Fö. 11. Bubblor, skum och ytfilmer. Kap. 8.

Transkript

1 Fö. 11. Bubblor, skum och ytfilmer Kap. 8. 1

2 Skum: dispersion av gasfas i vätskefas (eller i fast fas) 2γ P R P > P F W Sammansmältning av små till stora bubblor: Spontan process, ty totala ytarean minskar, men bubbelsammansmältning kan förhindras med hjälp av ytaktiva ämnen. För att ett skum ska bildas måste sådana skumbildare finnas (ex matvaror, tvål, flotation) Platta ytor vid F P P > P W Ytaktiva ämnen orsakar: 1) Repulsion mellan ytorna T.ex. elektrostatisk repulsion mellan joniserade eller polära huvudgrupper 2

3 Ytaktiva ämnen orsakar: 2) Ytelasticitet Hög ytelasticitet är nödvändigt för att skummet ska vara stabilt. När en skumlamell sträcks av t.ex. mekaniska vibrationer sänks surfaktantkoncentrationen i den sträckta delen. Detta ger en höjning av ytspänningen och en återställande kraft Diffusionen av ytaktivt ämne från bulk till ytan måste vara så långsam att den ökade ytspänning som orsakats av ytans sträckning inte omedelbart kompenseras. Diffusion på ytan ska däremot vara snabb. Ytaktiva ämnen med högt CMC ger inte stabila skum då dessa har hög koncentration av monomerer i lösningen Ytaktiva ämnen som inte bildar miceller ger inget skum (ex. etanol och vatten). 3

4 Fyra krafter verkar på ett skum Orsak Gravitation Tryckskillnad mellan lamell och plateau gräns (se s. 19) Tryckskillnad i bubblor av olika storlek Överlapp mellan elektriska dubbelskikt (beror av jonstyrkan, verkar över nm). Effekt Dränering till skumbas Dränering till plateau gräns Diffusion av gas från små till stora bubblor genom filmen Ökad skumstabilitet Ökad elektrolyt ger mindre repulsion Krökt yta vilket innebär att trycket är lägre här Dessutom påverkas stabiliteten av vätskans viskositet Exv kan partiklar såsom dispergerade proteiner öka viskositeten och förhindra dränering 4

5 Olika additiver kan agera som skumdämpare eller antiskumbildare. Skumdämpare tar bort existerande skum ntiskumbildare förhindrar att skum bildas Ex. etanol som sprayas på skum sänker ytspänningen och därmed ytelasticiteten. Ex. oktanoldroppar som sprayas på och sprider sig längs ytan. Underliggande vätska dras med och lamellen tunnas ut. (Det är inte bra att blanda oktanolen i vätskan då lamellära system kan bildas i gränsytan vilket ger mycket stabila skum) (I industriella processer är skum för det mesta inte önskvärt!) Förslag till mekanism för antiskumbildare: 5

6 Olösliga monolager av ytaktiva molekyler Låt t.ex. en droppe stearinsyra löst i ett organiskt lösningsmedel sprida sig på vattenytan. Lösningsmedlet avdunstar och kvar blir stearinsyran som ett monolager på ytan. Langmuirs ytvåg Det adsorberade skiktet sänker ytspänningen Kraften per längdenhet på bommen ges av skillnaden i ytspänning: dg γ S ds + γ W dw γ S l dx + γ W ( l dx ) F dg / dx F /l γw γs π 6

7 gasformigt vätskeliknande (expanderad) vätskeliknande kondenserad fast kollaps π nrt (då π 0) π nn kt πσ kt rea per molekyl 7

8 Ytterligare om olösliga monolager Tvärsnittsarean för en surfaktant kan alltså bestämmas (πσ kt) För en film i gastillstånd kan molmassan bestämmas: Om tillsatt volym känd och monolager så kan surfaktantens längd bestämmas (Rayleigh 1890, olivolja) Olösliga monolager kan minska vattenavdunstning från sjöar eller vattenreservoarer En proteinlösning kan spridas på en vattenyta. Ofta denaturerar proteinet innan det hinner lösas och ger ett monolager där hydrofila grupper riktats in i vattenfasen, hydrofoba mot luft. Metod för ytbeläggning med ordnade lager: π nrt π m π M g lim( π π 0 RT g RT ) RT M : n m [ m ] 2 m g 2 m : mol m : g 2 Langmuir Blodgett deposition 1 gång monolager 2 gånger bilager (membranliknande) 8