Проблема устойчивости дисперсных систем

УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Проблема устойчивости — одна из центральных проблем коллоидной химии, это проблема «жизни и смерти» дисперсных систем. Устойчивость дисперсных систем определяется свойствами дисперсной фазы, в частности размерами частиц, и дисперсионной среды, ее агрегатным состоянием и присутствием примесей, и является прямым следствием наличия границы раздела фаз и избытка поверхностной энергии на этой границе.

Практика, как всегда, ставит противоположные задачи: сохранить дисперсную систему или разрушить ее, т.е. сделать систему устойчивой или неустойчивой. Кровь, например, является дисперсной системой, устойчивость которой сохраняется на протяжении всей жизни организма. Устойчивыми дисперсными системами должны быть пищевые массы. Вода природных водоемов представляет собой дисперсную систему, которую для использования необходимо очистить; в процессе очистки происходит разрушение дисперсной системы.

Устойчивость означает способность дисперсных систем сохранять свой состав неизменным, когда концентрация дисперсной фазы и распределение частиц по размерам остаются постоянными во времени. Устойчивость — одна из важнейших характеристик дисперсных систем с жидкой и газовой дисперсионной средой, т.е. систем типа Т/Ж, Ж/Ж, Г/Ж, Т/Г и Ж/Г.

Различают два вида устойчивости: седиментационную и агрегативную. Особенности этих двух видов устойчивости схематически показаны на рис. 10.1.

Седиментационная устойчивость определяется способностью противодействовать оседанию частиц. Седиментация, или оседание, приводит к разрушению дисперсной системы. На частицу дисперсной фазы (рис. 10.2, а, б) действует гравитационная сила Р, которая вызывает оседание частиц.

Противодействие этой силе зависит от размеров частиц. Для относительно крупных (средне- и грубодисперсных) частиц (рис. 10.2, а) — это сила трения, для мелких (высокодисперсных, рис. 10.2, б) — вызванная диффузией. Гравитационная сила способствует росту концентрации в нижележащей части дисперсной системы по сравнению с концентрацией в вышележащей части. В результате возникает градиент концентрации (см. параграф 9.3) и диффузионный поток, направленный в сторону противоположную гравитационной силе. Подобный процесс характерен для высокодисперсных систем, которые являются седиментационно-устойчивыми. Средне- и особенно грубодисперсные системы относятся к седиментационно-неустойчивым.

Рис. 10.2. Седиментационное равновесие:

а, б — силы, действующие на крупные (среде- и грубодисперсные) и мелкие (высокодисперсные) частицы; в — изменение концентрации дисперсной фазы в зависимости от высоты

Частицы космической пыли, попадая в верхние слои атмосферы, распространяются вокруг земного шара и не спешат на землю. Их продолжительное нахождение над поверхностью Земли обусловлено седиментационной устойчивостью. Образовавшееся в результате Чернобыльской катастрофы радиоактивное облако при своем движении оставляло опасный радиоактивный след в результате оседания седиментационно-неустойчивых радиоактивных частиц, относящихся к средне- и грубодисперсным системам.

Рис. 10.3. Схема коагуляции (а) и коалесценции (б):

1 — частицы или капли дисперсной фазы;
2 — агрегаты после коагуляции твердых частиц или капель;
3 — укрупненная в результате коалесценции капля; 4 — седиментация;
5 — обратная седиментация (всплытие)

Под агрегативной устойчивостью подразумевают сохранение межфазовой поверхности. Она определяется способностью дисперсных систем противодействовать слипанию частиц (рис. 10.3). Взаимодействие и слипание твердых частиц приводит к образованию агрегатов 2. В результате происходит укрупнение частиц, структура дисперсной фазы претерпевает изменение, а образующиеся агрегаты приобретают способность оседать или всплывать. Агрегация и слипание твердых частиц называют коагуляцией.

Взаимодействие жидких частиц дисперсной фазы (см. рис. 10.3, б) приводит к образованию агрегатов 2, но в отличие от твердых частиц они состоят из капель. Затем при определенных условиях (преодоление действия граничных слоев, препятствующих взаимодействию капель) может происходить слияние капель. Этот процесс называют коалесценцией. В результате образуется укрупненная капля 3, масса которой равна сумме масс исходных капель, изменяется структура дисперсной системы, а образовавшиеся укрупненные капли могут всплывать или оседать.

Особенности двух видов устойчивости (см. рис. 10.1) имеют прямое отношение к некоторым отраслям промышленности. Частицы цемента запыляют воздух, а значительная часть их оседает вблизи цементных заводов, образуя своеобразный ландшафт. Подобные системы обычно седиментационно-неустойчивы, но оседание частиц происходит медленно.

Поэтому принимают меры для принудительного разрушения дисперсных систем путем фильтрации и другими способами. Устойчивость порой определяет качество продукта. Так, помутнение соков и образование в них осадков обусловлены седиментационной неустойчивостью. К числу факторов, определяющих срок годности некоторых продуктов питания (молочных, соков, майонеза и др.), относится время, в течение которого продукт сохраняет свою устойчивость. Седиментационная и агрегативная устойчивость и неустойчивость дисперсных систем проявляется в отдельных циклах технологического процесса практически во всех отраслях промышленного комплекса.

Дата добавления: 2014-10-15