Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Лекція 1. Основні поняття про мікрогетерогенні системи. Суспензії.





КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З дисципліни

«Мікрогетерогенні системи»

 

 

для студентов химико-технологических специальностей

Херсон 2013

Конспект лекцій з дисципліни «Мікрогетерогенні системи» для студентів хіміко-технологічних спеціальностей / Мищенко Г.В., Венгер О.О. – Херсон.: ХНТУ. – 2013. – с. 76.

 

 

Рецензент:

доцент кафедри хімічних технологій та біохімічного синтезу, ХНТУ,

к.т.н., доцент Скропишева О.В.

 

 

Затверджено на засіданні кафедри хімії і екології,

протокол № 5 від «__22__»__10___ 2013 р.

 

 

Відповідальний за випуск: завідуючий кафедрою хімії і екології, ХНТУ,

д.т.н., проф. Міщенко Г.В.

 

 

Лекція 1. Основні поняття про мікрогетерогенні системи. Суспензії.

(2 год)

 

Мікрогетерогенні системи - це дисперсні системи з розміром частинок дисперсної фази 10-7 - 10-5 м.

За своїми властивостями мікрогетерогенні системи близькі колоїдним розчинам, але, внаслідок більшого розміру частинок, мають деякі особливості.

Класифікація мікрогетерогенних систем.

Мікрогетерогенні системи класифікують залежно від агрегатного стану дисперсної фази і дисперсійного середовища:

1) рідке дисперсійне середовище:

а) суспензії (дисперсна фаза - тверда);

б) емульсії (дисперсна фаза - рідка);

в) піни (дисперсна фаза - газоподібна);

2) газоподібне дисперсійне середовище:

а) аерозолі (дисперсна фаза - рідка або тверда);

б) порошки (дисперсна фаза - тверда);

3) тверде дисперсійне середовище:

а) тверді піни пористі тіла (дисперсна фаза - газоподібна);

б) тверді емульсії (дисперсна фаза - рідка);

в) системи з твердою дисперсною фазою.

Коротка характеристика золів

Найменш вивченими, незважаючи на своє величезне практичне значення, є системи з твердим дисперсійним середовищем (тверді золі).



Вони володіють особливими порівняно з іншими дисперсними системами властивостями. Частинки цих золів практично не беруть участь в броунівському русі. Відсутність зіткнень часток дисперсної фази робить тверді золі дуже стійкими. Для твердих золів не характерні електрокінетичні явища, оскільки їх частинки найчастіше не мають поверхневого заряду. З типових колоїдних властивостей у твердих золів найбільш виражені оптичні властивості. Вперше явище світлорозсіювання було виявлено при вивченні властивостей напівдорогоцінного каменю - опал, звідки й отримало свою назву - опалесценція.

Утворення та руйнування твердих золів відбувається зазвичай через розплав.

Найбільш поширенна група твердих золів з твердою дисперсною фазою. До цього типу золів відносяться дорогоцінні й напівкоштовні камені, кольорове скло, емалі, мінерали, сплави.

Найбільш рідко зустрічаються тверді емульсії. Наприклад тверда емульсія чорний фосфор.

До твердих золів з газоподібною дисперсною фазою відносять тверді піни, пористі речовини (пемза, піноскло і пінобетони, пінопласти та ін.) Ці дисперсні системи природного та штучного походження знаходять в даний час дуже широке застосування, особливо в якості звуко- і теплоізоляційних матеріалів.

Суспензії, основні поняття та загальна характеристика

Суспензії - це дисперсні системи, в яких дисперсною фазою є частинки твердої речовини розміром більше 10-5 см, а дисперсійним середовищем - рідина.

Умовно суспензії позначають у вигляді дробу: Т/Р, у чисельнику якого вказується агрегатний стан фази, а в знаменнику - агрегатний стан середовища. Можна дати суспензіям й інше визначення: суспензії - це суспензії порошків в рідинах.

Формально суспензії від ліозолей ( колоїдних розчинів ) відрізняються тільки розмірами частинок дисперсної фази. Розміри твердих частинок в суспензіях (більше 10-5 см) можуть бути на декілька порядків більше, ніж у ліозолі (10-7-10-5 см). Це кількісна відмінність обумовлює надзвичайно важливу особливість суспензій: в більшості суспензій частинки твердої фази не беруть участь в броунівському русі. Тому властивості суспензій істотно відрізняються від властивостей колоїдних розчинів; їх розглядають як самостійний вид дисперсних систем.

Суспензії поділяються за кількома ознаками.

· За природою дисперсійного середовища: органосуспензіі (дисперсійне середовище-органічна рідина) і водні суспензії.

· За розмірами частинок дисперсної фази: грубі суспензії (d > 10-2 см), тонкі суспензії (5 • 10-5 < d < 10-2 см), муті (1 • 10-5 < d < 5 • 10 -5см).

· По концентрації частинок дисперсної фази: розбавлені суспензії (суспензії) і концентровані суспензії (пасти).

У розведених суспензіях частинки вільно переміщаються в рідині, зчеплення між частинками відсутнє і кожна частинка кінетично незалежна. Розбавлені суспензії - це вільнодисперсні безструктурні системи.

У концентрованих суспензіях (пастах) між частинками діють сили, що приводять до утворення певної структури (просторової сітки). Таким чином, концентровані суспензії - це зв’язнодесперсні структуровані системи.

Методи отримання розбавлених суспензій.

Суспензії, так само як і будь-яку іншу дисперсну систему, можна отримати двома групами методів: з боку грубодисперсних систем - диспергаційними методами, з боку істинних розчинів - конденсаційними методами.

Найбільш простим і широко поширеним як в промисловості, та в побуті методом отримання розбавлених суспензій є збовтування відповідного порошку в рідині з використанням різних перемішувачів (мішалок, міксерів і т.д.). Для отримання концентрованих суспензій (паст) - відповідні порошки розтирають з невеликою кількістю рідини.

При конденсаційних методах конденсацію необхідно проводити так, щоб утворювалися частинки, що мають розміри 10-5-10-2 см. Розмір частинок, що утворюються, залежить від співвідношення швидкості утворення зародків кристалів і їх зростання. При невеликих ступенях пересичення звичайно утворюються великі частки, при великих - дрібні. Попереднє введення в систему зародків кристалізації приводить до утворення практично монодисперсних суспензій. Зменшення дисперсності може бути досягнуто в результаті ізотермічної перегонки при нагріванні, коли дрібні кристали розчиняються, а за їх рахунок ростуть великі.

При цьому повинні дотримуватися умови, що обмежують можливості значного розростання і зчеплення частинок дисперсної фази. Дисперсність суспензій, що утворюються, можна регулювати також введенням ПАР.

Суспензії очищають від домішок розчинених речовин діалізом, електродіалізом, фільтруванням, центрифугуванням.

Суспензії утворюються також в результаті коагуляції ліозолей. Отже, способи здійснення коагуляції - це одночасно і методи отримання суспензій.

Властивості розбавлених суспензій

Кількісно розбавлені суспензії відрізняються від ліозолей розмірами частинок дисперсної фази:

dсусп - 10-5 ÷ 10-2 см,

dзолей - 10-7 ÷ 10-5 cм.

Властивості паст

Так як пасти - структуровані системи, визначальними є їх структурно-механічні властивості, які характеризуються такими параметрами, як в'язкість, пружність, пластичність. Пасти володіють пружно-в'язко-пластичними властивостями.

Пасти мають коагуляційну структуру, тому їх механічні властивості визначаються, головним чином, механічними властивостями міжчасткових рідких прошарків. Через ці прошарки діють сили тяжіння між частками, що залежать від відстані між ними (товщини прошарків) і зумовлені ван-дер- ваальсові та водневі зв'язки. Міцність контакту коагуляції складає величину порядку 10-10 Н і нижче. Причому, міцність контакту можуть зменшувати сили відштовхування між частинками, що забезпечують агрегативну стійкість суспензії, саме тому структури в агрегативно стійких суспензіях не утворюються або, якщо і утворюються, то дуже неміцні.

Таким чином, механічні властивості паст обумовлюються сукупністю двох основних причин:

1) молекулярним зчепленням частинок дисперсної фази один з одним в місцях контакту, там де товщина прошарків дисперсійного середовища між ними мінімальна. У граничному випадку можливий повний фазовий контакт. Коагуляційна взаємодія частинок викликає утворення структур з вираженими оборотними пружними властивостями;

2) наявністю найтоншої плівки в місцях контакту між частинками.

Коагуляційні структури відрізняються різко вираженою залежністю структурно-механічних властивостей від інтенсивності механічних впливів. Прикладом виключної чутливості структурно-механічних властивостей коагуляційних структур до механічних впливів є залежність рівноважної ефективної в'язкості η (р) від швидкості деформації γ або напруги зсуву Р. Рівень η (р) відповідає цілком певному ступеню руйнування тривимірного структурного каркаса в умовах деформації системи. Діапазон змін η(p) = f(P) може досягати 9-11 десяткових порядків.

Для паст, так само як і для любої коагуляційної структури, характерні наступні властивості: невисока механічна міцність, тиксотропія, синерезис, повзучість, пластичність, набухання.

Розглянемо найбільш типові з цих властивостей стосовно паст.

Тиксотропія. Відновлення структури зазвичай контролюється по збільшенню в'язкості системи, тому явище тиксотропії можна визначити як зменшення в'язкості системи в часі при накладенні навантаження і поступовому зростанню в'язкості після зняття навантаження. Чим повільніше відновлюється структура (в'язкість) після зняття навантаження або чим повільніше вона руйнується (зменшується в'язкість) при даній напрузі зсуву, тим сильніше виражене явище тиксотропії.

Тиксотропія пасти має велике практичне значення.

Синерезис. Обумовлений синерезис, наростанням числа і міцності контактів між частинками в часі, а в деяких випадках - появою кристалізаційних містків, що з'єднують частинки. Такий процес зрощення часток може, у крайніх випадках, призвести до утворення монолітних суцільних тіл. Іншими словами, в результаті синерезиса коагуляційна структура пасти може мимоволі перейти в конденсаційно-кристаллизационную з «вижиманням» рідини. Синерезису сприяють всі фактори, що сприяють коагуляції, а саме: збільшення концентрації індиферентного електроліту, підвищення температури, введення в систему десольватуючих агентів і т. д.

На практиці перетворення пасти (коагуляционная структура) в монолітне тверде тіло (конденсаційно-кристалізаційна структура) провокується і прискорюється шляхом висушування, пресування і спікання пасти. Наприклад, випал гончарних виробів.

Але синерезис грає і негативну роль, коли при зберіганні ущільнюється структура, що призводить до погіршення якості продукту або навіть до його повної непридатності. Так, при тривалому зберіганні зубної пасти в результаті синерезиса утворюються грудки з виділенням рідини, що робить зубну пасту непридатною до вживання. Аналогічний процес відбувається при зберіганні кремпудри.

Набухання. Якщо в пастах частинки зв'язані досить міцно, то пасти набухають порівняно незначно. Якщо зв'язки слабкі, то в такій пасті структура руйнується і система переходить в розбавлену суспензію (уже безструктурну систему). Якщо паста має дуже міцну структуру (тобто зв'язку між частинками дуже міцні), то поглинання дисперсійного середовища призводить до пластифікації, тобто до різкого зниження міцності, яке супроводжується, однак, зростанням пластичних властивостей пасти.

Агрегативна стійкість паст

Поняття «агрегативна стійкість» стосовно до паст істотно відрізняється від цього поняття стосовно розведених суспензій.

Для розбавлених суспензій (безструктурні системи) існує тільки два чітко виражених стана: агрегативностійкі і агрегативнонестійкі, а в пастах можливо безліч проміжних станів, пов'язаних з ослабленням або посиленням зв'язків в структурній сітці. Крайніми будуть, з одного боку, стан, що відповідає утворенню і максимальному зміцненню просторової структури сітки з іншого боку - стан граничного руйнування структури.

Пасти часто отримують концентруванням розбавлених суспензій, які втратили свою агрегатівную стійкість, тобто утворення і зміцнення структури паст - це результат відсутності агрегативной стійкості в розбавлених суспензіях.

Таким чином, в пастах, в класичному розумінні слова , агрегативна стійкість спочатку відсутня. Однак цей термін для паст використовують, щоб оцінити здатність останніх зберігати незмінною в часі свою просторову структуру.

Як стабілізатори паст застосовують:

1) аніонні колоїдні ПАР;

2) неіоногенні колоїдні ПАР;

3) поверхнево-активні полімери.

При використанні таких стабілізаторів реалізуються, в першу чергу, адсорбційно-сольватний і структурно-механічний фактори стійкості.

Руйнування паст

Руйнування просторових структур в пастах - достатньо складний процес, що характеризується тим, що в міру збільшення ступеня руйнування істотно змінюється і сам механізм розпаду структури.

Можна виділити три основні етапи руйнування структури:

· руйнування суцільної структурної сітки, що супроводжується розпадом структури на окремі, достатньо крупні агрегати;

· руйнування агрегатів, що супроводжується зменшенням їх розміру і збільшенням їх числа, вивільненням з агрегатів і збільшенням числа окремих частинок, утворенням нових агрегатів;

· граничне руйнування структури при повній відсутності агрегатів з частинок.

Чітка межа між цими етапами відсутня, тобто перехід з одного стану структури в інше в міру поступового збільшення інтенсивності зовнішніх впливів, що руйнують структуру, відбувається поступово. Проте кожен з цих етапів специфічний.

Для руйнування структури використовуються наступні впливи: механічне помішування; вібрація, ефективнішою є полічастотна вібрація з частотою від 10 Гц до 10 кГц; ультразвук; нагрівання; електричні та магнітні поля; зміна природи поверхні твердих.

Застосування суспензій

Області поширення суспензій - це вся наша планета Земля, і це жодною мірою не перебільшення, так як суспензиями є земля і грунти при достатньому вмісті вологи; вода природних і штучних водойм (річок, озер, морів, океанів, ставків, водосховищ). Вся тверда їжа тварин, в тому числі і людини, засвоюється у вигляді суспензій, які вони починають готувати вже в момент пережовування.

Будь-яка галузь промисловості і сільського господарства в тій чи іншій мірі використовує суспензії. Відзначимо деякі з них.

Насамперед зазначимо, що багато харчових продуктів є суспензіями: плодово-ягідні соки, різноманітні пасти (томатна, шоколадна, шоколадно-горіхова і т. д.), соуси і кетчупи, готова гірчиця та інші. Але ще більш важливим є те, що практично будь-яке харчове виробництво на тій чи іншій стадії пов'язане з утворенням, переробкою або руйнуванням суспензій. Цукрова промисловість - отримання та очищення дифузного соку цукрових буряків, який є суспензією. Олійно-жирова промисловість - адсорбційне рафінування рослинної олії, засноване на використанні як адсорбенту суспензії бентонітових глин. Молочна промисловість - суспензії утворюються у виробництві казеїну, отриманні та переробки сиру, асортимент виробів з якого досить великий. М'ясна промисловість - виробництво м'ясних фаршів, різних ковбас, паштетів пов'язано з приготуванням і переробкою висококонцентрованих суспензій (паст) і т.д.

У хімічній промисловості суспензії є об'єктами виробничих процесів при отриманні добрив, каталізаторів, барвників і т. д. У сучасній хімічній технології набуває поширення суспензійна полімеризація. Багато лікарські та косметичних засобів використовуються у вигляді суспензій. Кожен день ми починаємо і закінчуємо із зубною пастою в руках. А зубна паста - це висококонцентрована суспензія частинок карбонату.

Лекція 2. Дисперсний аналіз

(2 год)

Дисперсійний аналіз проводиться з метою визначення розміру, форми і концентрації частинок дисперсної фази.

Дисперсійний аналіз - це сукупність методів вимірювання розмірів частинок і їх концентрації.

При дисперсійному аналізі визначають також дисперсність Д і питому поверхню Sуд.

Лекція 3. Емульсії

(4 год)

 

Емульсією називається мікрогетерогенна система, що складається з взаємнонерозчинних рідин, розподілених одна в одній у вигляді крапельок.

Рідина, зважена у вигляді крапельок, називається дисперсною фазою. Рідина, в якій розподілена дисперсна фаза, називається дисперсійним середовищем. Умовно емульсії позначають у вигляді дробу Р12 де в чисельнику вказано агрегатний стан фази (рідина 1), а в знаменнику агрегатний стан середовища (рідина 2).

Класифікація емульсій

Емульсії зазвичай класифікують за двома ознаками:

· по концентрації дисперсної фази (Cd):

§ розбавлені (Cd < 0,1 % об);

§ концентровані (0,1 % < С а < 74 % об);

§ висококонцентровані (гелеутворення) (Cd > 74 % об).

· по полярності дисперсної фази і дисперсійного середовища:

§ емульсії I роду (прямі) - М/В;

§ емульсії II роду (зворотні) - В/М.

Будь-яку полярну рідину прийнято позначати буквою «В» - «вода», а неполярну літерою «М» - «масло».

У емульсіях I роду крапельки неполярной рідини (масла) розподілені в полярній (воді). У емульсіях II роду дисперсійне середовище неполярне.

Методи отримання емульсій

Система з двох рідин, що змішуються перебуватимуть в термодинамічностійкому стані, якщо вона складатиметься з двох суцільних шарів: верхнього (легша рідина) і нижнього (більш важка рідина). Як тільки ми почнемо один із суцільних шарів дробити на крапельки, щоб отримати емульсію, буде зростати міжфазна поверхня, а отже, вільна поверхнева енергія і система стане термодинамічно нестійкою. Чим більше енергії буде витрачено на утворення емульсії, тим більше нестійкою вона буде. Щоб надати емульсії відносну стійкість, використовують спеціальні речовини - стабілізатори, звані емульгаторами. Практично всі емульсії (за винятком деяких, що утворюються мимовільно) отримують тільки в присутності емульгаторів.

Відзначимо, що емульсії - це, як мінімум, трьохкомпонентні системи, які складаються з полярної та неполярної рідин і емульгатора. При цьому одна з рідин знаходиться у вигляді крапель. Краплі необхідних розмірів можуть бути отримані двома різними шляхами: конденсаційним методом, вирощуючи їх з малих центрів краплеутворення, і диспергаційним, дроблячи великі краплі.

Найбільш поширеними є диспергаційні методи.

Конденсаційні методи

Конденсація з парів. Пар однієї рідини (дисперсна фаза) інжектується під поверхню іншої рідини (дисперсійна середа). У таких умовах пар стає пересиченим і конденсується у вигляді крапель розміром порядку 1 мкм. Ці краплі стабілізуються в рідині, що містить відповідний емульгатор.

На розмір крапель істотно впливають тиск інжектуємого пара, діаметр впускного сопла, емульгатор. Цим методом легко отримують краплі з розмірами до 20 мкм.

Емульсії можна також отримати, використовуючи монодисперсні аерозолі, отримані конденсаційним методом. Для цього в злегка пересичений пар вводять дрібні (з розмірами ≈ 10-6 см) частинки і дозволяють центрам краплеутворення рости протягом деякого часу. У результаті утворюється практично монодисперсний туман, при пропущенні якого в дисперсійне середовище отримують монодисперсну емульсію.

Заміна розчинника. Речовину, яка в майбутній емульсії повинна знаходитись у вигляді крапель, розчиняють в розчиннику з утворенням істинного розчину. Якщо потім в отриманий розчин ввести інший розчинник, який суттєво «псує» перший, то розчинена речовина буде об'єднуватися в краплі, утворюючи емульсію.

Диспергаційні методи

Ці методи засновані на дробленні грубодисперсной системи, яка представляє собою два рідких шара, що незмішуються. Залежно від виду роботи, яка здійснюється над грубодисперсною системою, диспергаційні методи можна поділити на три групи.

Механічне диспергування. Механічна робота, витрачається для диспергування, зводиться до струшування, змішування, гомогенізації, видавлювання суцільних рідин, одна з яких містить емульгатор.

1. Метод переривчастого струшування ( d крапель - 50-100 мкм).

Утворення емульсії легко продемонструвати, якщо пробірку, в яку налиті дві рідини, енергійно струшувати протягом деякого часу.

2. Застосування змішувачів.

Промисловість випускає змішувачі різноманітних конструкцій з мішалками пропелерного та турбінного типів, колоїдні млини, гомогенізатори.

· Гомогенізатори - це пристрої, в яких диспергування рідини досягається пропусканням її через малі отвори під високим тиском.

· Емульгування ультразвуком.

· Емульгування електричними методами.

Мимовільне емульгування.

Мимовільним називається емульгування, яке відбувається без витрат енергії ззовні. Воно виявляється, наприклад, в двокомпонентної (без емульгатора) гетерогенній системі при температурі, близькій до критичної температури взаємнорозчинення цих рідин.

При цій температурі поверхневий натяг стає вкрай малим, менше 1 • 10-4 Дж/м2 - у цих умовах мимовільно утворюється емульсія. Вона є термодинамічно стійкою, тому що надлишок вільної поверхневої енергії, що виникає при утворенні крапель, компенсується ентропійним фактором - прагненням речовини до рівномірного розподілу в обсязі системи. Кожна фаза цієї емульсії є насиченим розчином однієї рідини в іншій.

За Ребіндером, критичне значення σmin, необхідне для утворення будь якої мимовільної емульсії, включаючи критичну емульсію, визначається виразом:

де k - постійна Больцмана .

При r - 10- см і Т = 29 К величина σmin повинна бути менше 0,1 ерг/см2.

Рідкий жир при поглинанні організмом емульгируєтся в кишечнику солями жовчних кислот до стану високодисперсної жирової емульсії і потім всмоктується через стінки кишечника.

Емульсії, які утворюються мимовільно і, отже, є термодинамічностійкими, іноді називають ліофільними емульсіями.

Типи емульгаторів

o Неорганічні електроліти (найменш ефективні емульгатори).

o Колоїдні поверхнево-активних речовини.

o Високомолекулярні речовини.

o Тонкоподрібнені нерозчинні порошки. (цей тип стабілізаторів характерний тільки для емульсій).

Визначення типу емульсії

У процесі отримання емульсії, особливо диспергаційними методами, неминуче утворення краплі як однієї, так і іншої рідини. Однак у часі краплі однієї рідини зберігаються і поступово накопичуються, краплі іншої практично миттєво коалесцирують. Якщо накопичуються краплі олії, утворюється пряма емульсія (М/В), якщо води - утворюється зворотна емульсія (В/М). Тип утвореної емульсії залежить від цілого ряду чинників, але багато в чому визначається природою емульгатора. Дотримуючись правила Банкрофта, можна сказати, що та рідина, яка краще розчиняє емульгатор або краще його змочує (якщо це порошок), є дисперсійним середовищем. Таким чином, знаючи природу емульгатора, можна передбачити тип емульсії. Однак така оцінка дуже приблизна, особливо якщо емульсія многокомпонентна.

Існує декілька експериментальних методів визначення типу емульсій:

· методом розбавлення;

· метод змочування гідрофобних поверхні;

· визначення безупинної фази;.

· вимір електропроводності;

· звернення фаз емульсій.

Способи руйнування емульсій

Деемульгування емульсій лежить в основі багатьох технологічних процесів, наприклад, виробництва масла та вершків з молока, каучуків з латексів і т. д. На деемульгувані засноване зневоднення сирої нафти, очищення стічних вод і багато інших важливих процесів.

Руйнування емульсій може бути досягнуто двома шляхами: седиментацією і коалісценцією.

Седиментація спостерігається, наприклад, при відділенні вершків від молока. При цьому не відбувається повного руйнування емульсії, а утворюються дві емульсії, одна з яких з багатшою дисперсійною фазою.

Коалесценція - повне руйнування емульсії, коли виділяються в чистому вигляді окремі компоненти. При руйнуванні емульсії мають місце дві стадії:

Техніка руйнування емульсій

У промислових масштабах емульсію руйнують:

· хімічними методами;

· термічними методами;

· осадженням під дією сили тяжіння або відцентрових сил;

· електричними методами.

Часто використовують кілька методів одночасно.

Лекція 4. Піни

(4 год)

 

Рис. 8. Схема будови піни Рис. 9. Поперечний перетин каналу Плато

1 - плівки рідини; 2 - канал.

Піни - це грубодисперсні висококонцентровані системи, в яких дисперсною фазою є бульбашки газу, а дисперсійним середовищем - рідина у вигляді тонких плівок.

Умовно піни позначаються у вигляді дробу: Г/Ж. У наведеному вище визначенні термін «грубодисперсні» означає, що бульбашки газу можуть мати і макророзміри аж до 10см. Слово «висококонцентровані» означає, що в системі концентрація бульбашок газу (Cd) повинна бути більше, ніж 74% (об'ємних). У цьому випадку бульбашки газу мають не сферичну форму, а форму багатогранників. Якщо піна монодисперсна, тобто всі бульбашки газу мають однакові розміри, то кожен пухирець газу має форму правильного пентагонального додекаедра - дванадцятигранника, будь-яка сторона якого являє собою правильний п'ятикутник (рис. 8).

Багатогранні бульбашки газу розділені тонкими прошарками рідкого дисперсійного середовища. У зоні зіткнення трьох плівок, що належать трьом дотичним пухирцям, утворюється канал Плато. У площині рис. 9 канал має форму зазору між трьома дотичними циліндрами - бульбашками газу.

Так як натяг плівок γ = 2σ (σ - поверхневий натяг рідини) однаковий, сили натягу їх в одній площині врівноважуються тільки при однакових кутах (120°) між плівками (перше правило Плато ).

У кожній вершині многогранника сходяться чотири канали, утворюючи кут, що дорівнює 109°28' (друге правило Плато). Місце перетину каналів називається вузлом. Канали пронизують всю структуру піни, представляючи собою цілісну систему. Виходить просторова конструкція, в розрізі схожа на бджолині соти. Така піна характеризується мінімальною поверхневою енергією, отже, вона найбільш стійка.

Якщо ж піна полідисперсна (бульбашки газу мають різні розміри), форма правильного пентагональні додекаедра порушується що призводить до зниження стійкості.

Слід зазначити, що якби концентрація дисперсної фази була менше 74 % (об'ємних) - бульбашки газу мали б сферичну форму, і товщина рідких прошарків була б порівнянна з розмірами газових бульбашок, система б мала назву газової емульсії. Прикладом газових емульсій є газована вода, шампанське в келиху і т. д. Газові емульсії, на відміну від пін, є безструктурними системами.

Незважаючи на те, що бульбашки газу можуть мати макророзміри, піна є мікрогетерогенною системою. П.А. Ребіндер визначив піни як пластинчатодиспергіровану рідину в газі.

Класифікація пін

Класифікація пін грунтується на такій важливій характеристиці як кратність піни:

де Vп - обсяг піни , Vж - об'єм рідини, яка використана для отримання піни. Обидва обсяги легко виміряти.

ДСТУ визначає умови, при яких слід визначати кратність піни. У градуйований циліндр ємністю 1000 см3 слід налити 98 см3 води і 2 см3 піноутворювача, закрити пробкою і струшувати протягом 30с. Поставити на стіл, вийняти пробку, виміряти обсяг піни. Відношення обсягу піни до об'єму розчину (100 см3) і є кратність піни.

Таким чином, кратність піни показує, скільки обсягів піни можна отримати з одного об'єму рідини. Якщо кратність піни β ≤ 10, піни називають рідкими, а якщо β в межах 10 ÷ 1000 - сухими.

У будівництві та виробництві будматеріалів використовують піни з β від 5 до 10, в пральнях - з кратністю 10 ÷ 20. Для пожежогасіння застосовують піни з β від 70 до 90. Відомі також піни з кратністю до 1000.

Методи отримання пін

Встановлено, що утворення стійкої піни в чистій рідині неможливо. Піну можна отримати тільки в присутності спеціальної речовини - стабілізатора, часто званого піноутворювачем.

Основні стадії утворення піни можна простежити на прикладі поведінки кількох бульбашок газу, спливаючих в воді, яка містить піноутворювач. Як піноутворювач візьмемо ПАР. Як тільки в такому розчині з'являться бульбашки газу, на їх поверхні почнуть адсорбуватись молекули ПАР і утворювати своєрідну «шубу», що складається з одного шару молекул. Спливаючи, кожен пухирець досягає поверхні рідини, тисне на неї, розтягує і утворює полусферичний купол. Молекули піноутворювача з розчину спрямовуються до зростаючої поверхні, адсорбуються на ній, запобігаючи розрив плівки рідини. Таким чином, бульбашка виявляється оточена оболонкою вже з двох моношарів піноутворювача, між якими знаходиться плівка рідини.

Адсорбційні шари ПАР забезпечують тривале існування виникаючих плівок. Збільшення числа бульбашок на поверхні розчину призводить до їх зближення, при цьому форма бульбашок поступово переходить з сферичної в багатогранну, а товщина рідких перегородок зменшується, виникають тонкі рідкі плівки. У результаті на поверхні розчину спочатку утворюється моношар газових бульбашок, потім формуються наступні шари, що призводить до виникнення об'ємної піни. У результаті вся рідина перетворюється на піну.

Піну, як будь-яку дисперсну систему, можна отримати двома шляхами: з грубодисперсних систем, використовуючи діспереаційні методи, і з істинних розчинів за допомогою конденсаційних методів.

Діспергаціонние методи

Ці методи засновані на дробленні газу на бульбашки при подачі його в розчин піноутворювача. Зазвичай невеликі порції газу вводять в розчин і дроблять їх до дрібних бульбашок. Найлегше цього домогтися, продуваючи газ через трубку, опущену в рідину.

У промисловості зазвичай використовують такі принципи.

1. Проходження струменів газу через рідину в аераційних і барботажних установках, в апаратах з «пінним шаром», в піногенераторах з сіткою, орошаемою розчином піноутворювача.

2. Дією рухомих пристроїв на рідину або рухомої рідини на перешкоду (в технічних апаратах з швидкохідними мішалками; при збиванні, струшуванні, переливанні розчинів).

3. Ежектування повітря струменем розчину, що рухається в піногенераторах.

Конденсаційні методи

У цих випадках майбутня газова фаза спочатку присутня у вигляді окремих молекул, з яких потім утворюються бульбашки. Конденсаційний спосіб піноутворення можна здійснити чотирма шляхами.

Перший шлях - змінити параметри фізичного стану системи:

· знижуючи тиск пари над розчином;

· підвищуючи температуру розчину.

Другий шлях - провести хімічну реакцію, що супроводжується виділенням газу. Прикладами можуть служити взаємодія соди з кислотою, пероксиду водню з перманганатом калію, розкладання карбонату амонію. Цей шлях використовується при приготуванні прісного тіста, коли в якості розпушувача використовують питну соду NaHCO3 або карбонат амонію (NH4)23

2NaHCО3 + 2H+ = Na23 + H2О + CО2↑.

(NH4)23 + 2H+ = 2NH3 + H2О + CО2↑.

Ці реакції протікають в кислому середовищі, тому в борошно додають лимонну кислоту або змішують з нею розпушувач, готуючи так званий пекарський порошок.

Третій шлях - використовувати мікробіологічні процеси, що супроводжуються виділенням газів, найчастіше СО2.

Таким шляхом отримують дріжджове тісто - під дією дріжджів йде спиртове бродіння гексоз:

С6Н12О6 → 2СО2↑ +2С2Н5ОН.

При виробництві пива вуглекислий газ також утворюється в результаті мікробіологічного процесу.

Четвертий шлях пов'язаний з електрохімічними процесами. При електролізі води на катоді виділяється водень, а на аноді - кисень. За рахунок бульбашок газу в присутності ПАР, що вводиться в розчин, утворюється піна. Цей метод використовується при електрофлотаціі.

Конденсаційні методи широко застосовуються в харчовій промисловості, при виробництві пінопласт мас, в побутових вогнегасниках, в технології виробництва пінобетону.

Основні характеристики пін

Для оцінки властивостей піни, а значить, її придатності для тих чи інших цілей існує багато загальних і спеціальних характеристик.

Основні показники:

· кратність піни;

· дисперсність піни;

· стійкість у часі.

Дисперсність пін

Для оцінки дисперсності піни використовують:

· середній радіус бульбашки - радіус сфери, еквівалентної за обсягом пухирцю поліедріческіх піни;

· максимальну відстань між протилежними «стінками» бульбашок (умовний діаметр);

· питому поверхню розділу «рідина - газ».

Експериментальні дані представляють звичайно у вигляді гістограм.

Від дисперсності піни залежить швидкість багатьох технологічних процесів. Існують такі методи визначення дисперсності пін.

Мікрофотографування піни - метод прямого визначення розмірів бульбашок. Фотозйомку ведуть у відбитому або прохідному світлі при збільшень в 10-100 разів. Піни, в яких розмір бульбашок швидко змінюється, попередньо заморожують рідким киснем або азотом.

Визначення дисперсності піни по електропровідності. Вимірюють електричний опір циліндричного стовпа однорідної піни, укладеного між двома пористими пластинками.

Визначення дисперсності піни шляхом вимірювання її питомої поверхні. Її визначення засноване на вимірюванні різних параметрів піни.

Час існування піни

Для характеристики піни часто призводять час, який проходить з моменту утворення піни до її самовільного руйнування. Іноді визначають час руйнування половини обсягу піни. Піну також характеризують часом життя окремого бульбашки газу на поверхні рідини з якої він утворився.

Властивості піни

Електрична проводимість пін

Електропровідною в піні є тільки рідка фаза, тому питома електропровідність піни NF - залежить від змісту рідкої фази і її питомої електропровідності NL:

де п - кратність піни, В - коефіцієнт форми, що залежить від кратності піни і розподілу рідкої фази між каналами і плівками в піні. Експериментально встановлено, що він монотонно збільшується від 1,5 до 3,0 при зростанні кратності піни.

Оптичні властивості пін

Ослаблення світлового потоку, що проходить через шар піни, відбувається в результаті розсіювання світла і поглинання його розчином. Однак у поліедричній частинці піни рідини в загальному обсязі досить мало, тому інтенсивність світлового потоку зменшується практично лише в результаті розсіювання. У такій піні поверхні розподілу фаз відносяться до трьох чітко виражених і різних за оптичними властивостями структурних елементів: плівки, канала Плато і вузлів. Ослаблення світлового потоку визначається відношенням , де I0 - інтенсивність падаючого світла, I - інтенсивність світла, що пройшло через піну.

Стійкість піни









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2020 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.