Методы получения дисперсных систем

Методы получения дисперсных систем делятся на две принципиально различающиеся группы: диспергационные и конденсационные.

Диспергирование

Получение дисперсных систем методом диспергирования связано с дроблением и измельчением веществ. Диспергирование может осуществляться механическими, электрическими, химическими (пептизация) и ультразвуковыми способами.

Механическое диспергирование веществ постоянно происходит в природе — выветривание горных пород, образование ледников и другие процессы. Большое значение механическое диспергирование имеет в промышленных процессах — обогащении руд, металлургическом производстве при образовании шлаков, в нефтепереработке, строительстве, медицине, фармацевтике. При этом используют различные типы и конструкции мельниц, обеспечивающие получение нужной степени размола. Так, шаровые мельницы обеспечивают получение частиц грубого размола (~ 10 ⁴ м); в коллоидных мельницах получаются частицы более тонкого размола, например, при дроблении сахара, кофе, крахмала, графита, химических реактивов используют коллоидные мельницы для получения высокой степени дисперсности вещества.

Диспергирование начинается с дробления, измельчение вещества является следующей стадией. Работа W, затрачиваемая на диспергирование вещества, по уравнению Ребиндера состоит из двух слагаемых:

где W^ — работа, затрачиваемая на дробление; — работа, затрачиваемая на измельчение вещества; А К и As — изменение объема системы и поверхности дисперсных частиц в ней; и — коэффициенты пропорциональности.

Если объем тела пропорционален кубу линейного размера, а площадь — его квадрату, то уравнение Ребиндера можно переписать как соотношение.

где /Г и — коэффициенты пропорциональности.

Для первой стадии диспергирования важно первое слагаемое К.а*,.

так как работа, затрачиваемая на деформацию и дробление, связана с размерами исходных кусков вещества (как правило, крупных и с небольшой поверхностью) и их механической прочностью. На второй стадии диспергирования работа пропорциональна величине образующейся поверхности. При больших размерах частиц можно пренебречь работой образования поверхности и, наоборот, при малых размерах — работой объемного деформирования.

Если в целом коэффициенты пропорциональности К^ и К₂ зависят от природы вещества, среды, метода дробления, то во втором слагаемом коэффициент /С, принимает на себя функцию энергии образования единицы поверхности, то есть поверхностного натяжения: к^ = К^ с5.

При дроблении и измельчении разрушение тел идет, но местам прочностных дефектов — микро грещинам, которые имеются в слабых местах кристаллической решетки, при этом прочность частиц возрастает, что используется для получения более прочных материалов.

Для облегчения диспергирования материалов и снижения энергозатрат обычно используют специальные добавки, называемые понизителями прочности. Обычно добавление понизителей прочности в количестве -0,1% от массы измельчаемых веществ снижает энергозатраты на получение дисперсных систем примерно вдвое. Эффект снижения прочности твердых тел в присутствии понизителей прочности называется эффектом Ребиндера. Он основан на том, что развитие микротрещин под действием силы идет легче при адсорбции различных веществ из среды, то есть сама по себе среда не разрушает поверхность тел, а лишь помогает разрушению. Действие добавок, представляющих из себя чаще всего поверхностноактивные вещества (ПАВ), сводится, прежде всего, к снижению поверхностного натяжения и уменьшению работы измельчения. Кроме того, добавки, смачивая материал, помогают среде проникнуть в места дефектов твердого тела и с помощью капиллярных сил облегчают его разрушение. Эффект Ребиндера широко используется в промышленности. Например, измельчение руды всегда проводят в водной среде в присутствии ПАВ; качество обработки деталей на станках в присутствии эмульсии ПАВ резко повышается, увеличивается срок службы металлорежущего инструмента и снижаются энергозатраты на проведение процесса.

Диспергирование широко используется при получении эмульсий — дисперсных систем, в которых одна жидкость диспергирована в другой жидкости, то есть обе фазы являются жидкими (Ж/Ж). Необходимым условием образования эмульсий является полная или частичная нерастворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде. Поэтому жидкие вещества, образующие эмульсию, должны различаться по полярности. Обычно вода (полярная фаза) является составляющей частью эмульсий. Вторая фаза должна быть неполярной или малорастворимой жидкостью, называемой вне зависимости от состава маслом (бензол, толуол, растительные и минеральные масла).

Эмульсии делятся на два типа: прямыми называются эмульсии М/В (дисперсная фаза — масло, дисперсионная среда — вода); обратными (инвертными) — эмульсии В/М (дисперсии воды в масле). Примером эмульсий I типа могут служить эмульсии, образующиеся при конденсации отработанного пара в двигателе, пищевые эмульсии (молоко, сливки); типичная эмульсия II типа — сырая нефть, в которой содержится до 50% солевых растворов. Сырая нефть представляет собой эмульсию В/М, стабилизованную маслорастворимыми ПАВ (парафинами, асфальтенами). В качестве примера пищевых обратных эмульсий можно привести маргарины или сливочное масло. Тип эмульсии определяется объемным соотношением фаз: дисперсной фазой является та жидкость, которая находится в меньшем количестве. Определить тип можно по способности смешиваться с полярными и неполярными растворителями или растворять полярные или неполярные красители, а также, но электрической проводимости (для водной дисперсионной среды электрическая проводимость на несколько порядков выше, чем для неводной).

Эмульсии имеют широкое распространение в природе и различных технологических процессах. Большую роль играют эмульсии в жизнедеятельности человека, например, кровь представляет эмульсию, в которой дисперсной фазой являются эритроциты.

Однотипность агрегатного состояния двух смежных фаз определяет особенности устойчивости эмульсий. Седиментационная устойчивость эмульсий достаточно велика и тем больше, чем меньше разница в плотностях дисперсной фазы и дисперсионной среды. На процесс седиментации в эмульсиях может накладываться процесс флокуляции (агрегации), приводящий к укрупнению частиц и, следовательно, к увеличению скорости их оседания (или всплывания).

Агрегативная устойчивость эмульсий, как и всех дисперсных систем, определяется их лиофильностью или лиофобноегью. Большинство эмульсий относится к лиофобным системам. Они термодинамически неустойчивы и нс могут образовываться самопроизвольно из-за наличия избытка свободной энергии на межфазной поверхности. Эта неустойчивость проявляется в самопроизвольном слиянии капель жидкости друг с другом (коалесценции), что может привести к полному разрушению эмульсии и разделению ее на два слоя. Агрегативная устойчивость таких эмульсий возможна лишь в присутствии стабилизатора, препятствующего слиянию частиц. Стабилизатором может быть компонент системы, находящийся в ней в избытке, или вещество, специально вводимое в систему, в этом случае стабилизатор называют эмульгатором. В качестве эмульгаторов обычно используются поверхностно-активные или высокомолекулярные вещества. Эмульгаторы могут быть гидрофильными и гидрофобными. Наиболее распространенными гидрофильными эмульгаторами являются натриевые (калиевые) соли жирных кислот, которые лучше растворяются в воде, чем в углеводородах. Они способны стабилизировать прямую эмульсию типа М/В. Ориентация адсорбционного слоя ПАВ происходит в соответствии с правилом Ребиндера: неполярный радикал обращен к неполярной жидкости, а полярная группа — к полярной. В эмульсиях прямого типа полярные части эмульгатора располагаются на наружной стороне капель масла и препятствуют их сближению. Эти же вещества в эмульсиях обратного типа адсорбируются полярными группами на внутренней поверхности капель воды и не мешают их слиянию (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Расположение гидрофильного эмульгатора в прямых (а) и обратных (6) эмульсиях В определенных условиях возможно явление, которое называется инверсией — обращением фаз эмульсии (или просто обращением эмульсии), когда при изменении условий или введения каких-либо реагентов, эмульсия данного типа превращается в эмульсию противоположного типа.