Что такое пена
В данной статье мы рассмотрим теоретические аспекты пенообразования в процессе водной чистки (прачечная и аквачистка) и в случае использования неводных растворителей (химчистка). Излишнее пенообразование негативно сказывается на моющем эффекте в стиральных машинах и приводит к забросам грязного растворителя в «чистую зону» в машинах химической чистки. Таким образом, стоит вопрос эффективной борьбы с этим явлением.
Для понимания того, что представляют из себя пены, обратимся к понятию «дисперсной системы».
Дисперсные системы — это неоднородные (гетерогенные) системы, состоящие из двух и более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Например, при смешивании муки с водой, граница раздела твердых частичек и жидкости становится очень большой.
В дисперсных системах выделяют дисперсную фазу и дисперсионную среду. Дисперсная фаза может состоять из мелких твёрдых частиц (пыль, сажа и т.д.), капель жидкости или пузырьков газов, распределенных в однородной дисперсионной среде (например, воде или неводных растворителях). Основным признаком, позволяющим отличить дисперсионную среду от дисперсной фазы, является непрерывность дисперсионной среды. Если внести муку в воду, то частицы муки будут отделены друг от друга, а вода — непрерывна, так как она обволакивает каждую твердую частичку муки. В этом примере, мука – дисперсная фаза, вода – дисперсионная среда.
Дисперсные системы классифицируют по агрегатному состоянию образующих систему фаз (таблица 1). В таблице цветом выделены те системы, которые важны в индустрии химчисток и прачечных.
Таким образом, в химчистке и прачечной встречаются три дисперсные системы. Одна из них – это «газ в жидкости», а именно, пены. Пузырьки газа находятся внутри жидкости и при относительной стабилизации такой дисперсной системы заполняют все больше пространства барабана стиральной машины (водная среда) и дистиллятора машины химической чистки (неводная среда). Это может привести не только к ухудшению качества стирки, но и к попаданию жидкости в электронный блок — на платы управления стиральной машины. В машине химической чистки это вызывает переброс грязного растворителя в водоотделитель и, как следствие, остановку технологического процесса с потерей ценного времени на исправление ситуации. Поэтому с такой дисперсной системой как пена необходимо безжалостно бороться! Это реализуется путём добавления специальных пеногасителей, которые делают систему нестабильной, и пена разрушается.
Процесс образования пены и ее стабилизация
Рассмотрим процесс образования пены и её стабилизации. Начнём с самого простого случая – кипение воды в чайнике. При закипании воды на стенках образуется водяной пар, который стремится подняться вверх из-за того, что плотность газа гораздо меньше плотности жидкости. Когда пузырек достигает поверхности и выходит наружу, вода, составляющая ее оболочку, находится над газом и под действием силы тяжести стекает вниз. При этом стенка пузырька становится тоньше и при размерах менее 10 нм разрывается. Процесс происходит очень быстро, и никакой стабильной пены не образуется.
Для стабилизации пен используются специальные вещества с двойственными свойствами — поверхностно-активные вещества (ПАВ), молекулы которых могут «поворачиваться» разными сторонами к водной и неводной средам (Рис 1). Полярные (гидрофильные) группы молекул ПАВ находятся в водной фазе, а неполярные (гидрофобные) радикалы ориентированы строго в направлении неполярной среды – газовой или неводной («масляной»). В простейшем случае молекулы ПАВ схематично можно представить в виде чёрточки (гидрофобный радикал), на конце которой находится кружок (полярная группа).
Рисунок 1. Схематическое изображение ПАВ, которое содержит как гидрофильную, так и гидрофобную часть. Благодаря этому становится возможным стабилизировать пены.
Молекулы ПАВ стараются занять все границы раздела фаз: вода-металл (в нашем конкретном случае), вода-воздух. При образовании пузырька газа внутри жидкости, который может появиться либо при кипении, либо при перемешивании (вращения барабана стиральной машины), происходит быстрое его насыщение молекулами ПАВ, не покидающие его. Пузырек всплывает выше уровня жидкости и при определенном стечении обстоятельств стабилизируется.
Строение пены изображено на Рис.2. Следует обратить внимание на множество стенок, которые называют ламеллами. Вследствие силы тяжести жидкость устремляется вниз, приводя к уменьшению её количества в ламелле и, как следствие, истончению стенок. Как мы уже говорили, при толщине менее 10 нм она должна просто порваться. Что же приводит к стабилизации стенки?
Рисунок 2. Пена представляет собой множество стенок (ламелл) по которым стекает жидкость благодаря силе тяжести
Молекулы ПАВ имеют гидрофильную часть (красный круг) часто с определенным зарядом. Анионные – отрицательный, катионные — положительный, амфотерные — и тот и другой. На Рис. 3 изображены два слоя гидрофильных групп с одинаковыми зарядами, которые двигаются друг к другу по мере истончения стенки. В определенный момент возникает электростатическое отталкивание частиц друг от друга (одноименные заряды, как известно, отталкиваются) и это удерживает жидкость в ламелле, благодаря чему пена может очень долгое время оставаться стабильной.
Рисунок 3. Процесс стабилизации пены. В данном примере частицы с положительными зарядами отталкиваются друг от друга, что не позволяет стенке истончаться
Борьба с пенообразованием
Перед рассмотрением теории разрушения пены следует сказать о том, что профессиональные средства для прачечной и аквачистки оставляются из компонентов с контролируемым пенообразованием. При каждом обороте барабана стиральной машины вся образующаяся пена должна гасится до следующего вращения. Это становится возможным как благодаря особым ПАВ, которые присутствуют в рецептуре моющего средства, так и благодаря использованию специальных пеногасителей.
Например, в усилителях для прачечной и аквачистки PLEX Stiro Intensive Pro, PLEX Stiro AG реализованы все вышеперечисленные возможности.
Тем не менее, повышенное пенообразование возможно в следующих случаях:
- Мягкая вода увеличивает пенообразование. Иногда необходимо использовать дополнительный пеногаситель.
- Омыление жиров из масложировых загрязнений приводит к появлению солей жирных кислот (анионных ПАВ), которые дают дополнительное пенообразование. Это встречается в случае сильнозагрязненных изделий в пищевой промышленности, кухонного текстиля, изделий после SPA-процедур.
Рассмотрим теорию разрушения пены. Для этого необходимо выполнения двух условий успешной работы пеногасителя:
- Пеногаситель должен обладать более низким поверхностным натяжением, чем среда, в которой он работает. Благодаря этому происходит «внедрение» основного «разрушителя» в ламеллы пены.
- Иметь «компонент-разрушитель», который плохо растворяется в той среде, в которой он работает, иначе он просто не доберется до цели. В такой роли часто выступает коллоидный диоксид кремния.
Итак, действие пеногасителя (Рис. 4) сводится к:
- Введению в моющий раствор.
- Распределению в растворе «компонента-разрушителя» (отмечен жёлтым цветом).
- Дестабилизация наступает в момент, когда электронейтральные частицы «компонента-разрушителя» замещают молекулы ПАВ в ламеллах и делают невозможным электростатическое отталкивание стенок. Они истончаются и лопаются.
Рисунок 4. Процесс разрушения пены. Образование зоны, где исчезает электростатическое отталкивание.
Наша компания, благодаря научной и технологической школе имеет собственное производство пеногасителей. Для водной среды мы предлагаем продукт PLEX Антипена.
Пеногашение в неводных средах (перхлорэтилен, альтернативные растворители)
Сложнее всего бороться с избыточным пеногашением в дистилляторе машин химической чистки. Из-за низкого поверхностного натяжения среды, классические подходы гашения затруднены.
Избыточное пенообразование происходит вследствие наличия сложной смеси ПАВ из усилителей чистки и воды с изделий. Ещё одна причина — использование широкого спектра предварительных пятновыводителей разных производителей.
В результате, возможен заброс грязного растворителя в водоотделитель, что влечёт за собой множество рисков. Наличие датчика пены часто не спасает ситуацию, так как при открытии клапана происходит кратковременное увеличение давления, что замедляет кипение.
Поэтому наша компания разработала специальный продукт PLEX DryDistill мирового уровня для гашения пены в любых (!) растворителях химической чистки: перхлорэтилене, углеводородах (KWL), альтернативных растворителей любых марок, в том числе и в нашей собственной технологии химической чистки PLEX GLYBOOSTING. Дозировка препарата составляет 30-70 мл на 100 л растворителя. Средство работает до следующей чистки дистиллятора от шлама. В случае редкой чистки дистиллятора (что не рекомендуется) требуется добавка в среднем 30 мл пеногасителя после каждых трёх дней работы машины.
Кроме тестирования в машинах химической чистки, мы провели исследования в лабораторной установке, которая имитирует самые сложные условия работы (Рис. 5).
Рисунок 5. Тест работы пеногашения в неводной среде.
На рисунке 5 слева направо изображены:
А – Исходный раствор альтернативного растворителя (PLEX® GlySolvent GU40) с высоким содержанием пенообразующих ПАВ и примесей воды,
Б – процесс заброса пены при понижении давления ниже 60 мм.рт.ст.,
В – добавка в исходный раствор пеногасителя PLEX® DryDistill, снижение давления до 10 мм.рт.ст., равномерное кипение.
5.Вывод
Профессиональные препараты для химчисток и прачечных разработаны таким образом, чтобы максимально исключить появление неконтролируемого пенообразования. Тем не менее встречаются моменты, когда этого не получается избежать и пена начинает влиять на качество чистки и безопасность работы. В этом случае необходимо использовать качественные пеногасители.
Автор выражает признательность к.х.н. Гольдберг Анне Евгеньевне за помощь в подготовке материала.
