消泡劑的復(fù)合及其消泡機理探討
在食品加工、發(fā)酵工業(yè)、工業(yè)洗滌、水及廢水處理等領(lǐng)域常常遇到不希望出現(xiàn)的泡沫問題。在制糖加工過程中也不例外，在制糖過程的滲出、清凈、煮糖等工序不同程度地遇到了泡沫帶來的麻煩。消泡劑在制糖工業(yè)的應(yīng)用已有較長歷史，甜菜制糖剛剛興起時，人們就用豆油作為消泡劑，隨著化學工業(yè)的進步，蔗糖酯、多元醇聚醚、乳化硅油等作為消泡劑應(yīng)用于制糖及發(fā)酵工業(yè)。本文從泡沫的穩(wěn)定性、消泡劑的進入系數(shù)、鋪展系數(shù)、憎水顆粒的去潤濕機理出發(fā)綜述了有關(guān)消泡機理的理論，以期提高消泡劑的復(fù)合配方設(shè)計水平。
泡沫的形成及穩(wěn)定
2.1泡沫的形成
泡沫是氣體被液體隔開的分散體系，氣相是分散相，液相是分散介質(zhì)，氣泡間吸附著表面活性劑的氣液界面和界面間的液體構(gòu)成了泡沫的液膜。泡沫本身是熱力學不穩(wěn)定體系。單一組份的液體不能形成穩(wěn)定的泡沫，如果液體中含有一種或幾種具有起泡和穩(wěn)泡作用的表面活性劑，則能產(chǎn)生能持續(xù)存在數(shù)十分鐘乃至數(shù)小時的泡沫。
從熱力學Gibbs方程可知：dF(T，P)=ΥdA+∑μ
其中：F(T，P)為恒溫恒壓下體系的自由能；Υ為體系的表面張力；A為體系中液體的表面積；μ為組份i的化學位ｎ為組份i的摩爾數(shù)。表面活性劑的存在降低了體系的表面張力，使泡沫形成過程中由表面積增加引起的自由能增值變小，有利于泡沫的形成；另一方面，表面張力的降低減小了液膜中的Platcau交界處與其他部位之間的壓力差，延緩了由此引起的液膜內(nèi)流本的排液速度，對泡沫的穩(wěn)定有利。
因此，雖然泡沫本身是熱力學不穩(wěn)定體系，但表面活性物質(zhì)的存在造成了泡沫相對穩(wěn)定存在的一些因素，即表面或液膜的彈性(GibbsMarangoni效應(yīng))，表面粘度，溶液粘度，電雙層斥力和熵雙層斥力，氣泡間的氣體擴散。其中表面彈性和表面粘度為泡沫穩(wěn)定存在的主要因素。
2.2液膜的彈性
當吸附有表面活性劑的液膜受到外力沖擊時，膜的局部會變薄，變薄處表面積增大，表面吸附活性分子的密度較前下降，表面張力增加，引起鄰近處的表面活性分子同溶液一起向變薄處遷移，使變薄的液膜得到恢復(fù)。液膜具有變薄后恢復(fù)厚度的能力，就好像膜具有一定的彈性，液膜的這種性質(zhì)稱為液膜彈性，也叫自身修復(fù)作用。液膜變薄處還可以從本體溶液中吸附表面活性劑以得到平衡。如果表面活性劑分子從溶液中吸附的速度較從鄰近處遷移的速度快，則變薄的液膜的表面張力和吸咐分子密度可恢復(fù)，但不能再變厚(無溶劑隨同遷移)，因此得不到穩(wěn)定。
R0sen根據(jù)Gibbs的觀點，用數(shù)學式描述液膜的彈性：
E=4Γ2RT／hbc
即液膜的彈性模量E與吸附于液膜表面的溶質(zhì)過剩濃度Γ的平方成正比，與液膜的厚度hb和本體溶液的濃度c成反比。這一公式成功地解釋了液膜表面的溶質(zhì)吸附密度對液膜彈性的突出貢獻。
2.3表面粘度及溶液粘度
表面粘度取決于吸附于氣液界面的溶質(zhì)分子間的相互作用力。作用力大則膜的表面粘度高，膜強度也高，泡沫壁上的液體遷移困難，泡沫的穩(wěn)定性高。有些極性有機物如高級脂肪醇加入泡沫體系中，能與表面活性劑產(chǎn)生強烈的作用，形成的液膜具有很高的表面粘度。有些陽離子型表面活性劑和陰離子型表面活性劑構(gòu)成的混合液膜，如C8H17N(C3)3BrC8H17SO
4Na(1：1)混合液膜，由于正、負電荷間的強烈?guī)靵鲆Γ脖憩F(xiàn)出極大的表面強度。蛋白質(zhì)分子或聚醚類表面活性劑由于鄰近分子間的氫鍵作用，形成準聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所形成的液膜表面粘度也很高。如果在液膜上吸附的表面活性劑能形成液晶結(jié)構(gòu)，則不僅液膜表面粘度高，而且由于內(nèi)部蓄積的表面活性劑能不斷地調(diào)節(jié)泡液膜內(nèi)的表面活性劑濃度，使其保持最適當?shù)牧浚a(chǎn)生的泡沫有很高的穩(wěn)定性。但是過高表面粘度又將延緩變薄層的自身修復(fù)，使液膜變脆，液膜彈性下降。
溶液粘度大，一方面可增加液膜的表面粘度，另一方面使液膜內(nèi)的液體不易排出，延緩壓力差和重力引起的液膜內(nèi)液體的遷移，阻止膜的變薄，延緩液膜的破裂。不過溶液粘度僅為輔助因素，若沒有表面膜形成，即使液體粘度很高，也不能形成穩(wěn)定的泡沫。
2.4電雙層斥力和熵雙層斥力
在由離子型表面活性劑構(gòu)成的泡沫體系中，隨著液膜內(nèi)液體的排出，帶同性電荷的兩個氣液界面的距離越來越近，至一定程度。
2.5結(jié)論
泡沫是熱力學不穩(wěn)定體系，它的形成及穩(wěn)定有其特定的機理和規(guī)律，泡沫是由多種因素形成的，依據(jù)消泡機理制備的多種物質(zhì)組合的復(fù)合消泡劑將在制糖、發(fā)酵及食品加工中發(fā)揮巨大作用。
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