有机蒸汽对非离子和离子表面活性剂溶液中气泡行为的影响

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Effect of Organic Vapors on the Behavior of Air Bubbles in Solutions of Nonionic and Ionic Surfactants

气泡在含表面活性剂的水溶液中上升时，饱和正己烷蒸汽通过改变吸附层结构显著影响其动力学。实验显示，正己烷蒸汽通过协同吸附作用增强表面活性剂（如C12TAB和n-octanol）的界面吸附，降低终端速度。分子动力学模拟证实，正己烷与表面活性剂疏水链的范德华力增强，阻碍活性剂脱附，导致动态吸附层（DAL）更稳定。纯水中正己烷蒸汽仅略微降低表面张力，但对气泡速度无显著影响；而表面活性剂溶液中，蒸汽通过吸附竞争和协同作用改变界面性质，使气泡变形更明显、阻力系数增加。研究揭示了有机蒸汽与表面活性剂在界面的协同吸附机制，为泡沫稳定技术提供新思路。

　　气泡的上升过程是流体力学中的一个核心现象，尤其在涉及气液界面的传质应用中更为重要。气泡的运动不仅影响其自身行为，还对气泡在与不同界面相互作用时所形成的薄液膜的形成与稳定性产生影响。本文研究了气泡在含表面活性剂的水溶液中上升时的物理化学特性，特别关注了饱和正己烷蒸气在气泡内的存在对气泡运动的影响。通过实验测量和分子动力学（MD）模拟，我们探讨了在纯水和非离子型（正辛醇）或阳离子型（十二烷基三甲基溴化铵，C??TAB）表面活性剂溶液中，气泡上升速度的变化情况，并将其与不含正己烷蒸气的系统进行了对比。此外，我们还使用了气泡轮廓分析张力计测量了静止气泡的动态表面张力。

研究发现，在纯水中，正己烷蒸气对气泡的上升速度没有显著影响，但在含表面活性剂的溶液中，正己烷蒸气与表面活性剂的协同吸附现象明显。这一协同吸附效应改变了气泡的表面张力，进而影响其变形程度和上升速度。实验数据表明，表面张力的变化与气泡的变形和速度之间存在紧密联系，尤其是在动态层形成过程中。为了更好地解释这些实验数据，我们使用了改进的Frumkin吸附模型，同时考虑了C??TAB的离子特性以及正己烷在气泡表面的吸附。研究还发现，吸附自由能与界面自由能曲线之间存在强相关性，这进一步支持了吸附过程对气泡行为的影响。

通过实验，我们观察到在纯水中，正己烷蒸气对气泡的运动影响不大，但在含有表面活性剂的溶液中，正己烷蒸气的引入显著改变了气泡的上升速度和变形。在纯水系统中，我们发现正己烷蒸气的吸附导致表面张力的轻微下降，但这种下降对气泡的上升速度没有明显影响。这可能与气泡在纯水中的运动主要受气动效应支配有关，而非吸附效应。然而，在含表面活性剂的系统中，正己烷蒸气与表面活性剂的协同吸附改变了气泡的表面张力和变形，进而影响其上升速度。

此外，我们还研究了动态表面张力与气泡变形之间的关系。在实验中，气泡的变形程度与表面张力的变化密切相关，尤其是在动态层形成过程中。我们发现，随着表面活性剂浓度的增加，气泡的变形程度逐渐降低，这可能是由于吸附层的形成导致表面张力的降低，从而减少了气泡的变形。然而，研究还表明，即使在动态层形成过程中，气泡的上升速度仍然保持相对稳定，这可能与气泡的变形和表面张力之间的相互作用有关。

通过分子动力学模拟，我们进一步探讨了正己烷蒸气对气泡行为的影响。模拟结果表明，正己烷蒸气的吸附导致表面活性剂在气泡表面的分布不均，从而影响了气泡的表面张力和变形。在纯水系统中，正己烷蒸气的吸附导致表面张力的轻微下降，但这种下降对气泡的上升速度没有显著影响。这可能是因为气泡的运动主要受气动效应支配，而非吸附效应。然而，在含表面活性剂的系统中，正己烷蒸气与表面活性剂的协同吸附改变了气泡的表面张力和变形，从而影响其上升速度。

实验还表明，气泡的上升速度和变形与表面活性剂的浓度密切相关。随着表面活性剂浓度的增加，气泡的上升速度逐渐降低，而变形程度则逐渐增加。这可能是因为随着表面活性剂浓度的增加，气泡的表面张力降低，导致气泡的变形增加。然而，在较高浓度下，气泡的表面张力进一步降低，导致气泡的变形减少。这种现象可能与气泡的变形和表面张力之间的相互作用有关，以及表面活性剂的吸附和脱附过程。

此外，研究还表明，气泡的上升速度与气泡的变形之间存在紧密联系。在实验中，气泡的变形程度与上升速度的变化密切相关，尤其是在动态层形成过程中。通过实验，我们发现，气泡的变形程度与表面活性剂的浓度密切相关，而上升速度的变化则与气泡的变形和表面张力的变化有关。在含表面活性剂的系统中，气泡的变形程度随着表面活性剂浓度的增加而增加，这可能是由于表面活性剂的吸附导致表面张力的降低，从而影响了气泡的变形。

综上所述，本研究通过实验和模拟，揭示了正己烷蒸气对气泡行为的影响。在纯水系统中，正己烷蒸气的吸附导致表面张力的轻微下降，但对气泡的上升速度没有显著影响。而在含表面活性剂的系统中，正己烷蒸气与表面活性剂的协同吸附改变了气泡的表面张力和变形，从而影响其上升速度。这些发现对于理解气泡在不同条件下的行为具有重要意义，同时也为气泡动力学、泡沫形成和稳定性研究提供了新的视角。