Тема 2.3. Грубодисперсные системы.

Пены

Пены– высококонцентрированные грубодисперсные системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ.

Пузырьки газа в пенах имеют размеры порядка миллиметров (или см); они разделены тонкими жидкими пленками, которые обладают размером коллоидных частиц. Газовые пузырьки взаимно сдавливают друг друга, а сама пена приобретает ячеистую сотовую структуру.

Пены получают методами диспергирования: интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости, продавливание газа через жидкость. Реже используют конденсационные методы.

Пены характеризуются следующими показателями:

• пенистостью, т.е. отношением объема пены к объему жидкости в виде пленок;

• дисперсностью, т.е. средним размером пузырьков и средней толщиной жидкостных пленок;

• устойчивостью, т.е. временем существования пен. Мера устойчивости пены определяется временем ее жизни, т.е. от момента образования до самопроизвольного разрушения.

Устойчивую пену можно получить только в присутствии стабилизатора – пенообразователя, от природы и концентрации которого зависит устойчивость пены. В качестве пенообразователей используют ПАВ с длинными углеводородными радикалами, которые, адсорбируясь на поверхности вода – воздух, образуют высокосвязную структурированную пленку, препятствующую стеканию жидкости.

С повышением температуры время жизни пены уменьшается, так как снижается адсорбция пенообразователя и уменьшается вязкость. С увеличением вязкости устойчивость пены возрастает. Хорошие пенообразователи – это вещества, способные давать прочные пленки. Если эти пленки отвердевают, то получают безгранично устойчивые твердые пены (хлеб, зефир, пенопласты и т.д.).

Увеличение испарения (если пенообразователь летучий) и введение электролитов снижает время жизни пены.

Пены имеют разнообразное применение. Их используют при обогащении полезных ископаемых флотацией, при стирке и мойке, при тушении пожаров, в производстве высокопористых строительных и изоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), в производстве пенопластов (поролон, пенополистирол, пенорезина, пенофенопласты и т.д.). Пены обеспечивают оптимальный технологический процесс в виноделии и в кондитерском производстве.

Очень распространены пенообразующие системы в пищевой промышленности. Такие продукты, как хлеб и ряд кондитерских изделий, имеют структуры пены, и это определяет не только их вкусовые свойства, но и пищевую ценность. Для приготовления вспененных кондитерских изделий (пастила, зефир, суфле) в качестве пенообразователей применяют белок, иногда экстракт чая, метилцеллюлозу.

Иногда образование пены приводит к нежелательным последствиям. Например, она мешает при перегонке, выпаривании, перемешивании. Большой вред наносят пены, образующиеся в сточных водах, которые содержат пенообразователи. Эти пены покрывают поверхность водоемов и закрывают доступ кислороду, что делает невозможным развитие любых организмов.

Для разрушения пен используют пеногасители, которые, будучи более активными, вытесняют пенообразователи. Таковы спирты, эфиры, силиконовые масла и т. п. Разрушению пен способствует и механическое воздействие.

Суспензии

Суспензии– дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой.

Примерами суспензий являются глинистые, цементные и известковые растворы, глины, масляные густотертые краски, крахмальное молоко, протертые супы. Шоколад при температуре 350⁰С представляет собой суспензию частиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле, помадные массы кондитерского производства и т.д.

В зависимости от относительного содержания дисперсной фазы суспензии подразделяют на три типа: разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные. Последние обычно называют пастами.

Суспензии могут быть получены диспергационными и конденсационными способами.

Вследствие больших размеров частиц дисперсной фазы в суспензиях отсутствует броуновское движение. Явления диффузии и осмоса им также не свойственны. Прохождение света не вызывает опалесценции, а проявляется в виде мутности, так как световые лучи преломляются и отражаются частицами суспензии, а не рассеиваются.

Седиментационная устойчивость обычно очень мала вследствие крупных частиц, а для достижения агрегативной устойчивости необходимо выполнение, по крайней мере, одного из двух условий:

1. Смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсной средой.

2. Наличие стабилизатора. Добавляемый стабилизатор вводят в виде ионов, заряжающих и стабилизирующих частицы суспензии, или в виде ПАВ, либо в виде защитного высокомолекулярного соединения. Если стабилизатор отсутствует, то частицы смачиваются дисперсной средой и на их поверхности образуется оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты.

Вязкость разбавленных суспензий мало отличается от вязкости дисперсионной среды. В высококонцентрированных суспензиях (пастах) наблюдается структурирование, т.е. образование из частиц дисперсной фазы некоторой пространственной сетки, в петлях которой находится дисперсная среда. Внешне это выражается чрезмерно большой вязкостью и переходом при длительном покое в твердое состояние – гелеобразованием.

Эмульсии

Эмульсии– грубодисперсные системы из взаимно нерастворимых жидкостей, в которых одна из жидкостей взвешена в другой в виде капелек.

Классификация эмульсий может быть основана на различных признаках. В зависимости от полярности фаз различают два типа эмульсий.

1. Прямые (эмульсии 1-го рода), которые состоят из полярно дисперсионной среды (воды) и неполярной дисперсной фазы (масло); их обозначают условно м/в.

2. Обратные (эмульсии 2-го рода) – имеют неполярную дисперсионную среду (масло) и полярную дисперсную фазу (вода); их условно обозначают в/м.

Примером эмульсии 1-го рода может служить молоко (эмульсия жира в гидрозоле белка), а 2-го рода – природная нефть, различные медицинские мази (эмульсии воды в масле), сливочное масло.

Обычный способ получения эмульсий – диспергирование, проводимое в присутствии эмульгаторов, т.е. ПАВ, способствующих образованию эмульсий. Для диспергирования используют различные мешалки, смесители, коллоидные мельницы, ультразвук и другие средства.

Устойчивость эмульсий в случае чистых жидкостей невысока, легко происходит самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы с последующим расслоением жидкостей. Слияние капель эмульсии называют коалесценцией.

Вещества, стабилизирующие эмульсию, называют стабилизаторами или эмульгаторами,они адсорбируются на поверхности капель эмульсии и препятствуют их слиянию. Эмульгатор должен быть подобен той жидкости, которая образует дисперсионную среду. Например, эмульсии типа м/ стабилизируются растворимыми в воде ВМС, например, белками или мылами. Эмульгаторами при получении эмульсии в/м служат ВМС, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях (каучук, смолы), а также нерастворимые в воде мыла.

Специфическим свойством большинства эмульсий является взаимное превращение эмульсий двух типов: м/в « в/м. Этот процесс называется обращением фаз, осуществляется введением ПАВ, которое стабилизирует обратный тип эмульсии. Обращение эмульсии иногда может быть вызвано длительным механическим воздействием. Так, сбивание сливок (эмульсия типа м/в) приводит к получению масла (в/м).

Биологическое значение эмульсий очень велико. Например, сметана, майонез, молоко, яичный белок, сливочное масло, маргарин, мороженое представляют собой эмульсии. Усвоение жиров в организме осуществляется через их эмульгирование под влиянием желчи. Эмульгирование жира оказывает исключительное влияние на вкусовые свойства при производстве маргарина и, особенно при производстве мороженого. Млечный сок каучуконосных растений (латекс) также представляет эмульсию. Эмульсии находят широкое применение в промышленности; например, при омылении жиров в мыловарении, битумные эмульсии для асфальтирования, краски. Эмульсии широко применяются в медицине, фармации, косметике.

Но на практике часто требуется и разрушать эмульсии. Разрушение эмульсий (деэмульгирование) осуществляется следующими способами:

• разрушением защитных пленок сильными реагентами (кислотами);

• вытеснением эмульгатора веществом, которое лучше адсорбируется, чем эмульгатор, но не является эмульгатором;

• использованием механического воздействия: сбивание, центрифугирование, фильтрование;

• применением полей высокого напряжения;

• нагреванием, ведущим к десорбции эмульгатора.

Аэрозоли

Аэрозоли– дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ, а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости.

Обычно аэрозоли классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называют туманами, с твердыми частицами – дымами.

Как и любые дисперсные системы, аэрозоли образуются двумя методами – конденсационным и диспергационным.

К конденсационным относится возникновение тумана при охлаждении. При диспергационных – твердые или жидкие капельки размельчаются механическим путем, а затем распределяются в газе. Например, пневматическое распыление жидкостей осуществляется с помощью так называемых аэрозольных баллончиков при получении парфюмерно-косметических аэрозолей, аэрозолей-инсектицидов, эмалей.

По оптическим свойствам аэрозоли очень близки к растворам коллоидов. Для них также характерно светорассеяние. Однако вследствие большой разницы в показателях преломления газовой дисперсной среды и жидкой или твердой дисперсной фазы светорассеяние у аэрозолей более интенсивно, и они не пропускают свет. На этом свойстве аэрозолей основано применение маскировочных дымовых завес. Благодаря сильному светорассеянию аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, уменьшают интенсивность солнечной радиации и влияют на климатические условия.

Специфические свойства аэрозолей – термофорези теплопреципитация,т.е. удаление дисперсных частиц от нагретой поверхности и оседание частиц дисперсной фазы аэрозолей на холодной поверхности. Эти свойства объясняются тем, что молекулы газа движутся от более горячей поверхности с большой скоростью и "толкают" дисперсные частицы аэрозолей к более холодным участкам пространства.

Другое свойство аэрозолей – фотофорез,т.е. движение частиц по направлению к источнику света или от источника света. Пока фотофорез не имеет обоснованного теоретического объяснения.

Аэрозоли используются в военном деле для маскировки в виде дымовых завес. В сельском хозяйстве – для борьбы с вредителями, для защиты растений от внезапных заморозков. В медицине широко используется аэрозольный метод лекарственной терапии. Различные поверхности часто окрашивают путем пневматического распыления красок и лака. Этот метод окраски более производителен, чем обычный, и обеспечивает равномерное покрытие высокого качества. Жидкое и твердое топливо эффективно сжигать в распыленном состоянии, в виде аэрозоля, так как чем лучше оно перемешивается с воздухом, тем полнее сгорает. Поэтому в камеру сгорания двигателей топливо поступает в мелкодисперсном состоянии.

Мероприятия, направленные на охрану природы и здоровья людей – это очистка воздуха от взвешенных в нем частиц перед выбросом в атмосферу и разрушение аэрозолей, образующихся в производственных помещениях.

Для разрушения аэрозолей используют: инерционное осаждение, фильтрацию, электростатическое осаждение и коагуляцию.

Инерционное осаждение проводят в устройствах, называемых циклонами. Циклон представляет собой металлический цилиндр, в котором поток воздуха с частицами пыли движется по спирали. При этом частицы отбрасываются на стенки и оседают на них. Циклоны применяют для разделения грубых аэрозолей с крупными частицами.

Мелкие частицы можно отделить на тканевых или волокнистых фильтрах. Для этого обычно применяют хлопчатобумажные, синтетические или шерстяные ткани. Действие фильтров основано на механическом задержании частиц и осаждении их на фильтре.

Частицы дисперсной фазы аэрозолей могут электризоваться вследствие трения друг от друга. Поэтому разрушать аэрозоли можно действием электрического поля в электрофильтрах.

Большое значение для сельского хозяйства имеет борьба с ливнями и градом, основанная на разрушении градовых и ливневых облаков коагуляцией. Для этого в них вводят распылением искусственные центры кристаллизации: кристаллическую углекислоту, песок и т. д. Эти центры способствуют быстрому укрупнению частиц аэрозоля путем их перекристаллизации.

Вопросы для самоконтроля:

1. Чем отличаются микрогетерогенные дисперсные системы от коллоидных систем?

2. Что называется суспензией?

3. От чего зависит агрегативная устойчивость суспензий?

4. Каковы основные свойства суспензий?

5. Что такое эмульсия, и как их классифицируют?

6. Что такое опалесценция?

7. Каковы методы стабилизации эмульсий?

8. Как можно разрушить эмульсию?

9. Какие дисперсные системы называются пенами?

10. От чего зависит устойчивость пены? Как можно разрушить пену?

11. Что такое аэрозоли, и какие у них основные свойства?

12. Где применяются аэрозоли?

13. Какие существуют способы разрушения аэрозолей?

14. Какие дисперсные системы называют порошками, чем они отличаются от аэрозолей?