pěna
foam
Tvorba pěn i pěny samotné mají důležité průmyslové uplatnění. Při úpravě rud
flotací se částice rudy shromažďují v husté pěně na povrchu, z níž se získává koncentrát daného nerostu. Rozpuštěné povrchově aktivní látky lze z roztoku oddělit napěněním a pak odstraněním vytvořené pěny (povrchově aktivní látky přecházejí do pěny). Vysoce stabilní pěny se uplatňují zejména při hašení požárů. Nemalý význam mají pěny i v potravinářském průmyslu a při využití pracích a čisticích prostředků.
Částice
disperzní fáze jsou zpravidla poměrně velké, často dokonce viditelné pouhým okem, což odpovídá
makrodisperzím; avšak tenké přepážky, oddělující jednotlivé bubliny, které mají významný vliv na vlastnosti pěn, jsou
koloidních rozměrů. Reálné pěny jsou zpravidla
polydisperzní. Objemový podíl disperzní fáze v pěnách je podstatně větší než u jiných disperzních soustav. Pěny se vyznačují malou hustotou disperzního podílu a nízkým
stupněm disperzity, což je příčinou některých odlišností od ostatních disperzních soustav.
Klasifikace pěn
Hlavním hlediskem pro klasifikaci pěn je velikost podílu plynné fáze v systému:
-
málo koncentrované soustavy (obr. 1a), s krátkou dobou životnosti, v nichž jsou bubliny velmi vzdálené (např. sodovka, šampaňské, pivo).
-
vlhké pěny, v nichž bubliny zachovávají kulovitý tvar (obr. 1b) a jsou odděleny silnější vrstvou disperzního prostředí. Vlhké pěny ztrácejí vlivem gravitace disperzní prostředí a přecházejí na suché pěny. Při tom se celkový objem pěny mění jen málo.
-
suché pěny, kde plynný podíl zaujímá i více než 90 obj.%. Velký podíl plynné fáze a vzájemné stlačování způsobuje, že bubliny zde nemají kulový tvar, ale tvar mnohostěnů (viz suché pěny), jejichž stěny jsou tvořeny tenkými filmy disperzního prostředí a tvoří spojitou strukturu (obr. 1c).
 |
|
|
Obr. 1 (a) Zředěná soustava plyn-kapalina, (b) vlhká pěna, (c) suchá pěna
|
Stabilita pěn
se mění ve velmi širokém rozmezí. Experimentálně bylo zjištěno, že zcela čisté kapaliny nepění a někteří autoři uvádějí, že nepění ani nasycené roztoky
[
6, str. 99]. Pro vznik stabilní pěny je nutná přítomnost vhodného
pěnotvorného činidla, které vytváří stabilizující film okolo jednotlivých částic
disperzního podílu. O její stabilitě rozhodují především vlastnosti povrchových filmů a
disperzního prostředí. Nejdůležitější tyto faktory:
-
závislost povrchového napětí roztoku na koncentraci povrchově aktivní látky. Aby roztok v přepážkách reagoval vhodnými změnami povrchového napětí na mechanické vlivy, jimž jsou přepážky neustále vystaveny, musí mít změna povrchového napětí s koncentrací dostatečně vysokou zápornou hodnotu. Protažení přepážky totiž zvětší její povrch, tím poklesne koncentrace povrchově aktivní látky adsorbované v povrchové vrstvě přepážky a zvýší se povrchové napětí. Je-li toto zvýšení dostatečně velké, stačí kompenzovat vliv síly protahující přepážku. Na stlačení reaguje roztok opačně. Z toho je zřejmé, že stálost pěny bude největší nikoliv při koncentraci, která odpovídá extrému povrchové energie, ale při složení, kdy je změna povrchového napětí s koncentrací maximální. Při uplatnění tohoto efektu hraje roli rychlost difuze povrchově aktivní látky z Gibbsových-Plateauových kanálků do povrchové vrstvy filmu a zpět ( Gibbsův-Marangoniho efekt).
-
soudržnost, pružnost a stálost stabilizujícího filmu
-
tloušťka přepážek mezi buňkami; ztenčování mezivrstvy může vést až k jejímu protržení,
-
viskozita disperzního prostředí, na níž závisí vytékání kapaliny z mezivrstev do objemové fáze – tzv. odvodňování pěny
-
elektrický náboj povrchového filmu (při použití ionogenních pěnotvorných činidel) – viz teorie DLVO a tlak rozpojování
-
hodnota tlaku nasycené páry disperzního prostředí nad pěnou, na níž závisí rychlost odpařování z povrchových vrstev pěny a tím i rychlost její destrukce.
První dva z uvedených činitelů mají pro stálost pěny rozhodující význam.
Stabilita pěn se stanovuje
-
přímými metodami na pěnách samotných
-
u statických pěn měřením doby existence pěny, tj. času, který uplyne od okamžiku vytvoření pěny do jejího úplného zániku
-
u dynamických pěn propouštěním bublinek plynu zpěňovanou kapalinou definovanou rychlostí a stanovení rovnovážné výšky sloupce pěny, který při tom vzniká; konstantní výška sloupce pěny indikuje okamžik, kdy je rychlost rozrušování pěny rovna rychlosti její tvorby
-
nepřímými metodami podle doby životnosti jednotlivých bublinek plynu na povrchu kapaliny - bublinka plynu vpuštěná do zkoumaného roztoku vzhůru zahnutou kapilárou vypluje na povrch a zde setrvá dokud nepraskne film, který ji dělí od atmosféry.
Příprava a zánik pěn
Pěny se připravují buď dispergováním plynu v kapalině za přítomnosti pěnidel, při čemž se velké bubliny plynu mechanicky rozbíjejí na malé bublinky (protřepáváním, promícháváním nebo šleháním, protlačováním plynu fritou do kapaliny - tímto postupem vznikají méně polydisperzní systémy); nebo kondenzačními metodami - z přesycené kapaliny heterogenní nukleací nebo chemickou reakcí (např. instantní šlehačka, pivní pěna).
Při mnoha technologických procesech je tvorba pěny nežádoucí. Při destilaci, při míchání roztoků nebo při transportu kapalin, v mikrobiologických výrobách apod. se někdy vytvářejí vydatné pěny, které znesnadňují průběh procesu a je třeba je uměle odstraňovat (viz
odpěňování).
Grafy souvislostí do úrovně:
I 
II 