Bubliny, kapky, částice a surfaktanty

Bubliny, kapky a pevné částice jsou součástí řady průmyslových technologií. Příkladem jsou procesy, ve kterých interagují bubliny mezi sebou (např. aerace, fermentace), nebo procesy, v nichž interagují bubliny s částicemi v kapalném prostředí (např. flotace, zpracování odpadních vod). Tyto vícefázové systémy jsou ze své podstaty velice komplexní a jejich popis je značně komplikovaný.

Stupeň komplexity celého systému se ještě zvýší, pokud je do dvou- či třífázové směsi přidán surfaktant (v literatuře také označován jako tenzid či detergent). Surfaktanty jsou povrchově aktivní látky, většinou organického původu, které snižují povrchové napětí mezi kapalinou a plynem. Molekuly surfaktantu se skládají ze dvou částí: z hydrofilní části molekuly s afinitou k polárním látkám a z hydrofobního zbytku s afinitou k nepolárním látkám. Rozhraní mezi kapalinou a bublinou bývá často rozhraní mezi polární látkou (voda) a nepolární látkou (vzduch). Surfaktanty se tudíž pohybují kapalinou, aby se dostaly k preferovanému fázovému rozhraní a adsorbovaly se na povrch bubliny. Vlivem proudění kapaliny kolem stoupající bubliny se však molekuly surfaktantu hromadí ve spodní části bubliny, čímž dochází k nerovnoměrnému rozložení molekul na povrchu bubliny. Tato nehomogenita má za následek vznik protiproudého toku kolem bubliny, který brzdí nejen pohyb bubliny, ale ovlivňuje i elasticitu povrchu. Bublina tudíž v kapalině stoupá pomaleji, méně se deformuje a při kolizích s dalšími bublinami nedochází ke koalescenci (k vzájemnému spojování). Všechny tyto jevy je nutno brát v potaz, pokud zkoumáme vícefázové procesy v přítomnosti surfaktantů.

Adsorpce bubliny k povrchu polyetylénu.

Přítomnost surfaktantů ovlivňuje také interakce bublin a pevných částic. K těm dochází například při flotaci, která využívá charakteristické schopnosti některých tuhých povrchů poutat na sebe vzduchové bubliny a vytvářet tzv. flokule. Díky připoutaným bublinám mají flokule nižší hustotu než okolní kapalina, a tudíž stoupají k hladině, odkud je lze lehce odseparovat. Přídavkem vhodného surfaktantu lze stabilizovat pěnu na hladině kapaliny a také selektivně ovlivnit, který typ pevných částic bude tvořit stabilní flokule. Toho se využívá například při separaci směsí plastů pomocí flotace, která v současnosti nabývá na významu zejména s rostoucí potřebou jejich recyklace.

S rostoucím ekologickým povědomím naší společnosti je stále větší poptávka po biologicky odbouratelných materiálech a v oblasti separací po biosurfaktantech. Proto je důležité vedle tradičních syntetických surfaktantů zkoumat i chování těchto nových látek a znát jejich vliv na stávající technologické procesy, abychom mohli odpovědně navrhovat společensky prospěšné inovace či nové technologie.

Materiál vznikl za podpory projektu Strategie AV21 Akademie věd ČR, VP20 – Voda pro život.

Zjednodušená představa molekuly surfaktantu a ukázka adsorpce molekul na povrch bubliny

Doba potřebná k adsorpci bubliny k povrchu částice v závislosti na velikosti bubliny. Čím je adsorpční doba delší, tím je stabilita vzniklé flokule menší. Velké rozdíly v adsorpční době jednotlivých typů plastů znamenají efektivnější selektivní separaci jejich směsí pomocí flotace.