Пены. 
Физическая и коллоидная химия. 
Часть 2. Коллоидная химия

Пены — дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой — жидкость (в случае жидких пен) или твердое тело (в случае твердых пен). Поскольку твердые пены получают из жидких (при их затвердевании), остановимся лишь на рассмотрении свойств жидких пен.

Разбавленные дисперсные системы Г/Ж, содержащие менее 0,1% дисперсной фазы, обычно называют газовыми эмульсиями. Для них характерен процесс обратной седиментации — всплытие газовых пузырьков. То, что мы обычно понимаем под термином «пена», являются концентрированными или высококонцентрированными дисперсными системами, в них пузырьки газа плотно прижаты другу к другу, разделены лишь тонкими перегородками дисперсионной среды и не способны свободно перемещаться.

Обычно состав дисперсных систем выражают через концентрацию дисперсной фазы, пены же характеризуют содержанием дисперсионной среды. Это происходит потому, что масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются в процессе стояния пены. Для выражения состава пены ввели понятие кратности пены (3, показывающее, во сколько раз объем пены V_n превышает объем жидкости У_ж, из которой эта пена получена:

где V_n, V_T, У_ж — объем пены, газа и жидкой дисперсионной среды соответственно. С увеличением кратности пены увеличивается объем газовой дисперсной фазы V_r Пены называют влажными (низкократными), если J3 < 10, для сухих (высокократных) пен значение (3 превышает 100; если 10 < (3 < 100, то пены называют полусухими.

Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемые треугольники Плато. В каждом из них сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120°. В местах стыков пленок образуются утолщения, которые называют каналами. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы. Каналы и узлы образуют структуру пены.

В тонких пленках пузырьков пены возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы. В результате пленки утончаются. Силы гравитации усугубляют этот процесс: жидкость по узлам стекает в нижнюю часть пены. В результате размер и число пузырьков уменьшаются — пена гасится.

Эксперименты в космосе показали, что в условиях невесомости время жизни жидких пен возрастает в десятки и даже в сотни раз. Это объясняется тем, что в условиях невесомости исключается отток жидкости по каналам и узлам пены. В земных же условиях следует применять дополнительные меры по приданию устойчивости пенам.

Пены — грубодисперсные системы: пузырьки пены обычно видны невооруженным глазом. При этом их размеры неодинаковы, т. е. пены — полидисперсные системы.

Для получения пен чаще используют диспергационные методы: продавливание газов через узкие отверстия в жидкость или интенсивное перемешивание жидкостей в присутствии газов. Иногда пены получаются конденсационными методами в результате образования газообразных продуктов реакции или выделения растворенного в жидкости газа (например, вспенивание теста при дрожжевом брожении или в результате разложения бикарбоната натрия (соды), образование пены при изготовлении пенопластов).

Пены — наиболее неустойчивая разновидность дисперсных систем. Стабильность пен определяют по времени «жизни» свободной пленки или пузырьков различных фракций. Совершенно чистые жидкости практически не образуют пен, т. е. время жизни пен в таких случаях ничтожно мало.

Для стабилизации пен используют различные ПАВ, называемые пенообразователями или пеностабилизаторами. Пенообразователи подразделяются на два типа: первого рода (низшие спирты, кислоты) — они находятся в объеме раствора и в адсорбционных слоях в виде молекул (эти пенообразователи малоэффективны); и второго рода (мыла, мицеллярные растворы ПАВ). Пены с такими ПАВ устойчивы, поскольку на поверхности раздела образуются прочные гелеобразные пленки. Кроме того, эффективными стабилизаторами пен являются белки. Все водные растворы белков легко вспениваются даже при слабом встряхивании. Нередко белки используют в композиции с низкомолекулярными ПАВ различной природы, в том числе в пищевых технологиях и композициях моющих средств.

Для пен характерны электроосмос и потенциал течения. Пены способны поглощать и рассеивать свет. В слое жидкости, разделяющем пузырьки пены, возникает расклинивающее давление, а внутри пузырьков — капиллярное давление. Кроме того, пены могут обладать определенной электропроводностью. Для применения пен большое значение приобретает их вязкость.

Стабильность пен обеспечивают структурно-механические свойства адсорбционно-сольватных слоев и расклинивающее давление в тонких пленках, препятствующее их утончению.

Пены имеют разнообразное применение. Их используют при обогащении полезных ископаемых флотацией, при интенсификации производственных процессов, при стирке и мойке, при тушении пожаров, в процессах очистки поверхностей от загрязнений, в производстве высокопористых строительных и изоляционных материалов.

Несмотря на обширность случаев применения пен, существует немало случаев, когда процесс пенообразования нежелателен. Особенно большой урон окружающей среде наносят пены в сточных водах. Для предотвращения их образования применяют пену, «гасят» (процесс пеногашения). Обычно это достигается применением так называемых пеногасителей (химическое пеногашение). Пеногасители — вещества (ПАВы), обладающие высокой поверхностной активностью, но не способные стабилизировать пену. Они разрушают адсорбционные слои, стабилизирующие пену.

Помимо химического пеногашения в практике применяют также механическое, термическое, ультразвуковое и другое пеногашение.

Пены в пищевых производствах — пенообразование мешает перемешиванию и выпариванию жидкостей в ряде технологий пищевой промышленности. Так, при получении томат-пасты упариванием жидкой протертой томатной массы в открытых чанах вспенивание может быть настолько интенсивным, что томатная паста переливается через край, несмотря на то, что чан загружают не более чем на одну треть. Сточные воды картофеле-крахмального производства образуют очень стойкую пену, разрушение которой связано с большими трудностями.

Снижение пенообразования требуется на стадии концентрирования дрожжевой суспензии перед высушиванием выпариванием при 85 °C. Для этого дрожжи необходимо плазмолизировать нагреванием их до 100 °C.

К числу пеногасителей, применяемых в пищевой промышленности, относится Е900 (полидиметилсилоксан), альгинат кальция, жирные кислоты. Эффективный химический пеногаситель должен иметь более высокую поверхностную активность, чем пенообразователь.

В сбраживаемом сусле производства пива имеется значительное количество веществ, обладающих поверхностной активностью: белки, пектин, хмелевые смолы. Адсорбция этих веществ на поверхности пузырьков диоксида углерода способствует образованию пены, внешний вид и устойчивость которой постепенно изменяются в процессе брожения в связи с различной интенсивностью выделения С02.

В производстве кормовых дрожжей концентрирование суспензии осуществляется флотацией. При пропускании через дрожжевую суспензию диспергированного воздуха вместе с пеной удаляют и дрожжи. Можно предполагать, что пена образуется и стабилизируется за счет ПАВ, находящихся в жидкой фазе и сорбирующихся на поверхности клеток, придавая им гидрофобность. Гидрофобные частицы сорбируются на границе «раствор — воздух» и уносятся с пеной.

В кондитерской промышленности применяют следующие пенообразователи: отвар мыльного корня (производство халвы), яичный альбумин (бисквитное тесто), куриный белок (пастила, зефир, суфле). Сравнительно новый способ хранения очищенного и нарезанного картофеля предполагает хранение его в пенных средах.

Для характеристики пенообразующих свойств виноматериалов пользуются методами, основанными на регистрации кинетики разрушения опреде ленного объема пены или измерения устойчивости отдельных элементов пены (пленок или пузырьков). В последнем случае определяют время существования газовых пузырьков до момента их слияния (коалесценции).