 |
Методы разрушения разбавленных суспензий
|
|
|
|
1) механическим воздействием(седимент неуст-ть сусп,примен для агрег неуст сис)
2) термическим воздействием (замораживание, с послед высушив)затраты энерг
3) химическим (реагентным) воздействием за счет снижения электростатического фактора устойчивости (при добавлении индифферентных электролитов) или адсорбционно-сольватного фактора устойчивости (при добавлении коллоидного ПАВ), изменения химической природы стабилизатора (путем перевода его в труднорастворимое соединение) или сенсибилизации (флокуляции суспензий под действием ВМС);
4) электрическим (применимо для суспензий, частицы к-ых
несут на себе заряд);затраты энергии
65.Эмульсии.
Эмульсиями называют микрогетерогенные* системы, состоящие из двух взаимонерастворимых жидкостей, распределенных одна в другой в виде капелек.
Эмульсии обычно класс-ют по двум признакам:
1) по конц-ции ДФ (ϕ d): разбавл (ϕ d < 0,1 об.%), конц-ные (0,1 об.% < ϕ d < 74 об.%) и высококонц-ые (желатинированные) (74 об.% < ϕ d)†;
2) по полярности ДФ и ДСр:эмульсии I рода (или прямые) – М/В и эмульсии II рода (или обратные) – В/М*.
Определение эксп: к эмульсии доб воду,она хорош разб,то она явл ДСр. прямые эмульсии разб-ся полярной ж-стью (водой), обратные – неполярной(маслом). Определить тип эмульсии можно также при помощи красителя, раств-ого только в одной из фаз. Если краситель растворяется в ДСр, то вся система окрашивается в цвет этого красителя, если в ДФ – то окрашиваются мелкие капли.
Осн хар-ками: дисп-сть эмульсии(опред размерами ч-ц), ее уст-сть во времени(указывая скорость расслоения эмульсии, а также время жизни отдельных капель в контакте с другими), а также конц-ция ч-ц ДФ (Разбавл эмульсии по св-вам близки к лиофобным золям. Для них характерны броун-ое дв-ие, диффузия, светорассеяние и т.д. и они являются седиментационо устойчивыми)
|
|
|
Высококонц-риров-ые эмульсии близки к стр-рированным коллоидным сист – гелям(седимент-о неуст-вы)
К осн факторам уст-сти эмульсий отн-ся электростатич ( Обр-ие вокруг капель эмульсии ДЭС приводит к возникнов потенц-ого барьера, препятств-его сближению ч-ц до расстояний, на к-ых может начаться коалесц-ия капель), адсорбц-но-сольв-ый( Эмульгаторы,адсорбируясь на пов-сти капель, уменьш Пов-ое натяж на межфазной границе «капля – ДСр» и делают систему более уст-вой)и структурно-механич ( Образующийся на пов-сти капель слой мол-л эмульгатора,обладающий повыш вязкостью и упругостью, препятствует слиянию капель) Получают эмульсии конденсационными (конденсация из паров или замена р-ля) или диспергационными методами (механич диспергирование–прерывистое встряхивание, использ-ие смесителей (блендеров) или гомогенизаторов; эмульгирование ультразвуком или электрическими методами). Р-та, затрачиваемая при механич диспергировании, сводится к встряхиванию, смешению, гомогенизации, выдавливанию сплошных ж-стей, метод прерывистого встряхивания позволяет получить эмульсии с размером капель 50–100 мкм, а применение смесителей и гомогенизаторов позволяет снизить размер капель до 0,2 мкм. Обычные эмульсии явл-ся лиофобными ДС, они ТД неуст-вы и, чтобы придать им хотя бы относит уст-сть, используют спец-ые в-ва, называемые эмульгат (стабилизаторы) - повышают агрегативную уст-сть (неорг-ие эл-ты( вследствие их адсорбции на межфазной пов-сти обр-ся ДЭС, что приводит к ум-ию межфазного пов-ого натяжения и увеличивает уст-сть системы за счет электростатич фактора)и коллоидные ПАВ(адсорбционно-сольватном факторе уст-сти ДС), ВМС, а также порошки).Порошки могут стабилизировать эмульсии, располагаясь на пов-сти раздела двух жидк фаз.
|
|
|
(порошки с ч-цами оч малых размеров, ч-цы порошка должны избират-о смачив пол-ой (В) и непол (М) ж-тями)
Разрушение эмульсий может быть достигнуто двумя путями: седиментацией и коалесценцией. При разрушении эмульсий имеют место две стадии: флокуляция и собственно коалесценция. На первой стадии капли ДФ обр-ют агрегаты, к-ые легко распадаются при слабом перемешив; на второй – капли в агрегате слив-ся в одну большую каплю. Разделение фаз при коалесценции видно невооруженным глазом.
В промышл масштабах эмульсии разрушают осаждением под действием сил тяжести или центробежных сил, а также химич(деэмульгаторы), термичи(нагревание,замораживания) и электрич методами(капли ДФ заряжены или нейтральны) микроэмульсии - ДФ таких эмульсий состоит из набухших мицелл коллоидных ПАВ. Размер мицелл в таких эмульсиях колеблется в пределах 10–100 нм, что отвечает высокодисп системам. Как пр-ло, микроэмульсии ТД уст-вы, а их конц-ция может достигать 50 об.%, что соотв-ет концентрированным эмульсиям. Синерезис обусловлен нарастанием числа и прочности контактов между ч-цами ДФ с течением времени; в рез-те этого процесса могут возникать соединяющие отдельные частицы кристаллизационные мостики, а в предельных случаях ДС может превращаться в монолитное тело. коагуляционная структура с теч времени может переходить в конденсационно-кристаллизационную с «выжиманием» жидкости
66.Эмульгаторы(стабилизаторы)- в-ва, добавл к умульсии для повыш агрегативн уст-ти.(неоргие электролиты и коллоидные ПАВ, ВМС, а также порошки).
Стабилизирующее действие ПАВ(адсорб-сольв фактор) определяется правилом Банкрофта, согласно к-ому при эмульгировании системы ДСр станов та из жидкостей, в к-ой мол-лы ПАВ лучше растворимы. Ориентирование ПАВ в эмульсиях следует пр-лу уравнивания полярностей Ребиндера: полярные группы ПАВ обращены к пол фазе (воде),а непол радикалы – к неполярной (маслу).
Колич-но эф-ность эмульгатора характеризуют при помощи гидрофильно-липофильный баланса (ГЛБ), к-ый определяется соотнош м-у гидрофильной и гидрофобной частями мол-лы ПАВ и может быть рассчитан по формуле:
Подсчитав кол-во гидро-и липофильных групп в мол-ле эмульгатора, опред-ют его ГЛБ-показатель, в зав-сти от величины к-ого эмульгатор может играть разл роль. обр эмульсии (В/М) стабилизируют эмульгаторы, ГЛБ к-ых варьируется в пределах 3–6; при значениях ГЛБ 8–13 эмульгатор стабилизирует прямые эмульсии (М/В). В-ва, ГЛБ к-ых составляет 7–9 ед-ц, явл хорошими смачивателями. ПАВ с ГЛБ 13–15 обладают хорошим моющим действием и используются как компоненты синтетических моющих средств (СМС). гидрофильно-олеофильное соотношение (ГОС), которое по Круглякову определяют:
|
|
|
где W МВ и W ВМ – р-ты переноса полярной части молекулы ПАВ из
масла в воду и наоборот
Если значения ГОС ПАВ невелики (ГОС < 0,65), то такие ПАВ могут выступать в качестве стабилизаторов (эмульгаторов) при получении обратных (В/М), а если велики (ГОС > 0,95), то – прямых (М/В) эмульсий. При средних значениях ГОС (0,65 < ГОС < 0,95) ПАВ, в зависимости от условий (соотношение количеств полярной и неполярной жидкости в системе, температура и т.д.), могут стабилизировать как прямые, так и обр эмульсии.
Замена эмульгатора может привести к обращению эмульсии*.Обращение фаз эмульсий может происходить также за счет изменения концентрации компонентов (например, добавление неполярной жидкости (М) к прямой эмульсии (М/В) может привести к ее переходу в обратную эмульсию (В/М)),изменения температуры, механического воздействия, а также при изменении динамики эмульгирования.Порошки могут стабилизировать эмульсии, располагаясь на поверхности раздела двух жидких фаз. Для стабилизации - использовать порошки с частицами очень малых размеров (намного меньше размеров капель эмульсии); при этом ч-цы порошка должны избирательно смачиваться полярной (В) и неполярной (М) жидкостями*. Порошки с гидрофильной поверхностью (глина, кремнезем и т. д.) стабилизируют прямые эмульсии (М/В), а порошки с гидрофобной поверхностью (сажа, гидрофобизованный аэросил и др.) способны повышать устойчивость обратных эмульсий(В/М). На поверхности капель эмульсии частицы порошка-стабилизатора располагаются таким образом, что большая часть пов-сти ТВ. Ч-ц оказывается в дисперсионной среде. Для обеспечения стабильности эмульсии необходимо, чтобы частицы порошка полностью покрывали поверхность капель.
|
|
|
Эмульгирующую способность порошков характеризуют при помощи ГОС, которое рассчитывают по ф-ле:
где Θ – угол избирательного смачивания,
Если порошок лучше смачивается полярной жидкостью (В), чем неполярной (М), то Θ < 90о, ГОС > 1, и такой порошок способен стабилизировать (эмульгировать) прямые (М/В) эмульсии. Если же частицы порошка лучше смачиваются неполярной, чем полярной жидкостью (Θ > 90о, ГОС < 1), то такой порошок стабилизирует обратные (В/М) эмульсии. В узкой области ГОС ≈ 1 (Θ ≈ 90о – ситуация нейтрального смачивания) порошки способны стабилизировать как пря-
мые, так и обратные эмульсии.
Пены
Пены предст собой грубодисп высококонцентрированные системы, в к-ых ДФ явл-ся пузырьки газа, а дисперсионной средой – жидкость в виде тонких пленок. В соотв-ии с агрегатным состоянием ДФ и ДСр пены обозначают в виде дроби Г/Ж. пена является микрогетерогенной системой. Это обусловлено тем, что ДСр, хотя и является непрерывной, представляет собой тонкие пленки, имеющие микроразмеры.
Пузырьки газа разделены тонкими прослойками жидкой ДСр. В зоне соприкосновения трех пленок, принадлежащих трем соприкасающимся пузырькам, образуется канал Плато. Поскольку натяжение пленок γ = 2σ (σ – пов-ное натяжение жидкости – ДСр), одинаково, то силы натяжения их в одной плоскости уравновеш только при одинаковых углах (120°) м-у пленками (первое правило Плато).
В каждой вершине многогранника (ячейки) сходятся четыре канала, образуя угол, равный 109°28' (второе пр-ло Плато). Каналы пронизывают стр-ру пены, представляя собой цельную сист; в рез-те образуется пространств конструкция, напоминающая пчелиные соты. Такая пена характеризуется миним поверхностной эн, поэтому она наиболее устойчива. В полидисперсных пенах (пузырьки газа имеют различные размеры) форма правильного пентагонального додекаэдра нарушается, что приводит к снижению уст-сти пленки. Осн-ми хар-ками пен явл-тся их кратность, дисперсность( Для оценки дисп-сти пены использую средний радиус пузырька,важно –зависит скорость многих процессов ) и уст-сть во времени.
Клас-руют пены по такой важной хар-ке как кратность пены (β), к-ую определяют как:
Если кратность пен β ≤ 10, то пены назт жидкими (влажными, или низкократными); если β = 10÷1000, то сухими (пены с кратн-ю β = 10÷100 относят к полусух, а собств сухими считают пены, для к-ых β > 100).
Обр-ие уст-вой пены в чистой ж-сти невозможно, поэтому для получ пен применяют–стабилизаторы(пенообразов-ями). Мол-лы ПАВ из р-ра устремляются к растущей пов-сти и адсорбируются на ней, предотвращая разрыв пленки ж-сти; при этом пузырек оказывается окруженным оболочкой уже из двух слоев пенообразователя, м-у к-ыми находится пленка жидкости. пены получают двумя путями: диспергированием (из грубодисперсных систем) и конденсацией (из истинных растворов). Конденсационное вспенивание можно осуществить, используя физические(понижение давления пара над р-ром,повыш Т р-ра), химические ( явл протекание в жидкости химических р-ций,сопровождающихся выделением газа), микробиологические( используют проц, сопровождающиеся выделением газов ) и электрохимические процессы(при электролизе воды). К наиб важным реологическим св-вам пены относятся предельное напряжение сдвига и вязкость
|
|
|
Пены обл-ют тока относит уст-стью, к-ую подразд на два вида: − кинетическую (седиментационную) уст-сть, агрегативную уст-сть. Чем больше степень полидисп-сти, тем выше скорость диффузионного разрушения пены.
Для стабилизации пен, помимо ПАВ, применяют специальные добавки, к-ые можно разделить на пять групп:
1Вещества, повышающие вязкость пенообразующего раствора (загустители), глицирин. 2 Коллоидныестабилизаторы(желатин.
3 Вещества, полимеризующиеся в объеме пены.
4Вещества, образующие с пенообразователем нерастворимые в
воде осадки.(бронируют пену)
5Вещества, участвующие в построении адсорбционного слоя на границе раздела фаз ДФ/ДСр.
Возможны два пути борьбы с пеной: предупреждение пенообра-
Зовани( химические способы, т.е. используют вещества, препятствующие образованию пены )я и разрушение образовавшейся пены(химические (при по-
мощи пеногасителей: жиры и масла, органические кислоты) и нехимические).
Нехимические способы разрушения пен разделяют на механические и физические, среди которых различают термические (разрушение нагреванием), акустические (воздействие ультразвуком) и электрические (гашение пен действием электрического поля).
По характеру воздействия на пену механические способы могут быть центробежными (движущаяся пена разрушается, ударяясь о неподвижную поверхность), гидродинамическими и аэродинамическими (пена разрушается струей жидкости или газа, выбрасываемыми под давлением), барометрическими (пена разрушается в результате изменения давления в аппаратах). Не разруш ее полностью.
Аэрозоли
Аэрозоль -ультрамикрогетерогенная или микрогетерогенная свободнодисперсная система, в к-ой ч-ки тв в-ва или капельки ж-сти взвешены в газе. Усл обозначение аэрозолей явлся следующее: Т/Г, Ж/Г. По агрегатному состоянию аэрозоли делят на туманы (Ж/Г), дымы, или пыли (Т/Г), и смоги ((Ж + Т/Г)). В соответствии с дисперсностью различают туманы (Ж/Г, 10–7 м < d < 10–5 м), дымы (Т/Г,10–9 м < d < 10–5 м) и пыли (Т/Г, 10–5 м < d). По методам получения класс-ют конденсационные и диспергационные аэрозоли.Обязат условием обр-ия новой фазы при конденсационных методах явл-ся наличие пересыщ-ого пара, конденсация к-ого и приводит к возникн ч-ц ДФ. Объемная конденсация пересыщ пара может происх в трех случаях: при адиабатическом расшир (облака); при смешении газов и паров(туман), имеющ разл темп-ры, и при охлажд газовой смеси(кипение чайника).
Аэрозолям присущи те же оптические св-ва (рассеивание,поглащение).мол-рно-кинетических св-в аэрозолей обусловлены низкой конц-цией ч-ц ДФ, малыми вязкостью и плотностью ДСр. Благ-ря спос-сти инт-но расс-ть свет аэроз широко примен для создания дымовых завес.
Если радиус ч-ц ДФ невелик (r < 10–8 м), то I сед << I диф; при этом седиментацией можно пренебречь – в системе идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если частицы аэрозоля достаточно велики (r > 10–6 м), то I сед >> I диф; при этом диффузией можно пренебречь – в системе идет быстрая седиментация и частицы ДФ оседают на дно сосуда.
Наиб древним очистным сооружением явл-ся дымовая труба. Для разруш аэрозолей и улавливания ч-ц ДФ прим седиментационный, конденсац и др методы. Исп-ют электрофильтры (аппараты Коттрела. фильтрования аэрозолей,метод коагуляции,улавливания.
Термофорез предст-ет собой самопроизв-ое дв-ие ч-ц в направлении снижения темп-ры; причина его заключ в том, что с «горячей» стороны с ч-цей сталкиваются более быстрые мол-лы газа и она смещается в «холодную» сторону. Термопреципитация – осаждение ч-ц аэрозоля преимущественно на холодных пов-стях, когда вблизи нах-ся горячие тела; этим явлением обусловлено оседание пыли на стенах и потолке вблизи радиаторов, печей, горячих труб и т.д. Фотофорез представляет собой передвижение аэрозольных ч-ц при одностор освещении. При этом для непрозрачных ч-ц наблюдается положит-ый фотофорез (ч-цы перемещаются в направлении светового потока), для прозрачных – отрицательный, причем с ростом размеров ч-ц он может переходить в положит.
Порошки.
Порошки- высококонц-рованные дисперсные сист, в к=ых ДФ явл-ся тв ч-цы, а ДСр- воздух или другой газ. Условное обозначение порошков: Т/Г.
По форме ч-ц различают равноосные (изометрические), волокнистые и плоские порошки. По межчастичному взаимодействию: связнодисперсные (частицы сцеплены между собой, т.е. система обладает некоторой структурой) и свободнодисперсные (сопротивление сдвигу обусловлено только трением м-у ч-цами). В зависимости от размеров частиц ДФ различают пески (10–5 м < r < 10–3 м), пыли (10–6 м < r < 10–5 м) и пудры (r < 10–6 м).
Порошки можно получить четырьмя способами: конденсацией из истинных растворов, седиментацией аэрозолей (типа Т/Г), диспергированием макрообъектов и высушиванием суспензий. Для облегчения диспергирования применяют понизители твердости, в качестве которых используют ПАВ.
Под дисперсионным анализом понимают сов-сть методов измерения (определения) размеров ч-ц ДФ (соотв-но, их дисп-сти и уд пов-сти). Методы дисперсионного анализа можно условно разбить на три группы:
1 Методы, основанные на определении размеров отдельных ч-ц ДФ(микроскопия оптич,электр,ультро…)
2методы,базир на механич раздел ДС на отд классы по крупности частис с послед анализом:Ситовый анализ (частицы размером 5·10–5–10–2 м); разделение ч-ц на фракции в потоке газа или жидкости
3 Методы, основанные на изучении св-в ДС в целом: седиментационный анализ
– нефелометрия (частицы размером 10–9–10–6 м);– турбидиметрия (частицы размером 10–9–10–7 м);– адсорбционные методики (определение размеров частиц черезудельную поверхность дисперсной фазы) (частицы размером 10–8–10–5 м);
– порометрия (для пористых тел) (поры размером 10–9–10–6 м); газопроницаемость
В ряде случаев дисп-сть порошков определяют по скорости
их растворения, теплофизическим, магнитным и другим характеристикам системы, связанным с размером частиц ДФ или величиной межфазной поверхности.
ТВ пена
В ДС типа Т/Г пузырьки газа окружены тв оболочкой; подобные системы наз-ся твердыми пенами. В отличие от жидких пен у твердых каркас, образованный ДСр, обладает прочностью и может противостоять внешнему усилию. Кратность тв пен определяется соотношением:
К твердым пенам отн-ся п енопласты(газ), поропласты(ячейки) и пеностекло.
Композиционные материалы(резина и эбонит-с полимерн матрицей.) – предст-ют собой системы, состоящие из двух (и более) разл ТВ-ых фаз (Т/Т). Сплошная фаза (ДСр) в этом случае называется матрицей (основой), а распределенная в ней в виде частиц, волокон или пленок (ДФ) – наполнителем или упрочнителем. Если в качестве матрицы выступает полимер, то его обычно наз связующим. гетерогенно-ДС. По форме дисперсий их разделяют на волокнистые (упрочненные волокнами или нитевидными кристаллами), дисперсноупрочненные (мелкие частицы ДФ распределены по объему матрицы) и слоистые.
Гл. условием обр-ия композиционного материала явл-ся хорошая адгезия между наполнителем и матрицей, которая способствует уплотнению матрицы за счет уплотнения пов-ных слоев на межфазных границах, а таже передачу нагрузок от одной фазы к другой, что обеспечивает хорошие конструкционные свойства композитов.
В зав-сти от размера ч-ц наполнителя (ДФ) в композиционных материалах различают макро -, микро - и нанокомпозиты.
В первых размер ч-ц ДФ довольно велик (d ДФ > 10 мкм), пов-сть раздела фаз в них не очень развита, вследствие чего св-ва таких материалов явл-ся, по сути, промежуточными м-у св-вами матрицы и наполнителя (особые св-ва композиционных материалов для них слабо выражены). Размеры ч-ц наполнителя в микрокомпозитах варьируется в пределах 0,1 < d ДФ < 10 мкм, поэтому межфазная пов-сть в этих материалах довольно развита и определяет особые хар-ки микрокомпозитов (к к-ым относ большинство традиц-ых композиц-ых материалов:
САП, керметы, ситаллы и т.д.).
В нанокомпозитах размер ч-ц ДФ очень мал и изменяется от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров; поверхность раздела фаз ДФ/ДСр в таких материалах высокоразвита, вследствие чего в поверхностном (высокоэнергетическом) состоянии находится большая часть веществ, составляющих нанокомпозит, а сам материал приобр уникальные св-ва†.
На основе металлополимеров производятся электропроводящие композиционные материалы для нагревательных панелей. Гранулированные сорбенты, представляющие собой нанокомпозиты на основе глинистых минералов и биоцидных полиэлектролитов находят применение при очистке воды от тяж металлов и органических загрязнителей, для концентрирования металлов и улучшения агротехнических св-в почвы
Гибридные нанокомпозиты находят применение в качестве энергетических материалов, при производстве сенсоров, некоторых видов керамики, тонкопленочных структур, оптических покрытий и характеризуются свойствами, резко отличающимися от свойств макрокомпозитов на основе тех же компонентов.
|
|
|
