一 、 泡沫简介

泡沫是指气体分散在液体中的分散体系，气体是分散相，液体是分散介质。气泡被连续相的液体隔开来。泡沫有两种聚集态，（1）气体以小的球型均匀分散在较粘稠的液体中，气泡间的相互作用力弱，这种泡沫被称为稀泡，由于外观类似乳状液，有时甚至称这种稀泡为“气体乳状液。（2）浓泡。浓泡的泡沫是密集的，气泡间只被极薄的—层液膜所隔开，是结构为多面体气泡的堆积。浓泡才是真正的泡沫。

 泡沫的分类：泡沫的分类方法有以下三种： 1．按泡沫的寿命分类  可分为寿命为几秒的“短暂泡沫”和在无干扰条件下能维持几天不破的“持久性泡沫”。2.按起泡以及消泡之间的力平衡性质，可分为不断接近平衡状态（起泡以及消泡之间的力几乎相等）的“不稳定性泡沫”，和平衡过程受阻的稳定性泡沫3．按聚集状态可分为：液多气少的“气泡分散体”即稀泡，气多液少泡沫。

 泡沫产生的条件：1．气液接触 因为泡沫是气体在液体中的分散体系，所以只有当气体与液体连续充分地接触时，才有可能产生泡沫。这是泡沫产生的必要条件 ；2.消泡速度高于起泡速度。

泡沫的破坏机制：泡沫是气体分散在液体中的粗分散体系，体系存在着巨大的气—液界面，是热力学上的不稳定体系。造成泡沫破坏的主要原因是：

1.泡沫液膜的排液减薄：

（1）重力排液  气泡间的液膜，由于液相密度远大于气相的密度，因此在地心引力作用下就会产生向下的排液现象，使液膜减薄。

（2）表面张力  排液由于泡沫是由多面体气泡的堆积而成。

2.气泡内气体的扩散：

（1）小泡会通过液膜向大泡里排气，使小气泡变小以至于消失，大泡变大且会使液膜更加变薄，最后破裂。

（2）液面上的气泡也会因泡内压力比大气压大而通过液膜直接向大气排气，最后气泡破灭。 

  二 、 表面活性剂的起泡和稳泡作用

有SAA的水溶液形成泡沫的机理SAA会以疏水的碳氢链伸入气泡的气相中，而亲水的极性头伸入水中。此时形成的是由表面活性吸附在气—水界面上形成单分子膜产生的气泡，当气泡上升露出水面与空气接触时，表面活性剂就吸附在液面两侧形成双分子膜。这种带有表面活性剂的双分子层水膜厚度具有光的波长等级(数百纳米）

表面活性剂的起泡能力：泡沫的产生是将气体分散于液体中形成气--液的粗分散体，在泡沫形成的过程中，气—液界面会急剧地增加，因此体系的能量增加，这就需要在泡沫形成的过程中，外界对体系作功。

表面活性剂的稳泡能力：SAA的稳泡能力是指在表面活性剂水溶液产生泡沫之后，SAA使泡沫持久不灭，或增加泡沫“寿命”的能力。这与SAA在液膜的性质有密切的关系。

    影响表面活性剂稳泡能力的因素：

    1．界面张力：低表面张力有利于泡沫的形成，同时也有利于泡沫的稳定，因为当形成多面体的泡沫时，会产生表面张力排液的作用。若液膜的表面张力低，在Plateu边界和平面膜间的压差就会小，液膜排液减薄的速度就慢，此时低表张力才有利于泡沫的稳定。但是，表面张力的大小并非决定因素。

    2．界面膜的性质：界面液膜能否保持恒定要得到稳定的关键，影响界面膜性质的关键因素是液膜的表面粘度与弹性表面粘度。表面粘度是指液体表面分子层内的粘度。表面活性不高的蛋白质和明胶能形成稳定的泡沫是因为它们的水溶液有很高的表面粘度。

    3．表面活性剂的自修复作用：表面活性剂的浓度对其自修复作用有一定的影响：

   （1）若表面活性剂的浓度太高，液膜变形区表面活性剂的补充往往是从垂直方向补充，于是液膜变形区表面活性剂的浓度可以恢复，但液膜的厚度却无法恢复。这样的液膜机械强度差，这就是表面活性剂的浓溶液为什么泡沫稳定性差的原因。

（2）表面活性剂的浓度太稀，则液膜表面的表面活性剂浓度低，当液膜变形伸长时液膜表面的表面活性剂浓度变化不大，表面张力降也不大 

4．表面电荷：若泡沫液膜的表面上带有同种电荷，当液膜受到挤压，气流冲击或重力排液使液膜变薄，当液膜薄到一定程度大约为lOOnm时，就会产生静电斥力作用阻止液膜排液继续减薄，延缓液膜变薄的过程使泡沫稳定。

5．泡内气体的扩散：气体的扩散有两个途径，小泡内气体向大泡扩散及表面泡内气体向大气排气。 事实证明，泡沫的排气性与液膜的粘度有关，液膜的表面粘度高，气体的相对透过率就低，气泡的排气速度慢，泡沫就稳定。SAA吸附于泡沫的液膜上形成紧密排列的双分子吸附膜使液膜的表面粘度升高，特别是加入助泡剂后使液膜的透气性明显降低，阻止了泡沫气泡的排气。具有良好的稳泡作用。

 三 、 起泡剂与稳泡剂

    起泡剂：起泡性能好的物质称为起泡剂。具有低表面张力的阴离子表面活性剂一般都具有良好的起泡性，但生成的泡沫不一定有持久性。起泡剂大约有以下几种：羧酸类、硫酸盐类、磺酸盐磺化、琥珀酸盐。

    稳泡剂：能稳定泡沫的物质称为稳泡剂。

    1．天然产物：明胶和皂素等。明胶是一种从动物的皮骨中提取的蛋白质，富含氨基酸。皂素的上要成分是糖苷含有多羟基、醛基等。它们能在泡沫的液膜表面形成这是因为明胶和皂素的分子间不仅存在范德华引力而且分子中还含有羧基，氨基和羟基等。这些基团都有生成氢键的能力高粘度高弹性的表面膜，因此有很好的稳泡作用，使表面膜的粘度和弹性得到提高，从而增强了表面膜的机械强度，起到了稳定泡沫的作用。

    2．高分子化合物:高分子化合物如聚乙烯醇、甲基纤维素，及淀粉改性产物，羟丙基、羟乙基淀粉等，它们具有良好的水溶性，不仅能提高液相粘度阻止液膜排液，同时还能形成弹性高的膜。因此有较好的稳泡作用。

3．合成表面活性剂:合成表面活性剂作为稳泡剂一般是非离子型表面活性剂，其分子结构中往往含有各类氨基、酰氨基、羟基、羧基、羰基酯基和醚基等具有生成氢键条件的基团。用以提高液膜的粘度，增加稳泡力(1)脂肪酸乙醇酰胺(2)脂肪酸二乙醇胺(3)聚氧乙烯脂肪酰醇胺( 4)氧化烷基二甲基胺 (5)烷基葡萄糖苷。

四 、 消泡机理

一般来说，泡沫的消除大致有两种方法，物理法和化学法。物理法：高压、静电、加热等方法，化学法是用消泡剂消泡。消泡剂大多数属于表面活性剂类型。

消泡机理：

1.消泡剂使泡沫液膜局部表面张力降低而消泡：消泡剂微滴的表面张力要比泡沫液膜的表面张力低。这样，当消泡剂加入到泡沫体系中后，消泡剂微滴与泡沫液膜接触，可使此处泡沫液膜的表面张力减低，而此处周围液膜的表面张力未变化。表面张力降低的部分，被强烈地向四周牵引、延展，最后破裂使泡沫破灭消泡剂浸入气泡液膜扩展，顶替了原来液膜表面上的起泡和稳泡剂，使其此处的表面张力降低，而存在着稳泡剂的别处液膜表面的表面张力高，将产生拉力，从而使低表面张力的C处液膜被拉长而变薄，最后破裂使气泡破灭D处。

2．消泡剂破坏膜弹性使液膜失去自修作用而消泡：在泡沫体系中加入表面张力极低的消泡剂如聚氧乙烯聚硅氧烷消泡剂。此消泡剂进入泡沫液膜后，会使此处液膜的表面张力降至极低。当此处的液膜受到外界的扰动或冲击拉长，液膜面积A会增加，但是由于消泡剂本身的表面张力太低， 无法使具有较高值而使膜失去弹性，失去自修复作用而破坏。

3．消泡剂降低液膜粘度使泡沫寿命缩短而消泡：若用不能产生氢键的消泡剂将能产生氢键的稳泡剂从液膜表面取代下来，就会降低液膜的表面粘度，使泡沫液膜的排液速度和气体扩散速度加快减少泡沫的寿命而消泡。

4．固体颗粒消泡作用机理：固体颗粒作为消泡剂首要条件是固体颗粒必须是疏水性的。当疏水二氧化硅颗粒加入泡沫体系后，其表面与起泡剂和稳泡剂疏水链吸附，而亲水基伸入液膜的，这样二氧化硅的表面由原来的疏水表面变为了亲水表面，于是亲水的二氧化硅颗粒带着这些表面活性剂一起从液膜的表面进入了液膜的水相中。使液膜表面的表面活性剂浓度减低，从而全面的增加了泡沫的不稳定性因素，大幅地缩短了泡沫的“寿命而导致泡沫的破坏。

五、消泡剂

天然产物及其改性产物：

1．天然油脂：天然油脂主要成分是高级脂肪酸及其酯，高级醇及其酯，它们在不同的条件下都可用作消泡剂。主要包括各种动植物油。植物油类如：棉子油、蓖麻油、油酸、椰子油、妥尔油及啤酒花油等。各种动物油如，猪油和牛羊油。此外，还有各种动植物蜡如：棕榈蜡、蜂蜡和鲸蜡等。

 2．改性产物:为了改进天然油脂在水中的分散性，可将不溶水的高级脂肪酸、高级脂肪酸酯等于煤油等矿物油中，配制成饱和溶液用作水体系的消泡剂。另—种方法是配制成O／W型的乳状液来使用，例如，先将硬脂酸和各种甘油的酯先溶于矿物油中然后采用O／W型乳化剂配制成O／W型乳剂再使用，还可以将硬脂酸制成各种盐如：铝、钡、钙和锌等油溶盐，再将它们溶于石蜡油中作消泡剂使用。                   合成表面活性：                                        

1. 脂肪酸酯型：(1)二元醇作起始剂(2)丙三醇作起始剂。

2．聚醚型聚醚型消泡剂的特点(1)在水中的溶解度具有逆温性，在低温溶于水，当温度升高，直到“浊点”时，基本上不溶于水中而以小油滴形式存在干水中；(2)浊点时有很低的表面张力。同时由于此时的分子结构为锯齿状，当吸附在液膜表面时不能形成紧密的表面膜。             3.有机硅型：(1)有机硅消泡剂的特性：表面张力低；溶解度低且活性高在水中和油中的溶解度均很差，吸附状态有利于低的表面张力和高活性； 挥发性低并具化学惰性；无生理毒性：可用于食品、制药及医疗。(2)有机硅消泡剂的类型 ：用于水体系的有机硅消泡剂；用于油体系的有机硅消泡剂。

 4．聚醚聚硅氧烷型：聚硅氧烷难溶于水的性质，妨碍了它在水体系起泡液中的分散。它的油溶性，又降低了在油体系中的消泡效力，解决此间题的最佳途径是通过嵌段共聚或接枝共聚向聚硅氧烷链上引入聚醚链段，使聚硅氧烷增加亲水性，使其具有自乳性，聚硅氧烷聚醚型消泡剂的特性：消泡效力强逆溶解性自乳性稳定性生理无毒性。

 5．固体颗粒型消泡剂：固体颗粒型消泡剂在水中为固液悬浮体，适用于水体系。这种类型的固体消泡剂特别适用于需要迅速消除泡沫或只需在短时期内控制泡沫的场合。关键是固体颗粒表面必须是疏水的，亲水不行。可采用六甲基二硅醚及二氯二甲基硅烷等对白炭黑进行疏水处理方可作为消泡剂。

六 、 影响消泡剂效力的因素

消泡剂的溶解度： 根据罗斯假说：在溶液中溶解状态的溶质是稳泡剂；不溶解状态的物质当浸入系数和扩展系数均为正值时才是消泡剂。只有当表面活性剂处于过饱和、不溶解状态，以微粒形式聚集在泡膜上，才起消泡作用。

加溶:越容易被加溶，消泡效果越差，因此选用非极性基的化学结构不同于起泡剂的消泡剂，可在较低用量下取得较好的消泡效果。

表面电荷:由于消泡剂与气泡带有同种电荷在相互靠近时会产生电斥力阻止消泡剂与气泡接触。而降低了消泡剂的消泡效率。所以，应尽量采用难以吸附的离子型起泡剂的的消泡剂。

起泡液的性质:大多数消泡剂在不同的起泡液中其扩展系数和消泡效力均有较大差异，特别是高效消泡剂聚二甲基硅氧烷，居然在烷基苯硝酸盐水溶液中无消泡作用。

消泡剂本身的性质:1.反复使用的性能； 2.防止并聚减少分散度的能力。

七、泡沫及消泡的应用

泡沫灭火剂：泡沫灭火剂的主要作用是起泡和灭火。氟类和硅酮类表面活性剂是代表性的灭火剂。由于泡沫中含有一定量的水分可起冷却作用且在燃料的表面上覆盖一层泡沫层而使可燃气体与氧隔绝而起到灭火的目的。实际使用的泡沫灭火器，常用硫酸铝来代替盐酸（或硫酸），用碳酸氢钠来代替碳酸钠，为了产生泡沫，常加入甘草或皂角等作原料制取的液体。把泡沫灭火器倒转时，两种药液相互混合，大量的二氧化碳跟发泡剂形成泡沫，从喷嘴中喷射出来，覆盖在燃烧物上，使燃烧物隔绝空气和降低温度，达到灭火的目的。但是，因为泡沫中含有水分，不宜用于扑救遇水发生燃烧或爆炸的物质；对于电器火灾，要在切断电源后才能使用泡沫灭火器。1．蛋白质泡沫灭火剂：这种灭火剂主要是以天然蛋白质作为起泡剂。用于大型油罐贮存场固定泡沫灭火所使用的泡沫灭火剂其蛋白质主要来源于牛马的蹄、角等粉末的水解产物，它是一种分子量为5000～20000的高起泡性 的多肽。其活性组分是由角朊中所含大量半胱氨酸键(－S－S－)生成能与铁结合的巯(SH)。这种肽和铁(Ⅱ)的化合物是消灭石油类火灾的有效成分。在高油温的水—油界面可以形成稳定的吸附膜起到隔绝空气的作用。2．合成表面活性剂灭火剂：主要用于家室、坑道、地下道和高层建筑的灭火之用用作起泡剂的表面活性剂有起泡力高的十二烷基三乙醇胺、十二烷基聚氧乙烯硫酸盐及硅酮等。特别是硅酮类是以聚氨基甲酸乙酯作为发泡剂，它是由聚甲基硅氧烷—聚氧乙烯共聚物经改进而得到的产物。是一类性能很好的泡沫灭火剂。3．含氟表面活性剂泡沫灭火剂：用作泡沫灭火剂的含氟表面活性剂的碳氟链主要有以下几种类型：－C8F17－和－C7F15－ ，含氟表面活性剂特别适用于消灭石油类火灾，因为它能使水的表面张力大幅度下降。全氟辛酸水溶液的表面张力在常温下为15～23mN·m－1，可使水在油上的铺展系数S>0而导致水在油上迅速铺展形成一层水膜，这不仅将油与空气隔绝而且还可阻止油的蒸发。例如，在汽油中只添加0.003％含氟表面活性剂泡沫灭火剂，进行通常的燃点试验，可以不燃的。这种泡沫剂由于有氟碳基，在化学上是相当稳定的，能长期保存。还可与粉末灭火剂或蛋白质灭火剂并用。                    

泡沫在原油开采中的应用

1.泡沫钻井液：大多数钻井使用泥浆，它有携带和悬浮钻屑、稳定井壁、冷却和冲洗钻头、清除井底岩屑等作用。对于钻进中低压油气层的地区，如采用常规水基泥浆钻井，会由于钻井液的密度过高，压力大容易产生将地层压漏，使大量钻井液流失的现象。这不仅给钻进带来很大困难而且还会严重损害油层。因此在钻进低压地层时采用具有低密度低压力的泡沫钻井液，泡沫的细小紧密结构所形成的粘滞性，使其具有良好的携带钻屑的能力，利于发现油层和保护油层，还能有效地防止钻井液漏失，显著提高钻井速度2.泡沫酸化压裂液(泡沫酸)：压裂酸化是在足以压开地层形成裂缝或张开地层原有裂缝的压力下，对地层挤酸的一种工艺，该工艺主要是在碳酸盐岩中进行，是较大面积地改造低渗透油气层的重要手段。泡沫用于油气井增产具有滤失率低，粘度适当，悬浮力强。用量少对地层伤害小，反排性好等优点。泡沫酸是用发泡剂使气体分散在酸溶液中，形成的气—液分散体系泡沫酸要求选择适当的发泡剂及稳泡剂，提高表面粘度，增加泡沫稳定性。与常规盐酸酸化比较，泡沫酸滤失量更低，携砂能力更高，可用于水敏性地层，高粘度的泡沫还是携带支撑剂的良好介质。泡沫酸施工后，井口压力低，能促使气体迅速膨胀并携带残液及砂粒返排。泡沫酸化压裂产生裂缝的能力较大，裂缝导流能力好，酸化半径大，适合于厚度大的碳酸盐岩油层，也适合于重复酸化的老井和水敏性地层。3．泡沫在气井排水中的应用：地层水和凝析油不断伴随天然气进入井筒，如果气体有足够的能量，它能把进入井筒的液体带到地面，在井底不产生积液。在天然气开采中后期，由于气量不足或产层的液体较多，气体不能把水和凝析油完全带到地面，在井底和井筒内产生积液，如不及时排出，则产生回压，同时使井壁附近产层的渗透性变坏，造成天然气产量急剧下降，有的甚至被水淹停产。为了延长气井开采寿命，提高天然气采收率，用泡沫排水是一种已实现的好方法。所谓泡沫排水，就是定期向气井内注入一定数量的起泡剂，内积液和起泡剂在天然气的搅拌下，生成大量泡沫，由于泡沫的密度低使原有的气—液两相空间分布和垂直流动状态发生了很大的变化，大大减轻了液体滑脱作用，增大了气流举液能力。在较低的气流速度下井底积液即可以泡沫的形态被携至地面，从而使井底回压降低，天然气产量增加。

消泡的应用：利用微生物生产抗生素、维生素等药品及酒类、酱油等食品生产过程中，必然会发生起泡现象，如利用空气搅拌的好气性发酵时，会产生大量泡沫并充满发酵槽。这些泡沫对微生物的培养过程造成不利影响，也阻碍了后续的菌体分离、浓缩、制品的分离等，因此应尽量防止发泡。发酵培养液中的泡沫，最简单的方法是机械法破泡。但是用这种方法消泡效果较差，只能消除已生成的泡沫。最好的消泡方法是防止泡沫发生，使用消泡剂即可达到此目的。对消泡剂的要求，除对培养液必须有抑泡和消泡的性能外，还要满足无化学反应、耐热性好，不降低微生物所需氧的溶解度，无臭、无毒，不妨碍微牛物生长等。发酵工业用消泡剂有： ①天然油脂用于发酵工业的天然油脂有大豆油、玉米油、橄揽油、亚麻仁油、蓖麻油、猪油等，这些油脂为传统使用的消泡剂，其消泡能力一般。②高级脂肪醇在用发酵法生产维生素、抗菌素中使用的消泡剂有戊酐、辛醇、十二醇、十六醇、十八醇等。养液消泡力也不够理想。③.硅树脂 用作消泡剂的硅树脂二氧化硅，二甲基聚硅氧烷等。主要用作味精、酿酒、酱油等。