НТО на КЭ_3x - Координационный научно

Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Экспериментальное исследование диффузии газа в жидких пенах»
(шифр: БАБЛ)
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Пены широко распространены в природе; они также находят разносторонние
применения в промышленности [1, 2].
Действительно, в химической промышленности формирование жидкой пены является
естественным явлением, сопровождающим различные химические процессы, при протекании
которых возникают границы раздела между жидкостью и газом. Это, например, –
дистилляция, абсорбция, очистка. Здесь появление пены может носить как желательный, так
и нежелательный характер. Действительно, избыточное пенообразование в таких процессах
способно привести к снижению их эффективности и непроизводительным потерям.
Жидкие пены также применяется при нефтедобыче. Закачка таких пен в трещины и
разломы нефтесодержащих пород повышает эффективность извлечения из них нефтяных
фракций.
Твёрдые полимерные пены, полученные, например, на основе полистирола или
полиуретана, используются в строительстве, а также в качестве изолирующих панелей.
Сочетание у таких полимерных пен уникальных упруго-пластичных свойств и низкого веса
делают их идеальными упаковочными и антивибрационными материалами.
Протеиновые твёрдые и жидкие пены широко используются в пищевой
промышленности.
В последние (1990-2000-е) годы достигнут значительный прогресс в понимании физики и
физической химии различных процессов, происходящих в пенах. Тем не менее, остаётся ещё
немало нерешённых вопросов. Многие из них не могут быть прояснены в земных условиях,
где сила тяжести играет существенную роль и вносит заметные искажения в динамику пену.
В связи с этим особый интерес представляет изучение пен в условиях невесомости.
В наших исследованиях используются жидкие пены, состоящие из плотно упакованных
газовых пузырьков, разделённых жидкой фракцией (водным раствором поверхностноактивного вещества), Рис. 1.
Объём жидкой фазы в пенах может варьироваться в широких пределах: от менее 1 % (в
так называемых «сухих» пенах) до более 50 % (в так называемых «влажных» пенах). При
низком содержании жидкости в пене, газовые пузырьки деформируются в полиэдры, и вся
жидкость содержится в разделяющих их стенках, называемых границами Плато (Рис. 2-а).
При содержании жидкости в пене, превосходящем 35 %, газовые пузырьки имеют
сферическую форму и могут двигаться независимо друг от друга (Рис. 2-б).
За последние двадцать лет проведено большое количество экспериментальных и
теоретических исследований различных свойств пен.
Изучались в основном следующие вопросы физики и физической химии этих систем:
● Структура пены (форма и пространственная организация газовых пузырьков в ней).
● Электропроводность жидкой фракции пены.
● Так называемое «укрупнение» пены из-за диффузии газа в ней.
● Структурный переход «уплотнения» пены.
● Утончение жидких стенок газовых пузырей (мыльных плёнок) под действием капиллярных
сил и гравитации.
● Реологические свойства пены (пены являются сложными системами, имеющими как
свойства жидкости, так и свойства твёрдого тела).
● Коллапс пены за счёт разрыва мыльных плёнок.
Рис. 1. Жидкая пена. (Адаптировано из [2]).
Граница Плато
(а)
Жидкая фракция
(б)
Рис. 2. Схематическое изображение пены: а – сухая пена; б – влажная пена.
2
Для решения вышеперечисленных задач использовались следующие методики:
● Компьюторное моделирование структуры пены (в особенности, с использованием
программы Кеннета Брейка (Kenneth Brakke) «The Surface Evolver»).
● Континуальная теория утончения плёнок, основанная на модели поршневого течения
Пуазейля в границах Плато.
● Видеорегистрация и томография.
● Локальные оценки доли жидкости по измерениям электропроводности и ёмкости.
● Многократное светорассеяние (МСР) при измерениях на просвет или с использованием
диффузионной волновой спектроскопии (ДВС). Данные методы дают информацию о
структуре пены и её эволюции.
Междисциплинарная наука о пенах изучает эти объекты на различных масштабных
уровнях:
● Молекулярный уровень: свойства поверхностно-активных веществ и химия пены.
● Мезоскопический уровень: поведение и стабильность пен.
● Макроскопический уровень: структура макроскопических объёмов пены, утончение
мыльных плёнок и т. д.
Целью настоящего проекта является изучение жидких пен, а также динамических
эффектов, как в сухих, так и в жидких пенах. Основные нерешённые (на настоящее время)
вопросы в этих областях показаны на диаграмме (Рис. 3).
Динамические,
нестабильные
Быстрые
структурные
переходы
Разрыв плёнки
Конвективная
нестабильность
Успешные теории
и эксперименты,
1990-2000 гг.
Статические,
стабильные
Потеря
упругости
Пены
Сухие
Влажные
Рис. 3. Схема, показывающая неизученные до настоящего времени вопросы физики пен.
3
Исследование влажной пены в земных условиях практически невозможно, так как за счёт
действия гравитации в ней возникают различные нестабильности, искажающие пену и
нередко приводящие к её разрушению. Поэтому для исследования такой пены в «чистом»
виде необходимы эксперименты в условиях невесомости.
Перечислим основные перспективные направления исследования динамики жидкой
пены.
I.
Диффузия газа в пенах и определения коэффициента проницаемости газа методом
уменьшающегося пузырька.
Процесс диффузии газа в пене характеризуется коэффициентом проницаемости K, имеющим
размерность [см/с]. Этот коэффициент можно оценить экспериментально, например, с помощью
метода уменьшающегося пузырька [3] (Рис. 4). Пузырёк получается вдуванием воздуха в водный
раствор ПАВ (или ПАВ + полимер) с помощью тонкого капилляра. Раствор помещается в стеклянную
кювету, а воздушный пузырёк образуется вблизи верхней границы ячейки (под покровным стеклом)
или вблизи свободной поверхности раствора на границе с атмосферой. Воздух из пузырька выходит в
раствор и (в случае свободной поверхности раствора) через поверхностную мыльную плёнку в
атмосферу. В результате, диаметр воздушного пузырька D постепенно уменьшается со временем t.
Измеряя (с помощью системы компьютерной регистрации) зависимость D от t возможно оценить K
(см. Рис. 5).
Обычно, эксперименты по определению K ставятся таким образом, что верхняя (свободная)
поверхность раствора накрывается покровным стеклом. В этом случае K определяется следующей
формулой [3]:
K = (P0/RgTSt) {(P0/4σ) (R 2 - Rt2) + 2/3 (R0 - Rt)}.
0
Здесь
P0 – атмосферное давление; Rg – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная
температура; S – коэффициент растворимости воздуха; t – время; σ – поверхностное натяжение
раствора; R0 – начальный радиус воздушного пузырька (при t = 0); R – его радиус в момент времени t.
В данном проекте предполагается экспериментальное исследование процесса диффузии
газа в пенах в земных условиях методом уменьшающегося пузырька и – в невесомости
методами визуального микроскопического наблюдения и МСР.
II. Укрупнение пены.
Это – изменение структуры пены в результате диффузии газа (воздуха) в ней.
В результате укрупнения пены газ переходит из пузырьков меньшего размера в более крупные
пузыри. Вследствие этого маленькие пузырьки исчезают, а структура и свойства пены, таким
образом, изменяются.
Теоретические оценки, полученные для случая больших расстояний между пузырьками в пене,
показали, что средний радиус пузырька R увеличивается со временем как t1/3 [4, 5]. Также известно,
что в случае сухих пен R ~ t1/2. Представляется затруднительным рассчитать численные значения
коэффициентов пропорциональности для этих зависимостей. Действительно, подход, развитый в [4,
4
5], основан на теории среднего поля, и посчитанные в этих работах коэффициенты имеют лишь
приблизительные значения. В случае же сухих пен пузырьки имеют форму полиэдров, при
этом в зависимости от числа N граней в них некоторые пузырьки могут расти, а некоторые, наоборот,
уменьшаться (см., например, [6, 7]).
плёнка
воздух
раствор
Рис. 4. Схематическое изображение воздушного пузырька на поверхности раствора полимерПАВ. Сверху – вид пузырька в микроскоп. r и R – соответственно радиусы плёнки и
пузырька. Диаметр плёнки составляет примерно 50 мкм. (Адаптировано из [3]).
K, см/с
Cs, ммоль/л
Рис. 5. Пример зависимости коэффициента проницаемости газа K для пузырька воздуха,
находящегося в растворе полимер-ПАВ, от концентрации Cs ПАВ. Концентрация полимера в
растворе, Cp = 0,1 мг/мл, T ≈ 22 oC. Концентрация NaCl в растворе, CNaCl = 0 ( ); CNaCl = 0,1
моль/л ( ). (Адаптировано из [3]).
5
Динамика пузырьков пены никогда не исследовалась в переходном режиме (между сухой и
влажной пеной), а также для жидких пен. Последние, как уже отмечалось, практически невозможно
изучать в земных условиях из-за влияния гравитации. Тем не менее, в последнее время показано,
временная эволюция пены в существенной степени определяется процессом её укрупнения [8].
Подобное поведение хорошо известно для эмульсий [9], однако оно никогда не наблюдалось в пенах.
Недавно также было впервые показано, что процесс укрупнения определяется реологическим
свойствами ПАВ как в пенах [8], так и в эмульсиях [10].
Определённые успехи достигнуты в исследовании процессов взаимной перегруппировки и
перестройки пузырьков пены, происходящих вследствие диффузии газа в ней. Методами МСР [11] и
численного моделирования [12] показано, что в сухих пенах эти процессы слабо коррелированны во
времени, и что статистически они могут моделироваться как процесс Пуассона. Для влажных пен
ситуация несколько иная. При переходе уплотнения (см. ниже) их упругость стремиться к нулю, и
времена структурной релаксации при этом становятся очень большими. Предполагается, что в этом
случае между соседними структурными перестройками должны возникать корреляции, существенно
усложняющие динамику пены. Учёт таких корреляций необходим не только при изучении процессов
укрупнения пены, но также и при исследовании их реологических свойств [13]. Таким образом,
детальное исследования процессов структурной перестройки влажной пены позволит глубже понять
реологию этих материалов вблизи перехода уплотнения. Более того для разнообразных практических
применений пену часто смешивают с твёрдыми частицами. В настоящее время имеется совсем
немного информации о поведении таких трёхфазных систем, которые очень нестабильны в земных
условиях.
В настоящем проекте предполагается детальное изучение процессов укрупнения влажной пены в
условиях невесомости.
III. Структурный переход уплотнения.
Это – интересный с точки зрения реологии обратимый фазовый переход, при котором при
некотором критическом содержании жидкости (V = Vc) в пене происходит её превращение из жидкой
(изолированные газовые пузырьки) в сухую (с конечными коэффициентами сдвиговой вязкости). Это
явление наблюдается и в других ансамблях случайным образом упакованных объектов, таких как
эмульсии, песок, глины и т.д. (см., например, [14]).
В земных условиях исследование этого фазового превращения весьма затруднительно, так как в
предпереходной области, в жидкой пене (при Vc ~ Vc = 20-35 %) существенна роль различных
гидродинамических неустойчивостей, возникающих в гравитационном поле. Последнее
обстоятельство объясняет тот факт, что большинство теорий, описывающих динамику пен,
рассматривают сухую (более стабильную) пену.
В данном проекте предполагается экспериментальное исследование процесса уплотнения (и
обратного перехода) для пены в условиях невесомости.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС
МКС
Гравитация играет важную роль в формировании пены и её последующей эволюции.
Главным следствием наличия земного притяжения является быстрый отток излишков
жидкости из плёнки. В случае, когда пена достаточно устойчива, она становится сухой, и
6
сила гравитации уравновешивается вертикальным градиентом капиллярного давления в
жидкой фазе пены. Добавление жидкости к такой сухой пене сверху вначале приводит к
возникновению одиночной волны с примерно одинаковым профилем вдоль всего пути её
распространения вертикально вниз. Затем начинается однородное утончение жидких стенок
газовых пузырьков в пене. Этот процесс может быть исследован во влажных пенах,
содержащих не более 20 % жидкой фазы. При большем содержании жидкости в пене
наблюдаются различные динамические нестабильности (в основном, конвекция).
Исследование гидродинамики влажной пены, содержащей более 20 % жидкости,
возможно в условиях невесомости (в космосе). Для таких пен уже не будут наблюдаться
нестабильности. Полученные в таких космических экспериментах результаты будут
представлять большую ценность как для научного понимания структуры и динамики
влажной пены, так и для различных практических применений таких пен (флотация,
процессы, связанные с нагнетанием пены, и т.д.).
Предлагаемый проект является частью большой программы исследований динамики
пены («Foam-C»), осуществляемой Европейским космическим агентством. Европейским
координатором данного проекта является Др. Д. Ланжевен (Южный парижский университет,
г. Орсе, Франция).
В рамках реализации программы Foam-C был проведён ряд наземных экспериментов
(например, [7-13, 15]) и измерений в условиях микрогравитации (параболический полёты),
например, [16]. Полученные данные представляют существенную ценность для понимания
динамики влажной пены и будут чрезвычайно важны для постановки и интерпретации
космических экспериментов.
3. Описание КЭ
3.1. Порядок проведения КЭ
Исследование динамики жидкой пены в условиях невесомости будет проводиться на МКС на
мультифункциональной платформе «Fluid Science Laboratory» (FSL).
Экспериментальная работа состоит из следующих этапов:
1. Загрузка контейнера с образцами растворов ПАВ и полимеров в установку для визуального
наблюдения и видеорегистрации. Эта процедура требует аккуратного позиционирования контейнера в
поле зрения микроскопа.
2. Получение пены в выбранной ячейке. Пена образуются при нагнетании в ячейку воздуха с
помощью специального поршня с электромагнитным приводом.
3. Фокусировка микроскопа на выбранной ячейке с пеной. Эта процедура требует большой
точности. Необходимо настроить микроскоп так, чтобы на компьютерном дисплее системы
видеорегистрации получилось бы максимально чёткое изображение достаточно большого количества
пузырьков пены (см., например, Рис. 1).
4. Видеозапись процессов динамики пены. Длительность записи для каждой ячейки составляет
примерно 12-24 часа.
7
5. Исследование динамики пены методом МСР. Эта процедура требует тщательной фокусировки
луча газового лазера на образце пены, получения картины светорассеяния и записи временных
зависимостей пространственного распределения интенсивности рассеянного света.
6. Передача записанной информации на Землю. Необходимо обеспечить оперативность передачи
информации первых экспериментов для оптимизации условий выполнения последующих.
3.2. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
Принципиальных требований к условиям проведения КЭ нет. Эксперимент проводится при
комнатной температуре.
3.3. Технические особенности НА
Технические особенности НА связаны с необходимостью записи большого объема
видеоинформации и передачи этой информации в центр управления КЭ. Система загрузки образцов
должна быть адаптирована к конструктивными особенностям мультифункциональной платформы
FSL, на которой будет располагаться НА.
4. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и
зарубежными исследованиями
Заявляемый проект продолжает многолетние исследования по изучению динамики и структуры
пены, проводимые Европейским космическим агентством (программа Foam-C), а также – цикла работ
руководителей проекта по мыльным плёнкам (см., например, [1’-9’]). Проведенные до настоящего
времени эксперименты дали большую информацию как о сухих, так и о влажных пенах. Большинство
измерений выполнялось в наземных условиях и только некоторые – в условиях мигрогравитации
(параболические полёты).
Новизной и актуальностью данного проекта является попытка изучить динамические свойства и
структуру влажной пены в условиях невесомости (в космосе). Одна из задач проекта – развитие
эффективного научного сотрудничества между российскими и иностранными научными группами с
целью обмена научными знаниями, которые востребованы в области фундаментальных основ
инженерных технологий. Сочетание серии экспериментов в условиях невесомости, а также наземных
измерений и исчерпывающего теоретического анализа позволит получить полную информацию о
поведении влажных пен.
5.
Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1. Основными результатами КЭ будут:
1) Измерение значений коэффициента проницаемости воздуха во влажных пенах.
2)
3)
4)
Получение временных зависимостей диаметра газовых пузырьков во влажных пенах.
Наблюдение и измерение основных параметров процесса укрупнения влажных пен.
Наблюдение и измерение основных параметров перехода уплотнения во влажных пенах.
5.2. Результаты предполагается использовать:
1) Для получения устойчивых влажных пен в химической, косметической и пищевой
промышленности (например, в производстве различных моющих, косметических веществ и пенистых
пищевых продуктов). Полученные результаты КЭ позволят повысить эффективность и снизить
стоимости производства.
8
2) Для получения стабильных влажных пен, применимых в других отраслях промышленности
(например, при пожаротушении, нефтедобыче и т.д.).
6.
Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками
При создании держателя для ячеек с пеной и самих ячеек аппаратная схема НА будет
модифицироваться в соответствии с характеристиками, задаваемыми многофункциональной
платформой FSL. Важным ограничением является требование по габаритным размерам и
весу НА, выполнимое при использовании миниатюрных аналогов регистрирующей
аппаратуры в наземных установках.
7.
Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
Риски и дискомфорт для экипажа является незначительным. В случае нештатной
ситуации при проведении КЭ (повреждение держателя образцов, потери позиции образцом)
возникновение пожаро- или взрывоопасной ситуации исключено.
Список цитируемой литературы
[1]
D. Weaire, S. Hutzler “The Physics of Foams”. Oxford: Clarendon Press, 1999.
[2] D. Weaire De la bulle à la mousse // La Recherche 273 (mars 1995). 26. 246-252.
[3] G. Andreatta, L.-T. Lee, F.K. Lee, J.-J. Benattar Gas Permeability in Polymer- and Surfactant-Stabilized
Bubble Films // J. Phys. Chem. B. 2006. 110. 19537-19542.
[4] И.М. Лифшиц, В.В. Слёзов О кинетике диффузинного распада пересыщенных твёрдых растворов //
ЖЭТФ 1958. 35. 479-492.
[5] I.M. Lifshitz, V.V. Slyozov The Kinetics of Precipitation from Supersaturated Solid Solutions // J. Phys.
Chem. Sol. 1961. 19. 35-50.
[6] J. Lambert, I. Cantat, R. Delannay, R., Mokso P., Cloetens J.A. Glazier, F. Graner Experimental Growth
Law for Bubbles in a Moderately “Wet” 3D Liquid Foam // Phys Rev Lett. 2007. 99. 058304(1)-058304(4).
[7] D. Georgieva, A. Cagna, D. Langevin Link Between Surface Elasticity and Foam Stability // Soft Matter.
2009. 5. 2063-2071.
[8] V. Schmitt, C. Cattelet, F. Leal-Calderon Coarsening of Alkane-in-Water Emulsions Stabilized by NonIonic Poly (Ethylene Oxide) Surfactants: the Role of Molecular Permeation and Coalescence // Langmuir
2004. 20. 46-52.
[9] D. Georgieva, V. Schmitt, F. Leal-Calderon, D. Langevin On the Possible Role of the Surface Elasticity
in Emulsion Stability // Langmuir 2009. 25. 5565-5573.
[10] H. Höhler, Y. Cheung Sang, E. Lorenceau, S. Cohen-Addad The Osmotic Pressure and Structures of
Monodispersed Ordered Foams // Langmuir 2008. 24. 418-425.
[11] A. Gittings, D.J. Durian Statistics of Bubble Rearrangement Dynamics in a Coarsening Foam // Phys.
Rev. E. 2008. 78. 066313(1) -066313(8).
[12] S. Vincent-Bonnieu, R. Höhler, S. Cohen-Addad Slow Viscoelastic Relaxation and Aging in Aqueous
Foam // Europhys. Lett. 2006. 74. 533-539.
[13] J. Goyon, A. Colin, G. Ovarlez, A. Ajdari, L. Bocquet Spatial Cooperativity in Soft Glassy Flows //
Nature 2008. 454. 8-87.
[14] A.J. Liu, S.R. Nagel “Jamming and Rheology: Constrained Dynamics on Microscopic and Macroscopic
Scales”. NY: Taylor & Francis, 2001.
9
[15] H. Caps, N. Vandewalle, G. Broze, G. Zocchi Foamability and structure analysis of foams in Hele-Shaw
cell // Appl. Phys. Lett. 2007. 90. 214101(1)-214101(3).
[16] A. Saint-Jalmes, S. Marze, H. Ritacco, D. Langevin, S. Bail, J. Dubail, G. Roux , L. Guingot, L. Tosini,
P. Sung Diffusive Liquid Transport in Porous and Elastic Materials: The Case of Foams under Microgravity
Conditions // Phys Rev Lett. 2007. 98. 058303(1)-058303(4).
Список публикаций научного руководителя, наиболее близко относящихся к тематике проекта
[1’] A.A. Sonin “The Surface Physics of Liquid Crystals”. Amsterdam-Reading: OPA-Gordon and
Breach Publishers, 1995.
[2’] A.A. Sonin “Freely Suspended Liquid Crystalline Films”. Chichester: John Wiley & Sons Ltd.,
1998.
[3’] A.A. Sonin, D. Langevin Stratification Dynamics of Thin Films Made from Aqueous Micellar
Solutions // Europhys. Lett. 1993, 22(4). 271-277.
[4’] A.A.Sonin, A.Bonfillon, D.Langevin Role of Surface Elasticity in the Drainage of Soap Films //
Phys. Rev. Lett. 1993. 71. 2342 -2345.
[5’] A.A. Sonin, D. Langevin Expansion of Stratification Domains Over the Soap Film Surfaces //
Progress in Colloid and Polymer Science. Darmstadt-N.Y.: Steinkopff Verlag-Springer Verlag.
1993. 93. 357.
[6’] A.A. Sonin, A. Bonfillon, D. Langevin Thinning of Soap Films: Role of Surface Viscoelasticity
// J. Colloid and Interface Sci. 1994. 162. 323-330.
[7’] D. Langevin, A.A. Sonin Thinning of Soap Films // Advances in Colloid and Interface Sci. 1994.
51. 1-27.
[8’] A.A. Sonin, A. Yethiraj, J. Bechhoefer, B.J. Frisken Temperature-Induced Orientational
Transitions in Freely Suspended Nematic Films // Phys. Rev. E 1995. 52. 6260-6266.
[9’] A. Saint-Jalmes, A.A. Sonin, M. Delsanti, P. Guenoun, J. Yang, J.W. Mays, D.Langevin
Disjoining Pressure and Ordering in Thin Liquid Films Containing Charged Diblock Copolymers
Adsorbed at the Interfaces // Langmuir 2002. 18. 2103-2110.
10