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•第九章泡沫ChapterFourteenTheFoamSystem教学内容第一节概述第二节泡沫稳定性及其影响因素第三节常用起泡剂与稳泡剂一、泡沫（体系）的概念及作用1.泡沫的概念2.泡沫的理解要点3.气泡第一节概述泡沫也称泡沫体系。泡沫是气体分散在液体或固体中形成的分散体系。分散相：气体分散介质：液体/固体定义：泡沫体系中的分散相。◆理解要点（1）气泡具有气-液、气-固或气-液-固界面；（2）气泡是泡沫（体系）的组成单元。（1）气体分散相不溶于液和固体中；（2）气体分散相被液体或固体的薄膜包围成独立单元。第一节概述4.气泡和泡沫的作用⑴积极作用⑵消极作用充分利用它达到某种目的。如：浮选、灭火、除尘洗涤、制造泡沫陶瓷和塑料等，利用液体加热后产生气泡的温度（泡点）衡量其蒸汽压与温度间的关系。均是利用其有利的一面。需要消除它。如工业发酵、搅拌、煮沸、浓缩涂料、造纸、印染等工艺过程，锅炉用水，棱镜(或玻璃)制造等，均要消除其不利影响。第一节概述二、泡沫的分类1.按分散介质形态分2.按气-液泡沫中分散相状况分（1）“稀泡沫”（2）“浓泡沫”按分散相尺寸大小及分布、聚集状态与分散相浓度等差异可分为两类。特点：气泡以细小的球形均匀分散在较黏稠的液体中，气泡液膜较厚。实例：液体发酵食品生产时发酵液中的气泡。特点：气泡浮在液体表面上，以聚集体形式存在；气泡呈多面体形状；液膜较薄。实例：碳酸饮料、啤酒中泡沫；洗涤泡沫。泡沫分为气-液和气-固两大类。第一节概述三、气-液泡沫1.气-液泡沫的产生条件◆须满足三个条件◆说明（1）能扩展其表面积，以便在气泡周围形成液泡膜（液体具有拉伸性)；（2）具有适当的流变性和表面特性，能阻碍导致气泡融合或破灭的液膜薄化作用。（3）阻碍气体从小气泡向大气泡或向大气环境扩散。任一单组分均不能满足上述三个条件，故单一组分液体不会产生泡沫。2.气-液泡沫体系的形成（1）吹气法①工艺原理②关键技术③方法优/缺点第一节概述该法是将气体（通常是空气氮气、二氧化碳等）通过毛细管、多孔板或颗粒填充层鼓入液体中，得到泡沫分散体系。缺点：a)连续充气时，泡沫体积达到最大后又会减小；b)在泡沫室上下会产生蛋白质浓差，使泡沫体系不均匀；c)泡沫处于不断产生与破灭的动态变化之中；d)泡沫体积与蛋白质溶液浓度无关,而与蛋白质性质关系很大。准确控制气体流速和流量。可获得好的重现性，且可由低浓度的表面活性剂或蛋白质溶液得到理想的泡沫分散体系。优点：能直接观察到泡沫生成过程和泡沫状态。第一节概述单管吹气法发泡装置第一节概述1.送水管2.溢水管3.虹吸管4.定压室5.8.压力室6.泡沫室7.多孔板定压吹气法发泡装置◆缺点a)泡沫形成时难以观察气泡状态；b)靠强剪切力使气泡在液体中均匀分散，剪切力过大会导致气泡“聚合”，泡沫不匀；c)长时间激烈搅拌使蛋白质的表面吸附膜遭到破坏，导致泡沫体积增大到一定程度后又减小。第一节概述（2）搅拌法◆控制方法●适用范围（3）振荡法使用的搅拌装置有搅拌器和均质机等。优点简便易行。适于生产泡沫特性优良的掼奶油等。用压力传感器实时监测泡搅拌时的流动阻力。装液体原料于容器中，将容器固定在振荡器上，控制条件振荡，在液体中产生泡沫。常用于起泡和消泡试验。第一节概述1.电机2.应变仪3.放大器4.记录仪5.传感器6.转台7.搅拌器电动搅打器及泡沫物性测定装置第一节概述3.描述气-液泡沫体系的重要参数（1）泡沫密度（2）起泡性泡沫密度是泡沫层质量与泡沫层体积的商：ρ=ml/Vs◆假设条件泡沫层中气体质量与液体质量比较可以忽略不计。起泡性是单位起泡剂的起泡效果的度量。用泡沫层液体的体积与起泡剂的质量的比值表示：起泡性=Vl/ms第一节概述①影响起泡性的因素②起泡性指标③起泡性的测试发泡液成分(表面活性剂或蛋白质)及其浓度。浓度增高，起泡性增强。是表示单位剂量表面活性剂可以形成泡沫层液体的质量。试验改变一系列活性剂浓度，测定其对应的起泡体积和泡沫密度。（3）膨胀度①数学表达式②反映的实质（4）其它参数第一节概述泡沫体积、泡沫比体积、起泡体积、润湿度等。OR%=100×(ρl－ρF)/ρF=100×vg/vl反映泡沫层中气体所占体积与液体所占体积之比。膨胀度用泡沫中的气体体积Vg与液体体积Vl的商表示：OR=Vg/Vl1.2是自动阀；3是定容测压室；4是压力传感器；5是缸筒；6是柱塞；7是齿轮；8是齿条；9是同步电机；10是管道岔口。膨胀度的自动测定装置第一节概述Vs是振动后泡沫的静容积；Vd是送气中泡沫层气体的容积；v1是泡沫层液体的容积；mg是泡沫中气体的质量；ml是泡沫中液体的质量；Vg是起泡所用气体的容积；Vl是起泡所用液体的容积。表述泡沫体系的一些参数符号及代表意义4.气-液泡沫体系的性质（1）低密度（2）流动性①流动性与体系组成和所处的环境条件有关②流动性有重要应用价值在能源钻探方面，泡沫的流变性对满足携带钻屑、平衡地层压力、润滑和冷却钻头等需要十分重要。泡沫的流变性在液体食品或食品的液态加工过程中，是设备选型、搅拌、泵送和喷雾干燥等单元操作的依据。泡沫密度低于或远低于构成该分散体系的分散介质的密度。该性质在某些工程上有重要应用价值。如石油开采、煤炭钻探。第一节概述因泡沫体系的组成不同流动性差异很大.第一节概述●泡沫悬浮性的应用（3）悬浮性◆泡沫悬浮性的负面影响在密度、黏度及增溶或分散性方面带来应用与贮运麻烦。促进食用油脂或液态及半固态食品的氧化变质、导致好氧微生物繁殖加快等不良后果。矿物浮选（根据密度和亲和性分矿石粉中各种物质）；污水处理（分离油污和悬浮物）。泡沫的悬浮能力很强，是发泡前液体的几倍到十几倍。第一节概述（4）隔离性①隔热性②隔声性③覆盖性泡沫分散体系还有良好的隔绝空气的能力，这一性质被广泛用于消防器具中，泡沫灭火器中就是利用气-液泡沫体能隔绝空气来实现灭火的。声波在泡沫体系中传播性很差。故固-气泡沫体经常被用作隔音材料，如墙体贴泡沫板可增强隔音效果。泡沫体因气泡内空气的优良绝热性而具有很强的隔热能力。该性能在需要保温的工艺中有优势，但传热介质中存在泡沫，会影响其传热效率。4泡沫的应用（1）柔软固态食品加工（2）硬脆固态食品（3）碳酸饮料第一节概述泡沫体系除在选矿、污水处理、石油勘探、钻井、灭火、建筑体保温、隔音等应用外，在食品加工业也有重要应用。馒头、面包、蛋糕、油条等柔软性固态食品都是通过生物发酵、加膨松剂等手段产生气泡，形成泡沫体系的。优点：增加食品的松软感，便于涂抹黄油等佐料，也便于消化、吸收。饼干、虾片等食品都是通过焙烤、膨化等工艺在固相分散介质中形成气泡的。优点：食用方便、保质期长、咀嚼时有酥脆感。汽水和啤酒中经常充入CO2后封瓶口，当开瓶后产生大量气泡或泡沫，增加爽口感。一、气-液泡沫体系的稳定性1.气-液泡沫体系稳定性的表征①半衰期含义②半衰期符号③半衰期与泡沫稳定性的关系第二节泡沫稳定性及其影响因素泡沫稳定性常用半衰期表示。半衰期是泡沫体系的体积从刚发完泡计起，到体积消减到原来一半所用的时间。记作t1/2t1/2是泡沫稳定性的衡量指标，t1/2数值越大，泡沫越稳定，反之越不稳定。第二节泡沫稳定性及其影响因素2.气-液泡沫体系不稳定的热力学因素(1)泡内气体渗透（扩散）作用r2与r2差别越大，气体扩散愈厉。泡沫体系中，时间足够长时，泡沫的平均尺寸差别和分散度范围均会增大。大泡沫体积增大→液膜减薄→小于临界厚度→膜强度极差→在泡内压力或外部机械撞击破裂。两个泡沫接触但未破裂或融合时，两气泡之间隔膜的曲率半径r0=r1r2/(r1-r2)。其动力来自相互接触的不同曲率半径的两个泡沫内气体压力差Δp。由Laplace方程知，p小泡=p0+4σ/r2，p大泡=p0+4σ/r1，p小泡＞p大泡，小气泡内的气体要向大气泡内扩散，使小气泡缩小，大气泡长大。不同曲率半径泡沫接触模型r1r2r0第二节泡沫稳定性及其影响因素(2)泡间液体的毛细管流动(3)重力导致的泡沫膜液流失第二节泡沫稳定性及其影响因素在平台边界内的液体压力低于平行区域，所产生的压差将驱动液体流向平台边界，使液膜薄化（液体边界平行区的平行边界更靠近），终致泡沫破裂。当泡沫体积膨胀或上升至液面之上时，因重力作用，产生膜液流失，一旦膜液薄化到5nm～15nm的临界厚度时，极易破裂。几个气泡接触，且以多面体结构存在时，形成泡间毛细管，毛细管细处（液体边界平行区）的液体压力小于粗处（液体边界平台区）。在气相平台边缘高压，液相平台边缘低压多面体结构泡沫间存在毛细管流动现象的模型第二节泡沫稳定性及其影响因素液膜流动相气相3.增加气-液泡沫体系稳定性的方法①提高体相黏度◆适当增加高分子溶质浓度。②增大表面黏度●蛋白质等稳泡剂在起泡液中有足够的浓度。增大液体流动阻力，还能产生“衬垫”效应，吸收随机或感应运动产生的振动，均能缓解外力对泡沫的机械冲击。减小膜液流失速率和流失量，维持液膜足够的强度和弹性，抑制气泡因变形而破裂。第二节泡沫稳定性及其影响因素③创造有利于Gibbs吸附和Marangoni效应的条件（控制好温度、起泡剂种类和浓度；避免不必要的搅动和振动）④增大相邻界面（一个泡沫液膜中两个气-液界面、不同泡沫的外层气-液界面）的静电斥力作用和空间阻碍作用⑤避免气体由小气泡向大气泡扩散增强泡沫“愈合”因膜液流失、薄化而造成的薄膜区域。第二节泡沫稳定性及其影响因素在发泡工艺中采取措施（如搅打）控制泡径分布，尽量获得等径泡沫。向起泡液中添加离子型和非离子型表面活性剂、高分子化合物和其它助剂，产生的表面吸附，抵抗膜液流失，防止膜液薄化.二、气-液泡沫稳定性的影响因素1.起泡能力2.泡沫稳定性3.泡沫稳定性的相关因素（1）泡沫体系的组成与性质（2）外部影响因素第二节泡沫稳定性及其影响因素环境温度、射线、场力作用、机械力作用、化学品作用泡沫的稳定性是指泡沫生成后的保持时间长短，它是泡沫的关键性能，只有液膜有足够的强度，才能抵抗外界影响，保持泡沫稳定。起泡能力是指液体在一定的外界条件下生成泡沫的难易程度，它直接与液体的表面张力相关，表面张力越低起泡性越好。泡沫体系的稳定性取决于泡沫液膜的性质，液膜性质又取决于泡沫体系组成。1.液膜的性质泡沫稳定的关键①泡沫液膜与乳状液液膜的异同◆共性它们均是界面膜，有自身的独特性质，其性质决定所在分散体系的稳定性。第二节泡沫稳定性及其影响因素◆异性b)乳状液液膜两侧接触的都是液相，泡沫液膜内侧接触气相，外侧有气相也有液相；◆异性a)乳状液的内相是液态，呈球形。泡沫的内相是气态，呈多面体形；◆异性c)泡沫液膜比乳状液液膜薄，在体系中所占的体积分数也更小。③表面活性剂亲油基团之间的相互吸引，使液膜中分子排列紧密，增大液膜强度；④含离子型表面活性剂的双吸附层中，活性离子带有相同电荷，其静电排斥作用阻止液膜减薄。液膜中表面活性剂形成的双吸附层结构，对形成稳定的泡沫具有决定性作用。①吸附层中的表面活性剂对膜液有束缚作用，限制了膜液的蒸发；②表面活性剂的亲水基团吸引水分子，使膜液黏度增大，膜液不易流失，能够保持一定的膜厚度；第二节泡沫稳定性及其影响因素②液膜的双吸附结构的作用液膜中表活剂吸附层结构气液膜气◆液膜厚度的作用足够厚度的液膜是其高强度的前提条件，薄而强度低的液膜难以抵抗外部机械力的冲击，也易因液膜透气性强而融合泡沫，都使泡沫难以稳定。第二节泡沫稳定性及其影响因素③液膜的强度④液膜的厚度◆液膜强度的含义指液膜抵抗机械冲击的能力，也包括抵抗外部条件（温度、射线、场力）变化和内部组分变化（加入化学物质）引起液膜抗冲击能力减弱的性能。◆液膜强度的作用液膜强度是稳定泡沫的关键；蛋白质等稳泡剂可以提高液膜强度。◆增大液膜厚度的方法加入泡沫稳定剂（提高表面黏度）或增大表面活性剂浓度或加入增黏剂（增大体相黏度），可减少膜液流失，保证液膜具有足够的厚度。第二节泡沫稳定性及其影响因素⑤液膜表面电荷c)静电斥力稳定作用的局限性液膜较薄时彰显，液膜较厚时膜因两侧距离较大,静电排斥作用不明显。d)电解质对液膜表面荷电的影响电解质的加入影响液膜中扩散双电