Методы получения и очистки дисперсных систем

Получение дисперсных систем

Коллоидные растворы (золи) по размеру частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между макротелами и молекулами. Этим определяется два возможных пути получения коллоидных систем. Первый путь — агрегация молекул или ионов — такой метод приготовления называют конденсационным. Другой путь — измельчение макротел до размеров ~ 1 мкм, его называют диспергационным методом получения коллоидных систем.

В свою очередь конденсация может быть химической и физической. Ниже приведено несколько примеров химической конденсации.

1. Реакции восстановления. Для получения золей благородных металлов (золота, платины, серебра) применяют реакции восстановления. Реакцию осуществляют в присутствии стабилизатора — ВМС, которые адсорбируются на поверхности коллоидных частиц, затормаживая их дальнейший рост и предотвращая их коагуляцию. В фармацевтической промышленности таким путем получают колларгол — золь серебра, защищенный солями лизальбиновой кислоты.

При получении золя золота протекает реакция восстановления аурата калия формальдегидом:

На образующихся микрокристаллах золота преимущественно адсорбируются ионы аурата, являющиеся потенциалопределяющими ионами. Противоионами служат ионы К+.

2. Реакции обмена. При смешении разбавленных растворов нитрата бария и сульфата калия при условии избытка одного из реагентов сульфат бария не выпадает в осадок, а образует коллоидный раствор:

3. Реакции гидролиза. Для получения золей гидроксидов тяжелых металлов проводят гидролиз их солей. Например, золь Fe (OH)₃ готовят кипячением разбавленного водного раствора FeCl₃, при этом лишь небольшая часть соли гидролизуется:

Часть образующейся соляной кислоты переходит в воздушную фазу, а на поверхности гидроксида железа адсорбируются частично гидролизованные ионы железа Fe (OH)²⁺, Fe (OH)₂⁺, обеспечивая устойчивость коллоидному раствору (см. параграф 8.4).

Реакции химической конденсации проводят при избытке одного из реагентов: ионы адсорбируются на поверхности микрокристалликов золя и образуют двойной электрический слой, предохраняющий мицеллы от дальнейшего роста, а систему — от коагуляции.

В технологии виноделия имеют дело с образованием дисперсных систем при хранении вин, содержащих ионы железа или меди. С течением времени возникает помутнение — «черный» или «белый касс»: указанные катионы химически взаимодействуют с белками и танинами вина, образуя труднорастворимые соединения. При этом формируются частички высокой дисперсности.^[1][2]

лоидных мельницах. Коллоидная мельница была сконструирована в 1920 г. российским инженером К. Плауссоном (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема устройства коллоидной мельницы:

1 — загрузочное отверстие Грубодисперсная взвесь вещества, подлежащего диспергированию, в жидкости, содержащей стабилизатор, подается в загрузочное отверстие коллоидной мельницы. В ней с большой скоростью вращаются лопасти, вовлекающие в движение и жидкость. Частицы взвеси ударяются о неподвижные выступы на корпусе мельницы и дробятся до коллоидных размеров. Стабилизатор предотвращает повторное слипание образующихся частиц друг с другом.

Подобные методы применяют также для диспергирования твердых тел и жидкостей при получении суспензий и эмульсий.

Высокая степень дробления может достигаться механическим распылением жидкой фазы в воздухе. Концентрат клеточной биомассы высушивают в распылительных сушилках. Его диспергируют в камере, заполненной горячим воздухом. Капли концентрата вследствие высокоразвитой поверхности быстро высыхают и в виде высокодисперсного порошка оседают на дно сушилки.

При производстве халвы ядра кунжута измельчают до 0,1—0,3 мм, что определяет вязкость массы и позволяет хорошо ее вымешивать. Дроблением какао-бобов, содержащих 54—56% жира, получают сначала какао-крупку с размером частиц в несколько миллиметров, а затем — какао-тертое с размером частиц около 43 мкм.

Крахмал муки (основной компонент теста) поглощает влагу в зависимости от характера размола. При размоле обычно повреждается около 15% зерен крахмала. Установлено, что неповрежденные зерна могут связывать не более 44% влаги в пересчете на сухое вещество. В то же время поврежденные зерна способны поглотить до 200 % влаги.

Измельчение кофе должно происходить таким образом, чтобы меньше была доля пылевидной фракции, что сокращает потери при фасовке. Вместе с тем для эффективной экстракции необходимо предельное измельчение. Таким образом, при помоле следует находить некий оптимум.

При выпечке хлебобулочных изделий важно гомогенизировать сырье еще до смешивания. Так, сахар должен растворяться в жидкой фазе, жиру не положено расслаиваться, а яйца следует тщательно растереть. Есть и другие хитрости: эмульсию из кондитерского жира, сахара и других рецептурных компонентов подают в месильную машину одновременно с мукой, параллельными слоями. Если раньше инвертный сахар (сахар, нагретый до 104—106°С с лимонной кислотой) добавляли в печенье только для цвета (красоты), то теперь — в больших количествах, чтобы дополнительно удерживал влагу (выпечка дольше сохранит свежесть).

4. Физическое диспергирование. Ультразвуковое диспергирование является примером использования физических методов измельчения вещества. Ультразвуковые волны с частотой 20 000—10⁶ герц получают с помощью пьезоэлектрического осциллятора. Решающую роль при диспергировании ультразвуком играет кавитация: при чередовании сжатий и разряжений в жидкости непрерывно образуются и захлопываются пустоты. При этом создаются очень высокие локальные давления, вызывающие механические разрушающие усилия, способные диспергировать не только жидкости, но и твердые тела. Таким путем дробят камни в почках человека: образующийся «песок» с мочой выводится из организма.

В консервной промышленности для повышения однородности плодово-ягодных пюре применяют ультразвук. При частоте 14—20 кГц и продолжительности «озвучивания» 15—20 с размер частиц суспензии уменьшается до 80 мкм.^[3]

• [1] Примеры физической конденсации.
• [2] Замена растворителя. Раствор вещества будущего золя прибавляют понемногу к жидкости, которая хорошо смешивается с растворителем, но в котором указанное вещество практически нерастворимо. Оно выделяется в виде высокодисперсной фазы. Примером могут служить гидрозоли серы, холестерина или канифоли, получаемые прибавлением их спиртовых растворов в воду. 2. Конденсация паров. При пропускании паров вещества в жидкость происходит их конденсация с образованием золей. Сюда относятся электрические методы получения дисперсий металлов, распыляемых под водой или в органической жидкости, под действиемвольтовой дуги или искрового высокочастотного разряда. Стабилизаторами образующихся частиц золей служат оксиды этих же металлов, являющиеся побочными продуктами процесса распыления. Примеромподобного метода получения дисперсных систем может служить и конденсация водяных паров в атмосфере с образованием тумана и облаков. Диспергационные методы получения дисперсных систем подразделяются на механические, физические и физико-химические. 3. Механическое диспергирование. Это один из основных путейобразования дисперсных систем в природе: при обвалах, выветривании, эрозии почв и т. д. Искусственное механическое диспергирование осуществляютс помощью различных мельниц — шаровых, вальцовых, дисковыхи т. п. Тонкий и сверхтонкий помол проводят в вибромельницах и кол
• [3] Физико-химическое диспергирование (пептизация). Свежий (рыхлый) осадок переводят в золь путем обработки пептизаторами: раствором электролита, раствором ПАВ или подходящим растворителем. Фактически пептизация — это не диспергирование, а дезагрегация имеющейся системы — процесс, обратный коагуляции. Пептизаторсоздает на поверхности частиц осадка двойной электрический слой, расталкивающий частицы. Результат — разобщение частиц и распределение их по всему объему. Таким образом, в составе пептизаторадолжен быть ион-пептизатор, способный к избирательной адсорбции (в согласии с правилом Пескова — Фаянса: см. параграф 8.1). Например, пептизатором рыхлого осадка берлинской лазури полученного при взаимодействии эквимолярных количеств реагентов, может служить раствор FeCl3 или K4[Fe (CN)6] (ионы-пептизаторы Fe+3и [Fe (CN)6]-4, соответственно).