在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于通氣或攪拌操作常會(huì)使溶液中產(chǎn)生泡沫，如發(fā)酵、精餾等過程。泡沫的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的處理能力和處理速度下降，泡沫從容器中溢出更會(huì)導(dǎo)致有用底物的流失，甚至造成環(huán)境污染，所以在這些過程中消泡是必不可少的操作單元。要想研究一種合適的消泡方法，首先要了解泡沫的形成及性質(zhì)，從影響泡沫穩(wěn)定性的因素入手開發(fā)新的消泡方法。

1.2.1  泡沫的形成

向含有表面活性劑的溶液中通氣，首先在液體中形成球形氣泡，表面活性分子吸附在氣液界面上，形成親油端指向氣相親水端指向液相的單分子層。然后氣泡在浮力的作用下上浮，當(dāng)浮出液面時(shí)氣泡液膜外層上會(huì)形成與內(nèi)膜表面活性分子朝向相反的單分子層，從而使氣泡表面包圍著一層穩(wěn)定的雙分子層液膜，如圖 1.1 所示。大量氣泡聚集在液面以上就形成了泡沫相。

穩(wěn)定泡沫形成的兩種必要組成物質(zhì)：氣體以及含有表面活性物質(zhì)的溶液。水分子之間的作用力主要是范德華力，分子間作用力較小，界面張力較高，因此當(dāng)向水中通氣時(shí)無法形成穩(wěn)定的泡沫。當(dāng)溶液中含有表面活性物質(zhì)時(shí)，表面活性分子吸附在氣液界面上彼此間除了范德華力還有疏水作用，分子間作用力較大，界面張力降低，界面能也相應(yīng)的降低，所以形成的泡沫較為穩(wěn)定。

1.2.2  泡沫的結(jié)構(gòu)

泡沫由氣液兩相組成的一種分散系統(tǒng)，其中液相為連續(xù)相，氣相為分散相。當(dāng)泡沫中的液體含量比較高時(shí)，氣泡呈現(xiàn)球形且彼此并不接觸。當(dāng)泡沫中的液體含量比較低時(shí)，氣泡間的液膜變薄，氣泡為保持壓力的平衡而變形成多面體。泡沫的重要組成元件如下：

(1)  液膜，隔開兩個(gè)氣液界面的液體薄層，厚度通常小于1μm。

(2)  普朗特邊界，多面體泡沫為保持力學(xué)上的穩(wěn)定，總是按照三個(gè)氣泡相交互成120 度角這種最穩(wěn)定的形式存在，其交界稱為普朗特邊界層。普朗特邊界形成了一個(gè)通道網(wǎng)絡(luò)，它通常包含了泡沫中液體含量的 99%，幾乎所有的由重力或壓降所驅(qū)動(dòng)的液體流動(dòng)均發(fā)生在這些通道內(nèi)。

(3)  節(jié)點(diǎn)，由四個(gè)普朗特邊界交匯所形成的聯(lián)接點(diǎn)。穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)通常是四個(gè)普朗特邊界兩兩相交互成 109.6 度角所形成。與普朗特邊界一樣，它也是泡沫網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

對(duì)于泡沫中的氣泡的多面體結(jié)構(gòu)，目前還沒有統(tǒng)一的定論。部分研究者在研究泡沫排液的過程中將泡沫中的氣泡假定為十二面體，但是這種假設(shè)相對(duì)于實(shí)際的氣泡結(jié)構(gòu)的偏離程度較大。開爾文根據(jù)空間排布最優(yōu)的猜想提出了開爾文單元，認(rèn)為氣泡的形狀是被削去頂端的正八面體，包括 6 個(gè)正方形的面和 8 個(gè)六邊形的面，這也是研究者們普遍采用的一種泡沫模型。除了該假設(shè)以外，最接近真實(shí)泡沫結(jié)構(gòu)的假設(shè)是由 Weaire 和 Phelan 所提出的 WP 結(jié)構(gòu)。該假設(shè)認(rèn)為泡沫是由兩種氣泡組成的：一種為不規(guī)則的十二面體，每個(gè)面為五邊形，具有正四面體對(duì)稱的性質(zhì)；另一種為十四面體，擁有兩個(gè)六邊形和十二個(gè)五邊形的面。