高密度泥浆起泡机理及消泡技术.docx
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高密度泥浆起泡机理及消泡技术
1高密度泥浆起泡机理及消泡技术
1.1泡沫及消泡
1.1.1泡沫
泡沫是气体分散于液体中的分散体系。
其中,气体是分散相,液体是分散介质。
由于气体与液体的密度相差很大,因此,泡沫中的气泡会很快上升至液面,形成被一薄层液膜隔开的气泡聚集体,即通常所说的泡沫。
由于气泡的紧密堆积和气体极易变形,因此,作为分散相的气泡一般以多面体的形态而存在。
泡沫的形成是十分简单的:
它只需要向气流里注入一种活性剂,活性剂可以充分降低水的表面张力。
但是由于体系的表面自由能降低了,在钻井选择一种发泡剂时必须考虑其耐性。
所以泡沫短时间内倾向于破裂。
由于纯液体不能形成稳定的泡沫,能形成稳定泡沫的液体,至少必须有两个以上的组分。
因此,从广义上讲,能形成稳定泡沫的液体统称为泡沫剂,如表面活性剂水溶液是典型的易产生泡沫的体系。
除此之外,一些非水溶液也常产生稳定的泡沫。
在泡沫钻进过程中,不仅要求泡沫剂产生大量的泡沫,而且还要求其产生的泡沫必须能保持一定的时间,具有足够的稳定性。
泡沫的稳定性就是指泡沫存在“寿命”的长短、发泡剂在一定条件下具有良好的起泡能力,产生大量的泡沫,但泡沫存在的寿命有长有短。
由于气泡破裂之后,体系液体的总表面积大大减小,固体系能量降低,因此,就其本质而言,泡沫是热力学不稳定体系,泡沫破坏主要由于液膜排液变薄和泡内气体的扩散。
在钻探过程中,由于有大量的岩屑产生,再加上其它外界因素的干扰,因此,使发泡剂产生的泡沫会更加不稳定,为了满足钻探的要求,使生成的泡沫持久,常在发泡剂溶液中加入少量的稳泡剂。
另一方面,由于钻井液处理剂许多都是表面活性剂,因而在循环过程中容易发泡。
为了消除钻井液中的泡沫,以保证液柱压力能够平衡地层压力,防止井喷,通常需要加入一些消泡剂。
1.1.2发泡
水基钻井液在钻井实际应用中一直占据主导地位,由于水基钻井液组分较为复杂。
属于多相胶态体系。
其体系中即使不含有易发泡的物质,但由于其它各类添加剂的加入,体系中总要存在某种表面活性物质,水基钻井液的表面张力必然较纯水低。
因此在各种环境因素(如搅拌、流动等)的作用下,钻井液中总会有气泡生成,由于气体密度低,在液面上便形成分布大的球状气泡的聚集体—泡沫。
当钻井液中不含有易发泡物质时,这些泡沫极不稳定,极易消失。
但是若水基钻井液中某些添加剂(如木质素磺酸盐、石油磺酸盐等)含有易发泡的组分时,其憎水基伸向气泡内部气体,亲水基伸向气泡外流体,从而在气泡表面形成液膜,使泡沫稳定性增强。
这就是我们常常看到的钻井液的发泡现象。
1.1.3消泡
由于起泡体系和使用条件不同,所用的消泡剂亦不尽相同,为满足各种需要,应生产出品种多样、性质各异的消泡剂。
消泡剂在其物理及化学性质方面应符合以下条件:
1.消泡剂对起泡体系有高效的消泡作用,比起泡介质更低的表面张力,不溶于起泡介质,且不受起泡体系增容作用和降解作用的影响;
2.消泡剂对起泡体系是惰性的,不起化学反应,对最终产物无副作用,不影响产品性能和外观;
3.还要满足钻井过程特殊条件,如pH值和温度的要求;
4.消泡剂在使用时操作方便,易处理、自身有较好的贮存稳定性、长期存放不变质,对人、畜和自然环境安全。
1.2泡沫性质及稳定性影响因素
1.2.1泡沫质量参数
泡沫是不溶性(或微溶)气体分散于液体中形成的多相分散体系,其中液体是连续相(分散介质),气体是非连续相(分散相)。
因此,泡沫中的气泡会很快上升至液面,形成被一薄层液膜隔开的气泡聚集体,即通常所说的泡沫。
由于气泡的紧密堆积和气体极易变形,因此,作为分散相的气泡一般以多面体的形态而存在。
由于纯液体不能形成稳定的泡沫,能形成稳定泡沫的液体,至少必须有两个以上的组分。
因此,从广义上讲,能形成稳定泡沫的液体统称为泡沫剂,如表面活性剂水溶液是典型的易产生泡沫的体系。
除此之外,一些非水溶液也常产生稳定的泡沫。
泡沫具有很大的表面自由能,在破泡之后体系液体的总表面积大大减少,即能量降低,因而,它是一种热力学上的不稳定的体系,但在一定条件下,采取合适的措施,可以保持一定的稳定性。
为了表征这种混合体系中相的状态,最常用的两种方法是卡扎科夫法和米切尔法。
卡扎科夫采用泡沫倍数值Kr,即泡沫的体积Vr与液体体积Vl之比为:
Kr=Vr/Vl(5111)
当Kr<3.8时,这种混合体系被认为是液体中的气体乳化物,当Kr>3.8时为稳定泡沫。
泡沫的稳定性的流变性变化取决于泡沫质量参数。
泡沫质量参数即:
气体量/(气体+液体量),或气体体积与泡沫总体积之比。
用τ表示。
最佳泡沫质量参数为0.98-0.75,或含液量为2-25%。
泡沫质参参数在一口井的各个井段(井口与井底)是不相同的,这是因为不同位置时温度压力不同,气体体积是个变数。
所谓最佳泡沫质量参数范围,即在这个范围内真正形成钻探(井)作业时所需的稳定泡沫,此时,泡沫的结构特点最优越,粘度和动切力最佳,携带井下钻屑能力最好。
当气量大于此范围,易形成雾;当气量小于45%以后,在井底容易形成近似牛顿体的混合体,这两种情况下泡沫的结构差,整个泡沫在作业中的优越性变得不明显了,例如携带钻屑能力变得很差了。
图51 泡沫粘度随泡沫质量参数变化情况
图5-1、图5-2表示了不同泡沫质量参数情况下泡沫的结构状况和粘度,动切力的关系。
图52 泡沫屈服值随泡沫质量参数变化情况
Mitchell采用常温常压下的泡沫质量QF来描述,即泡沫中气体体积(Q)与泡沫总体积(F)之比(Q/F)。
把泡沫流体按泡沫质量参数的差异划分为四个区域:
第一区域的泡沫质量参数为Q/F=0-52%,称作泡沫分散区,此时气泡是球形的而且互相不接触,此时混合体系流型属于牛顿流型。
第二区域的泡沫质量参数从Q/F=52-74%,称作泡沫干挠区,气泡开始干挠与冲突,球体逐步聚结,粘度与动剪切力增加。
第三区域的泡沫质量参数为Q/F=74-96%,气体不再呈球形,而成平行六面体,此时流体属于宾汉流体或带屈值的假塑性流体,是典型的稳定泡沫区。
第四区为雾区。
1.2.2泡沫的产生及性质
1.泡沫的形成条件
泡沫形成的前提条件是必须有气体和液体发生相互接触。
而气体和液体的接触可通过三种途径达到:
一是直接向液体中通入外来气体;二是利用气井内气流的搅动;三是钻井液中的添加剂在一定条件下发生反应产生不溶气体。
对肥皂水搅拌或吹气可以产生泡沫。
仔细观察可以发现,泡沫是由许多气泡被液体分隔开的体系。
表面看来泡沫与乳状液都是由液膜隔开的,但本质上有很大的差别。
乳状液是一种液体被另一种不相混溶的液体分隔开来,而泡沫则是气体分散在液体中的分散体系,气体是分散相(不连续相),液体是分散介质(连续相)。
由于气体和液体密度相差很大,故在液体中的气泡总是很快上升至液面,形成以少量液体构成的液膜分隔的气泡聚集物,即通常所说的泡沫。
一般来说,泡沫中气体含量较低时,以小球型均匀分散,气体含量较高时,呈多面体结构。
在钻探(井)作业中的泡沫是气体含量高的泡沫,称作浓泡沫或干泡沫。
纯液体是很难形成稳定的泡沫的。
钻井液发泡并稳定,这是由于加入表面活性剂或高分子聚合物,这些对泡沫起稳定作用的物质称为稳泡剂,最常用的稳泡剂仍然是表面活性剂,现简要介绍如下。
1)表面活性剂类:
这是常见的发泡剂。
例如十二烷基苯磺酸钠,十二醉硫酸钠以及肥皂等,都具有良好的发泡能力。
这些活性剂的溶液表面张力很容易达到25mNm-1左右,这样低的表面张力无疑是具有良好起泡作用的主要因素之一,同时这类分子在液膜上下两侧的气液界面作定向排列,伸向气相的碳氢链段之间的相互吸引,使活性剂分子形成相当坚固的膜,同时伸向液相的极性基团由于水化作用,具有阻止液体流失的能力。
这些性质对泡沫稳定性起着重要的作用。
2)蛋白质类:
例如蛋白质、明胶等对泡沫也有良好的稳定作用。
这类物质虽然对降低表面张力的能力有限,但是它可以形成具有一定强度的薄膜,这是因为蛋白质分子间除了范德华引力外,分子中的竣酸基与胺基之间有形成氢键的能力。
所以蛋白质生成的薄膜十分牢固,形成的泡沫也相当稳定。
但这类发泡剂易受溶液pH值的影响,并有老化现象。
3)固体粉末类:
像炭沫矿粉、粘土等固体粉沫常常聚集于气泡表面,也可以形成稳定泡沫。
这是因为在气-液界面上的固体粉末,成了防止气泡相互合并的屏障。
同时吸附在液膜上的固体粉末,形状各异,杂乱堆集,这就增加了液膜中液体流动阻力,也有利于泡沫的稳定。
4)其它类型:
一些高聚物,例如聚乙烯醇、甲基纤维素以及皂素等。
综上所述,各类发泡剂的一个共同特点是,必须在气-液界面上形成坚固的膜。
除了使用以上的稳泡剂外,为了使泡沫具有一定持久性,往往再加入一些辅助泡沫稳定的表面活性助剂,常用的这类助剂有尼纳尔(月桂酰二乙醇胺等)。
2.泡沫液膜的性质
泡沫液膜的性质是决定泡沫各种性质的主要依据。
若在肥皂水的表面,在垂直方向上小心的拉起一个液膜,为了避免液膜的蒸发,假定是在饱和蒸汽压下进行的。
起初液膜还相当厚,在地心引力作用下,液膜中的液体向下流动,液膜变得越来越薄,当膜的厚度达到几个微米时,即使粘度不大的液体,膜的中间层的流动变得十分缓慢,最终液层停止流失,这种膜就是形成泡沫的骨架。
泡沫中液膜的液体流失,是由地心引力和气泡相互挤压的结果。
气泡的挤压力来源于液体分子间相互吸引(即范德华力)和曲面压力的影响,在泡沫中气相压力是均等的,但液膜中有界面的曲率,在平面状液体内的压力大于弯曲面内的液体压力,如图5-3表示有三个气泡的液膜分界平面示意图,B部分压力比A部分来得高,所以B部分液体总是向A部分流动,使液膜不断变薄,由于阻力存在,膜达到一定厚度后就暂时平衡了。
从曲面压力来看,要成稳定泡沫,膜之间夹角应当是120°最稳定,因为那时图5-3中的A,B间压力差最小.这个夹边称作plateau边界。
所以在多边泡沫结构中,大多数是六边形结构,就是因为这个角度最稳定。
图53Platcau边界 图54泡沫液膜
上述对液膜性质的讨论,必须有发泡剂存在,否则是成不了膜的。
因为膜与气体的接触面很大,液体容易挥发,有了作为发泡剂的表面活性剂就要发生表面活性剂在界面上的吸附,由于气泡沫有内外两个气-液界面,膜上就形成活性剂的双吸附层(如图5-4),这种双吸附层对膜至少有以下几个作用。
1.由于吸附层的扭盖,膜中液体不易挥发。
2.活性剂亲水基团对水的吸引,使液膜水的粘度增大,不易从吸附层中流失,使液膜保持一定厚度.稳定剂还可增加液体粘度。
3.活性剂分子亲油基团之间相互吸引会增高吸附层的强度。
或混合发泡剂加强吸附层强度。
4.对于离子型活性剂,亲水基团在水中电离,活性剂离子端带有相同电荷的相互排斥,阻碍着液膜变薄。
上述诸因素都有利于阻碍液膜变薄,使得泡沫稳定。
3.泡沫的性质
泡沫是气体分散在液体中的分散体系。
其中液体所占体积分数很小,泡沫占很大的体积,气体被连续的液膜分隔开,形成大小不等的气泡,具有很大的气液表面。
泡沫中的气泡不是球形的,而是呈多面体形。
在多面体顶角的液膜交界处,液膜是弯曲的。
弯曲液面压力差的Laplace公式为:
(5211)
式中,
-为弯曲表面的附加压力;
-为液体的表面张力;
R-为液体的曲率半径。
这种压力差的存在,加速了气泡间平液膜向边界处的排液作用,使液膜变得更薄,当液膜厚度低于临界值时,液膜破裂。
可见,泡沫是一个不稳定的体系。
但是,溶液中通常具有表面活性物质或起泡物质,使体系的不稳定程度减弱。
另外,液膜受力形变或局部表面扩张的瞬间,可修复因受力而变薄的液膜,称为Marangoni效应,该修复能力常用Gibbs弹性模量E表示:
(5311)
式中,
-为起泡液体表面张力的变化;
dlnA为液膜面积自然对数的变化。
该式表明,E值较高,膜的修复能力越强。
其次,体系中起泡物质使液膜的表面粘度和液体粘度提高,减缓排液速度。
并且若起泡剂分子带电荷,液膜会形成两个带同号电荷的表面,阻止液膜讲一步变薄,使液膜保持一定的厚度。
1.2.3泡沫稳定性理论
泡沫的起泡能力和泡沫的稳定性是两个不同的概念,起泡能力是指液体在外界条件作用下生成泡沫的难易程度,表面张力越低越有利于起泡,通常加入表面活性剂,即可达到此目的。
泡沫的稳定性是指泡沫生成后的持久性,即泡沫的“寿命”长短,泡沫寿命的长短关键取决于两条,一是液膜的性质,能否保持一定强度,能否保持较缓慢的排液速度,能否对抗外界各种影响而保持不变;二是气体透过液膜的扩散,气泡合并,使泡沫破坏。
泡沫中,气相是分散相、液相是分散介质。
就其本质而言,泡沫是一种热力学上的不稳定体系,它的不稳定形式由于泡沫之后,体系的液体的总表面积大为减少,因而自由能降低之故。
泡沫的稳定性则是指泡沫存在“寿命”长短。
导致泡沫破坏的过程有两个:
泡沫中液体的析出和气体穿透液膜扩散。
1.泡沫中液体的析出(气泡流动影响因素)
泡沫从液体的析出是气泡相互挤压和重力作用的结果。
气泡的挤压主要来源于曲面压力。
泡沫中各个气泡相交处(一般是三个气泡相交)形成所谓Plateau边界(如图5-3)。
根据Laplace公式,可以导出
(5411)
式中:
PA-为A处的液膜压力,
PB-为B处的液膜压力,
σ-为表面张力,
R-为三个气泡的气泡半径。
液膜中A处的压力小于B处的压力。
于是,液体会自动地从B处流至A处,结果是液膜逐渐变薄。
另一种排液过程是液体因重力而下降,使膜逐渐变薄。
这种情况仅在液膜较厚时才比较显著。
液膜变薄至一定程度,则导致液膜破裂。
1)Gibbs-Marangoni效应
让一气泡沿一定方向运动,如图5-5所示。
气泡前端变薄,半径较后端半径变小。
液膜发生变形,气泡撞击部分变薄,其余部分保持于滑,液膜变薄部分的压力小于平滑液膜部分,即P1>P2,在气泡撞击部分就会发生变形,薄膜中会产生液体自动流散,造成气泡前端薄膜进一步减薄,这时会发生“修复”作用,这种效应即Gibbs-Marangoni效应。
若液膜厚度继续变薄,以至于大大小于膜的平衡厚度,则导致膜的破裂。
2)物质传输效应-扩散效应
设泡沫中的两个气泡相接近,当RA
这种效应的结果使大气泡越来越大,小气泡越来越小,最终形成泡沫破裂。
图55 气泡沿一定方向运动 图56 气扩散效应
3)影响因素
不少作者分析,在泡沫形成的早期,重力效应是引起薄膜排液的主要因素,而在晚期,气泡本身和几个气泡相交处的压力差别引起的薄膜排液较重要,此外如微波、外加剂等使泡沫的物理化学性质发生变化时,却能造成泡沫的破裂。
1981年Patton在实验室考察了泡沫破坏原因,认为泡沫破坏的因素有:
活性剂类型、温度影响、酸碱度的影响。
一般认为:
①阴离子表面活性剂气泡是比较稳定的;②水的硬度对气泡稳定有影响;③泡沫在高温状态不太稳定;④地层润湿性对泡沫稳定性有影响。
一般油润湿表面气泡不易稳定,水润湿表面气泡比较稳定。
2.气液物质传输理论
1)双层膜理论
该理论认为,气泡外的薄膜可分为两层(如图5-7所示),分别叫做气体膜(气膜)、液体膜(液膜)。
气液界面压力称PAi,界面浓度称CAi。
气体要由气相穿过气体膜,进入液体膜,透过液体膜向外扩散。
扩散的原因有两种,一种认为气体压力高,气体必然要向外扩散。
另外一种观点从化学角度出发,认为在气相中气体浓度高,在气相和液相间存在一个浓度差,从而引起扩散。
通过质量传输率的计算,结论是对于气体溶解度比较低,阻碍气体扩散的主要障碍是液膜。
图57 气泡外薄膜示意图 图58 气体溶解度与分压的关系
[理论论证]
亨利定律表示气体在液体中溶解度与分压成正比的关系,如图5-8,即
PA=H·CA(5511)
式中:
H-亨利常数,atm
CA-浓度差,mole/m3
Na-物质传输速度,mole/m3·sec
Na=传输系数(Kg或KL)×浓度差(C1-C2)
NA=Kg(PAg-PAi)
=KL(CAi-CAL)
=Kg(PAg-PAL)
=KL(CAg-CAL)
式中:
Kg-物质传输系数(气体阻力),cm/sec
KL-物质传输系数(液体阻力),cm/sec
NA/Kg=(PAg-PAL)
=(PAg-PAi)+(CAi-CAL)
=NA/kg+H(CAi-CAL)
将亨利常数代入上式,最后得:
(5611)
同理求得:
(5711)
传输系数的倒数表示对气体扩散的阻力,上式表明总阻力等于气膜中阻力和液膜中的阻力。
根据气体溶解度来分析,气体传输过程所受阻力来自那一层。
若气体溶解度很高,则亨利常数很小,于是H/KL≈0,1/Kg≈1/kL,说明阻力主要在气膜里。
反之,若气体溶解度很小,则亨利常数大1/HKg≈0,1/KL≈1/kL,物质传输阻力主要在液膜部分。
例如氮气在常温下溶解度为0.O15mol/ml水,溶解度低,所以对N2气体在泡沫中扩散阻力主要是液膜。
2)液膜中传输理论
有关理论都是集中于来计算物质传输系数KL,各种理论用Fick定理I及Fick定理II中的扩散系数(D)的计算方法介绍如下:
(1)液膜理论
该理论认为,物质在液膜中传输不受时间的影响,而是处于稳定状态。
物质传输系数KL按下式计算:
KL=D/L(5811)
式中:
D-物质传输扩散系数,cm2/sec;
L-液膜的厚度,cm。
(2)渗透理论
渗透理论认为物质在薄膜中的传输是不稳定的,KL按下式计算:
(5911)
式中:
tO—气体与膜接触的时间,sec;
实验数据得出KL=Dn,n为0.3-l。
(3)表面再生理论
再生理论把液膜看成量个区域,液体中的微小单元进入该区域与气体单元相接触,并滞留一段时间,在一定时间里,不断地有液体单元进入这个区域,它的计算式为:
(51011)
式中:
S-为表面再生率,sec-1。
(4)液膜-渗透理论
这一理论是把液膜理论和渗透理论相结合,它认为开始传输时,物质的传输速度很快而且不稳定,但时间足够长的时候,传输速度降下来逐渐变成稳定状态。
计算式为:
KL=Dn n=0-1(51111)
物质传输运动速度,NA=S×KL(CAi-CAL),而KL∝f(D),D∝f(T),所以当温度上升时,扩散系数D变大,传输系KL亦增大,从而扩散速度变大。
CAi反映气体在液体中的溶解度,而CAi∝f(P),当压力增大时,扩散速度增大。
因此,当气体溶解度越大,温度、压力越高,物质的扩散速度越大。
气体通过液膜的扩散或气体透过性除了前面介绍的一些理论或计算公式外,通常还利用液面上气泡半径随时间变化的速度来衡量液膜的透气性。
气泡大小与时间t的关系式为:
R2=R20-3kσt/P(51211)
式中:
R0-t=0时的气泡半径;
P-大气压力,atm。
以R2对t作图可得一条直线,其斜率为-3kσt/P,由此可求出透过性常数K。
表5-1,表5-2列出了几种体系的透过性常数值。
表51月桂醇对十二烷基硫酸钠溶液(0.%)气体透过性的影晌
月桂醇浓度(克/100毫升)
表面张力(达因/厘米)
透过性常数(厘米/秒)
0
42
1.3×10-2
0.00025
36
O.5×10-2
0.002
24
O.5×10-2
0.008
23
0.6×10-2
表52几种表面活性剂溶液(0.1%)的相对气体(空气)透过性
(以纯C12H25SO4Na为准)
表面活性剂
C12H25SO4Na
TritonX-100
C11H23COOK
C12H25SO4Na(含C12H25OH)
相对气体透过性
1
1.38
0.15
0.38
表5-1、表5-2的数据可以看出,气体透过性低者表面粘度高,泡沫稳定性也好,反之亦然。
这些事实说明,气体透过性与表面膜的紧密程度有关,表面吸附分子排列越紧密,则气体越难透过。
在十二烷基硫酸钠溶液中加入小量十二醇后,表面吸附分子中即含有大量十二醉分子,分子间引力加强,分子排列更紧密,气体透过性降低。
3)气体透过液膜扩散
无论用什么方法和原因产生泡沫,泡沫的大小总是不均匀的。
由于弯曲液面附加压力的作用,小泡内的气体压力总是高于大泡,因而气体自高压的小泡透过液膜,扩散到低压的大泡中去,造成小泡变小,直至消失,大泡变大,最终导致气泡破裂的现象。
此过程依赖于气体穿过液膜能力的大小(即液膜的透气性),通常可利用液面上气泡半径随时间变化的速率来衡量液膜的透气性。
DeVries曾详细研究了泡沫中气体的扩散过程,并发现,当小泡被大泡包围时,小泡半径的平方随时间的增长而线性地减少,气泡总数随时间平方倒数的增加而减少。
泡沫的这种不均化现象,与悬浮体的Ostwald陈化相似,且物质从较小体积向较大体积转移过程的驱动力是物质表面能的降低。
据此,Lemlich提出了气泡生长规律:
(51311)
式中ri为第i泡的半径,t为时间,r21为瞬时平均半径(ri大于r21的气泡会长大,ri小于r21的气泡将变小),K为适合于物质转移的各种参数的集合。
Ross等用上式计算结果与实测值相比差值很大,其主要原因是该式只考虑了气体的扩散,而未考虑液膜的排液。
气泡间的气体扩散,会导致泡沫总表面积降低,而泡沫总面积随时间的变化是泡沫稳定性的基本指标。
Ross等据此提出了封闭体系中的泡沫方程:
(51411)
式中A(t)为时间t时泡沫的面积,v为封闭体系的体积,P∞为泡沫完全破灭后体系的压力增量,Pt为时间t时泡沫外部空间的压力增加。
只要测出了不同时间的Pt,就可以计算出A(t)。
因此,不难得出相对界面面积
:
(51511)
和泡沫的寿命
:
(51611)
1983年,Monsalve和Schechter研究了上述结论,认为根据上述议程建立的测定方法,因不可能使每次的泡沫大小分布完全一致而重现性较差。
但是,不少研究者却认为,这种测定方法的误差不超过5%,完全满足实际测量的要求。
Monsalve等在实验的基础上提出了经验方程
(51711)
式中,
和
分别为泡沫衰变的重力排液松弛时间和气体扩散松弛时间,Kg和Kd分别为重力排液和气体扩散常数。
Gallaghan等用光电方法研究泡沫衰变的结果,也得到了与上式相似的方程。
这表明该经验式反映了泡沫衰变的基本规律。
1.2.4泡沫稳定性影响因素
泡沫的稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度,而这两方面又是由诸多因素决定的。
下面就从几个方面进行讨论。
1.溶液的表面张力
如上所述,泡沫生成时,随着液体表面积的增加,体系的能量也随着增加。
当泡沫破坏时,体系的能量也就相应下降。
但是,单纯的表面张力并不是影响泡沫稳定性的决定因素。
从能量观点考虑,低表面张力有利于泡沫的形成,即生成相同总表面积的泡沫,可以少作功,但不能保证泡沫有较好的稳定性。
只有当表面膜有一定强度、能形成多面体的泡沫时,低表面张力才有助于泡沫的稳定。
因为根据Laplace公式,液膜的Laplace交界处与平面膜之间的压差和表面张力成正比,表面张力低则压差小,因而排液速度较慢,液膜变薄较慢,有利于泡沫稳定。
生成泡沫时,随着液体表面积的增加,体系的能量也逐渐增加。
泡沫破坏时,体系的能量也相应下降。
因此,从能量观点来看,低表面张力对生成泡沫有利。
低表面张力对泡沫的稳定作用,可以通过表面张力对Plateau边界和Marangon
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