Тема 9. Микрогетерогенные системы

К основным видам дисперсных систем относятся: суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли и порошки.

Суспензии— это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются частицы твердого вещества размером более 10^-5 см, а дисперсионной средой — жидкость. Фактически это взвеси порошков в жидкостях. Условно суспензии обозначают в виде дроби: Т/Ж, в числителе которой указывается агрегатное состояние фазы, а в знаменателе — агрегатное состояние среды.

Суспензии разделяются по следующим признакам:

- по природе дисперсионной среды на органосуспензии и водные суспензии;

- по размерам частиц дисперсной фазы на грубые суспензии (d >10^-2см), тонкие суспен зии (5×10^-5< d < 10^-2см) и мути (1×10^-5< d < 5×10^-5см);

- по концентрации частиц дисперсной фазы на разбавленные суспензии (взвеси) и концентрированные (пасты).

Разбавленные суспензии — это свободнодисперсные бесструктурные системы, а концентрированные — связнодисперсные структурированные системы.

Суспензию, также как и любую другую дисперсную систему, получают диспергационными и конденсационными методами. Кроме того суспензии образуются в результате коагуляции лиозолей.

Отсутствие структуры в разбавленных суспензиях и наличие ее в концентрированных обусловливает резкое различие в свойствах этих систем.

Оптические свойства разбавленных суспензий заключаются в том, что световая волна, проходя через суспензию, может поглощаться (суспензия окрашена), отражаться от поверхности частиц (мутная суспензия) и только в высокодисперсных суспензиях
(5×10^-5см) наблюдается светорассеяние.

Электрокинетические свойства суспензий подобны аналогичным свойствам гидрозолей и обусловлены образованием на поверхности частиц дисперсной фазы двойного ионного слоя и возникновением электрокинетического потенциала.

Молекулярно-кинетические свойства суспензий различны и определяются степенью их дисперсности.

Как правило, суспензии являются седиментационно неустойчивыми системами. Агрегативная устойчивость разбавленных суспензий сходна с агрегативной устойчивостью лиофобных золей. Но суспензии являются более агрегативно устойчивыми, так как содержат более крупные частицы и, следовательно, имеют меньшую свободную поверхностную энергию.

Для концентрированных суспензий — паст определяющим являются структурно-механические свойства, которые характеризуются такими параметрами, как вязкость, упругость, пластичность и др.

Весьма насущной является задача разрушения суспензий, так как сточные воды промышленных предприятий — это в той или иной степени разбавленные суспензии. Следовательно, очистка сточных вод от твердых частиц — это разрушение суспензий.

К основным методам разрушения суспензий относятся: механические, термические и химические.

Механические — основаны на отделении вещества дисперсной фазы от дисперсионной среды, возможном благодаря седиментационной неустойчивости суспензий. Для этого используют различные устройства: отстойники, фильтры, центрифуги.

Термические методы основаны на замораживании суспензий с последующим их оттаиванием и высушиванием (по сути, их концентрирование).

Химические методы разрушения суспензий основаны на использовании химических реагентов, поэтому их часто называют реагентными методами. Химическое действие реагентов сводится к понижению агрегативной устойчивости суспензий, т.е. уничтожению потенциального барьера коагуляции.

Эмульсией называется микрогетерогенная система, состоящая из взаимонерастворимых жидкостей, распределенных одна в другой в виде капелек. Жидкость, взвешенная в виде капелек, называется дисперсной фазой. Жидкость, в которой распределена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.

Эмульсии обычно классифицируют по двум признакам:

- по концентрации дисперсной фазы различают разбавленные (£ 0,1% об), концентрированные (0,1% ¸ 74% об) и высококонцентрированные (> 74% об);

- по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды существуют эмульсии I рода (прямые) − М/В; эмульсии II рода (обратные) − В/М.

Любую полярную жидкость принято обозначать буквой «В» - «вода», а неполярную буквой «М» − «масло».

В эмульсиях I рода капельки неполярной жидкости (масла) распределены в полярной (воде). В эмульсиях II рода − наоборот.

Эмульсии получают конденсационными и диспергационными методами. Практически все эмульсии получают в присутствии специальных веществ — стабилизаторов, называемых эмульгаторами, которые придают эмульсии относительную устойчивость.

К основным характеристикам эмульсий относятся: дисперсность; устойчивость во времени и концентрация дисперсной фазы.

Дисперсность эмульсии определяется размерами частиц дисперсной фазы.

Устойчивость во времени характеризуется скоростью расслоения эмульсии, которую определяют, измеряя высоту (объем) отслоившейся фазы через определенные промежутки времени после получения эмульсии.

Разбавленные эмульсии, как правило, тонкодисперсны и близки по свойствам к лиофобным золям. Они являются седиментационно устойчивыми. Коагуляция эмульсий под действием электролитов подчиняется правилу Шульце-Гарди.

В концентрированных эмульсиях капли достаточно крупные, поэтому они седиментационно неустойчивы. Вследствие высокой концентрации капли находятся в постоянном контакте и легко наступает коалесценция — слияние капель.

Высококонцентрированные эмульсии по своим свойствам схожи со структурированными коллоидными системами — гелями.

Агрегативная устойчивость эмульсий — это способность сохранять во времени неизменными размеры капель дисперсной фазы, т.е. противостоять коалесценции.

Существует несколько факторов агрегативной устойчивости эмульсий. Электростатический фактор — вокруг капелек эмульсии образуется ДЭС и вследствие этого возникает энергетический барьер, препятствующий сближению частиц. Адсорбционно-сольватный фактор — эмульгаторы, адсорбируясь на поверхности капли, уменьшают поверхностное натяжение на границе «капля-среда» и делают систему более устойчивой. Структурно-механический фактор устойчивости — на поверхности капель образуется слой молекул эмульгатора, обладающий повышенной вязкостью и упругостью и препятствует слиянию капель.

В качестве эмульгаторов для повышения агрегативной устойчивости применяют неорганические электролиты, коллоидные поверхностно-активные вещества, ВМС и высокодисперсные порошки.

Специфическим свойством большинства эмульсий является обращение фаз — изменение типа эмульсии. На обращение фаз влияют: объемная концентрация компонента, природа эмульгатора, температура. Так, изменяя концентрацию компонента, заменяя эмульгатор или изменяя температурный режим можно обращать — превращать эмульсию I рода в эмульсию II рода или наоборот.

Проблема деэмульгирования, т.е. разрушения эмульсий, не менее важна, чем получение эмульсий.

Деэмульгирование лежит в основе многих технологических процессов. На деэмульгировании, в частности, основана очистка сточных вод.

Разрушение эмульсий осуществляют: химическими методами, сводящимися к реагентной нейтрализации действия эмульгатора; термическими методами, основанными на нагревании эмульсий до высоких температур с последующим отстаиванием, осаждением под действием силы тяжести или центробежных сил; электрическими методами — в случае, когда капли заряжены или, когда они нейтральны, но приобретают дипольный момент в электрическом поле.

По учебнику необходимо ознакомиться с другими микрогетерогенными системами: пенами, аэрозолями, порошками.