题的一种固井新工艺。
