Устойчивость и получение пен

Коллоидно-химические и физико-химические свойства пен.

Свойства и особенности пен.

П ены - дисперсные системы типа Г/Ж, дисперсная фаза - газ или пар, дисперсионная среда - жидкость. Пены - высококонцентрированные дисперсные системы. Разбавленные системы типа Г/Ж - газовые эмульсии. В разбавленных системах происходит обратная седиментация - всплывание пузырьков газа.

В отличии от других дисперсных систем, которые характеризуются концентрацией дисперсной фазы, пены характеризуются содержанием дисперсной фазы. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро меняются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены b, которая показывает, во сколько раз объем пены V_п превышает объем жидкости V_ж, необходимой для ее формирования:

b = V_п/V_ж = (V_г + V_ж)/V_ж = 1 + V_г/V_ж (14.2)

где V_п,V_г,V_ж - объемы пены, газовой дисперсной фазы, жидкой дисперсионной среды.

Относительная доля воздуха в пенах:

e = 1 - 1/b (14.3)

Классификация пен:

влажные b<10,

сухие b>100

полусухие 10<b<100.

С увеличением кратности пены растет диаметр пузырьков.

Межфазовое поверхностное натяжение пен определяется свойствами жидкости и газовой среды. Если эти свойства не изменяются, то поверхностное натяжение будет величиной постоянной. При уменьшении энергии Гиббса начинается самопроизвольное разрушение пен.

В пене происходит контакт пузырьков, разделенных слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков.

Пленки жидкости между пузырьками, образуют треугольники Плато (рис.14.2)

Рис.14.2.Треугольник Плато:1 - пленки жидкости, 2-канал.

В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120⁰.В местах стыков пленок образуются утолщения - каналы. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы.

Разрушению пены способствует укрупнение пузырьков пены. Этот процесс происходит в результате диффузии газов из мелких пор в более крупные и за счет прорыва слоя жидкости между пузырьками.

1.Электроосмос и потенциал течения.

2.Поглощение и рассеяние света.

3.Капиллярное давление внутри пузырьков.

4.Электропроводность.

5.Вязкость.

Пены - термодинамические неустойчивые лиофобные дисперсные системы. Избыточная поверхностная энергия вызывает процессы, которые ведут к увеличению размеров пузырьков, уменьшению дисперсности пены и ее разрушению и определяют агрегативную неустойчивость пен.

Основной параметр, характеризующий агрегативную устойчивость пен, является скорость уменьшения в единице объема пены удельной поверхности или увеличение размера пузырьков.

На практике оценку агрегативной и седиментационной устойчивости пен проводят при помощи коэффициента устойчивости К_у:

К_у = t_р/V_п, (14.4)

V_п - первоначальный объем пены, t_р - время разрушения пены.

Коэффициент устойчивости определяют по времени жизни столбика пены высотой 3-5 см.

Пенам придают устойчивость ПАВ.

Для получения пен и для придания им устойчивости применяют пенообразователи. Два типа пенообразователей:

1.Дают малоустойчивые пены - спирты, ПАВ, не обладающие моющим действием.

2.Мыла и синтетические ПАВ.

Факторы, определяющие устойчивость пен:

1.Кинетические.

2.Структурно-механические.

3.Термодинамические.

На практике иногда нужно исключить пенообразование. Для разрушения образующейся пены применяют механические, физические и химические способы.

Механические - струя воздуха. Физические - термическое воздействие. Химические - применение веществ-пеногасителей (жиры, масла).

АЭРОЗОЛИ.КЛАССИФИКАЦИЯ

Аэрозоли - дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии. Дисперсионная среда- газ, дисперсная фазы -твердая.(Т/Г).

Классификация аэрозолей.

Дисперсная фаза	Обозначение	Название
твердая жидкая твердая и жидкая пена газовые образования твердая	Т/Г Ж/Г Т, Ж/Г Ж, Г/Г Т, Г/Г Г/Г^* Т/	Дым, пыль Туман, капли Смог Жидкая аэрозольная пена Твердая аэрозольная пена Газовые гидраты   Космическая пыль

ОБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ.

Концентрация и размеры частиц дисперсной фазы все время меняются.

Дисперсионная среда аэрозолей - газ, это обуславливает электрический заряд аэрозольных частиц. Электрические заряды возникают в результате трения твердых частиц при образовании аэрозолей, при дроблении жидкостей.

Электрические свойства аэрозолей отличаются от электрических свойств золей и суспензий. Здесь не образуется ДЭС, заряд частиц не компенсируется, является избыточным, частицы могут иметь заряды различного знака.

Агрегативная устойчивость аэрозолей также обусловлена особенностями газовой дисперсионной среды. Подвижность частиц в газовой среде в отсутствии электростатических сил отталкивания приводит к тому, что вероятность e, которая характеризует кинетику коагуляции, равна или близка к единице. Это означает, что процесс идет по механизму быстрой коагуляции. В результате коагуляции частицы укрупняются и образуются агрегаты.

Оптические свойства. Интенсивность Рэлеевского рассеяния света высокодисперсными аэрозолями зависит от показателя преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы..

Вязкость воздуха примерно в 1000 раз меньше вязкости воды, поэтому седиментационная устойчивость аэрозолей ниже, чем у суспензий.

Аэрозоли характеризуются более интенсивным броуновским движением и диффузией, чем золи.

Перевести частицы в аэрозольное состояние можно с помощью механических процессов или взрыва (Чернобыльская катастрофа - радиоактивное облако).

В атмосфере Земли возникновение аэрозолей происходит под действием воздушного потока.

На частицу, взвешенную в воздушном потоке, действует аэродинамическая сила. Препятствовать оседанию частиц будет сила трения и сила конвективных потоков.

Соотношение сил может быть различным, может изменяться во времени.

Наибольшее значение в жизни людей имеют атмосферные аэрозоли, которые возникают самопроизвольно или искусственно, например, при работе промышленных предприятий (промышленная пыль).

Ежегодно в среднем один квадратный километр земной поверхности посылает в атмосферу 20 т раздробленной массы, которая превращается в аэрозоли. Большая часть этой массы в результате разрушения аэрозолей возвращается на Землю.

Устойчивость аэрозолей нарушается естественным путем за счет процессов осаждения под действием дождя, снега и т.п.

Применение аэрозолей:

1.Парфюмерная промышленность.

2.Пищевая промышленность и т.п.

Аэрозоли имеют побочное действие: они легковоспламенимы, токсичны, поэтому в нормативные документы внесены ПДК (предельно допустимые концентрации) аэрозолей, превышение этих норм опасно для здоровья.

ПОРОШКИ.

Порошки - это осадки аэрозолей или системы, полученные в результате диспергирования твердых материалов.

Сыпучие материалы могут быть превращены в аэрозоли под действием газового (воздушного) потока.

СИСТЕМЫ С ТВЕРДОЙ ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДОЙ.

К системам с твердой дисперсионной средой относятся конфеты, хлеб, рубиновые стекла.

Высокодисперсные системы типа Т/Т называют твердыми золями, а грубо- и среднедисперсные - сплавами.

К дисперсным системам Т/Т относятся минералы, горные породы, сплавы некоторых металлов.

Дисперсные системы типа Ж/Т называют твердыми эмульсиями - фарфор, некоторые фрукты (яблоки).

В системах Т/Т и Ж/Т возникает граница раздела фаз, на которой могут происходить адсорбционные и адгезионные процессы.

Из электрокинетических свойств системам Ж/Т присущ электроосмос (удаление влаги из древесины)..

Некоторые системы типа Ж/Т и Т/Т способны рассеивать свет.

Например, жемчуг система типа Т/Т, состоит на 90% из мелких кристалликов карбоната кальция. Каждый кристалл окружен слоем перламутра. Перламутр рассеивает свет и создает неповторимый колорит жемчуга.

Рассеяние света определяет окраску всех драгоценных и полудрагоценных камней, которые содержат примеси тяжелых металлов, являющихся дисперсной фазой.

На основе методик физико-химической механики были получены новые конструкционные материалы. Ряд таких материалов относится к системам Т/Т.

ТВЕРДЫЕ ПЕНЫ.

В системах Г/Т пузырьки газа окружены твердой оболочкой - твердые пены.

В отличии от обычных пен, у твердых пен прочный каркас и они могут сопротивляться внешним усилиям.

Твердые пены получают теми же методами, что и жидкие. В пищевой промышленности твердые пены получают вспениванием при помощи пеносушки.

Пеносушка - это приготовление вспененной массы с одновременным сублимационным высушиванием.

Твердые пены также широко используются в строительстве: пенопласты, пенобетон, пеностекло, поролон.

КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫЕ ТЕЛА.

К капиллярно пористым телам относятся древесина, ткани, бумага, кирпич, фетр. В зависимости от содержания влаги их можно рассматривать как системы типа Г/Ж, Ж/Т или Ж/Г.

Характерное свойство таких тел - подъем жидкости в порах. Капиллярный подъем - самопроизвольный процесс, который связан с уменьшением поверхности раздела фаз за счет механического перемещения фаз относительно друг друга.

Упругость паров в случае вогнутой поверхности жидкости в капилляре меньше, чем над плоской поверхностью. В результате давление паров над плоской поверхностью будет превышать давление в капилляре, и в случае смачивания жидкостью стенок капилляра за счет этого давления жидкость поднимается на высоту Н.

Н = 2s_ЖГcosq/rgr (14.5)

При полном смачивании краевой угол равен 0:

Н = 2s_ЖГ/rgr (14,6)

Капиллярный подъем жидкости имеет место в процессе пропитки и увлажнении структурированных тканей, он определяет влагосодержание почвы, питание растений.

Дата добавления: 2014-01-13