Métodos antiespumantes para el exceso de espuma causado por una mayor concentración de surfactante

Cuando el aire entra en fase líquida, apenas se disuelve en agua y se divide en innumerables pequeñas burbujas por la fuerza de corte externa, formando un sistema espumoso heterogéneo. La formación de espuma expande enormemente el área de contacto gas-líquido y aumenta la energía libre del sistema.

A medida que aumenta la concentración de surfactante, la tensión superficial del sistema cae bruscamente al principio y se nivela hasta un valor de equilibrio a medida que aumenta la concentración. Los experimentos de Milles y Shedlovsky demuestran que los puntos mínimos anormales en la curva de tensión superficial resultan principalmente de impurezas del sistema o interacciones entre diferentes tensioactivos, y dicho punto de inflexión se refiere a la concentración micelar crítica (CMC). Una vez que la concentración alcanza la CMC, abundantes moléculas de tensioactivo se disponen de forma compacta sobre la superficie del líquido para formar una película unimolecular densa y sin espacios, minimizando la tensión superficial general. Una tensión superficial más baja reduce el umbral de energía libre para la formación de espuma, lo que facilita mucho la formación de espuma.

En la producción industrial, los tensioactivos generalmente se dosifican por encima de la CMC para garantizar la estabilidad de almacenamiento a largo plazo de las emulsiones. A pesar de mejorar la estabilidad de la emulsión, el exceso de tensioactivos trae consigo desventajas obvias: además de reducir la tensión superficial, el exceso de tensioactivos envuelve el aire atrapado dentro de las emulsiones para formar películas líquidas resistentes y construye una capa bimolecular en la superficie del líquido, lo que aumenta significativamente la dificultad de descomposición de la espuma.

La espuma es un agregado de numerosas burbujas, siendo el gas la fase dispersa y el líquido la fase continua. El gas dentro de las burbujas puede difundirse a través de burbujas adyacentes o escapar al aire ambiente, lo que eventualmente conduce a la coalescencia y ruptura de las burbujas.

El agua pura o las soluciones de tensioactivos de un solo componente presentan composiciones homogéneas. Las películas líquidas formadas carecen de elasticidad, por lo que la espuma resultante es inestable y colapsa espontáneamente. Las teorías termodinámicas sostienen que las espumas generadas a partir de líquidos puros son temporales y se descomponen mediante el drenaje del líquido de las paredes de la película.

Los recubrimientos a base de agua contienen agua, emulsionantes poliméricos y diversos aditivos tensioactivos, incluidos dispersantes, agentes humectantes y espesantes. Estas sustancias activas coexistentes provocan fácilmente la formación de espuma y estabilizan la espuma existente.

1. Después de la formación de espuma, la atracción intermolecular hace que los tensioactivos se adsorban en las películas de burbujas. Los grupos hidrófilos se extienden hacia la emulsión externa, mientras que los grupos hidrófobos apuntan hacia el aire dentro de las burbujas. La disposición molecular regular en la interfaz gas-líquido produce películas elásticas que resisten la ruptura. La gravedad induce el drenaje del líquido hacia la película de burbujas y el adelgazamiento parcial de la película. Dos mecanismos de autorreparación previenen el colapso de la película: la contracción elástica de Gibbs ocurre cuando el área expandida de la película aumenta la tensión superficial local y genera gradientes de tensión para encoger la película; El efecto Marangoni permite que las moléculas de surfactante adsorbidas migren de áreas de baja tensión a zonas de alta tensión para lograr una tensión superficial uniforme. Conjuntamente, los dos efectos mantienen la espuma estable.

2. Los emulsionantes iónicos transportan cargas estáticas en las películas de burbujas. La repulsión electrostática entre burbujas con carga idéntica evita que las burbujas pequeñas se fusionen con otras más grandes, lo que dificulta la desespumante natural y la estabilización de la espuma.

3. Los emulsionantes de cadena larga crean una fuerte atracción intermolecular entre las cadenas moleculares, otorgando a las películas de burbujas una excelente elasticidad y resistencia mecánica para resistir el agrietamiento y retardar la eliminación de la espuma.

4. Se añaden agentes espesantes para aumentar la viscosidad de los recubrimientos a base de agua. Una mayor viscosidad impide el flujo de líquido entre las burbujas, retarda el adelgazamiento de la película y detiene su ruptura, lo que estabiliza la espuma y complica la eliminación de la espuma.