Диспергирование

Классификация способов получения дисперсных систем

ПОЛУЧЕНИЕ И ОЧИСТКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Г л а в а I2

В любой отрасли промышленности специалист сталкивается с проблемой получения дисперсных систем. Для этой цели используют различные методы, но все они сводятся либо к дроблению крупных кусков вещества до требуемой дисперсности, либо к объединению молекул или ионов в агрегаты дисперсной фазы. В соответствии с этим следует рассмотреть методы получения систем путем диспергирования и конденсации.

В основе этих методов лежат два противоположных процесса, приводящих к одному и тому же результату — образованию дисперсных систем.

Дисперсные системы могут быть созданы самой природой или получены искусственно в результате различных процессов. Дисперсные системы, составляющие весь растительный и животный мир, возникают при его зарождении. Грунт формируется в результате тысячелетних процессов, которые происходили при образовании планеты Земля.

В некоторых отраслях промышленности дисперсные системы создаются искусственно. Получение дисперсных систем органически входит в технологический цикл производства.

Образование дисперсных систем может осуществляться без изменения поверхностной энергии, когда уже раздробленная дисперсная фаза одной системы смешивается с дисперсной фазой другой. Подобный процесс, например, имеет место при приготовлении продукции из смеси различных компонентов комбикормов, детского питания, цемента, бетона и др.

В большинстве случаев для получения дисперсных систем необходимы затраты внешней энергии. Классификация способов получения подобных систем приведена на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Классификация способов получения дисперсных систем

(в скобках указан вид систем)

Все способы искусственного получения дисперсных систем можно разделить на две группы (рис. 12.2). Первая из них основана на диспергировании, т.е. на получении мелких частиц дисперсной фазы из сплошного и крупного по размерам тела; вторая, наоборот, связана с укрупнением частиц молекулярного размера до размеров частиц дисперсной фазы и появлением границы раздела фаз.

Диспергирование может быть самопроизвольное и несамопроизвольное. Самопроизвольное диспергирование характерно для лиофильных систем (см. параграф 10.4) и связано с ростом беспорядка системы (когда из одного большого куска образуется много мелких частиц). При диспергировании, согласно условию (10.22), при постоянной температуре рост энтропии должен превышать изменение энтальпии.

В отношении лиофобных систем самопроизвольное диспергирование исключено, поэтому диспергирование возможно лишь путем затраты определенной работы или эквивалентного количества теплоты, которое измеряется, в частности, энтальпией.

Изменение энтальпии в изобарно-изотермическом процессе определяется соотношением между работой когезии W_ки работой адгезии W_а(см. параграф 3.2); последняя характеризует энергию межфазового взаимодействия. Поясним это соотношение. Для диспергирования необходимо разорвать связи, которые существуют между молекулами (атомами или ионами) сплошного тела. Эти связи определяются когезией, т.е. связями внутри тела в пределах одной фазы; на рис. 12.3 эта связь показана линией АА внутри тела 1. В результате диспергирования под действием внешней силы Р (на рис. 12.3 для простоты представлено образование двух частиц) сплошность тела нарушается и образуются две границы раздела фаз (линии ББ на границе тела 1 с окружающей его средой 2). Энергия (работа) когезии W_кхарактеризует связь внутри тела, а энергия (работа) адгезии W_а— связь его с окружающей средой.

Энергию образования новой поверхности можно выразить через энтальпию, которая имеет вид

(12.1)

Условие (12.1) показывает изменение энтальпии в результате диспергирования. Для лиофильных систем, способных к самопроизвольному диспергированию, когда DS > 0, из условия (10.22.) следует, что ΔH < 0 и

(12.2)

Выполнение условия (12.2) означает самопроизвольный распад большого куска на множество мелких. Подобный процесс (см. параграф 10.4) наблюдается для таких лиофильных систем, как растворы ВМС, частицы глины и некоторые другие.

В отличие от лиофильных в лиофобных системах когезия W_кбольше энергии межфазового взаимодействия, т.е. адгезии W_аПредставим, что из одного зерна необходимо получить две половинки. Самопроизвольно, т.е. без затраты внешней работы, этот процесс не пойдет, так как когезия — связь между молекулами (атомами) внутри зерна W_к— больше энергии межфазового взаимодействия W_амежду поверхностью зерна и окружающей средой (воздуха). В соответствии с условием (12.1) этот процесс приведет к росту энтальпии, а это означает, что для диспергирования и получения из одного зерна нескольких частичек необходимо затратить энергию, эквивалентную ΔН. Рост энтальпии (ΔН > 0) соответствуют увеличению энергии Гиббса [см. условие (10.21)]

ΔН > TΔS; ΔG > 0. (12.3)

Соотношение (12.3) показывает, что процесс диспергирования в этом случае является типично несамопроизвольным (см. рис. 2.1) и осуществляется за счет внешней энергии.

Условие (12.3) лежит в основе всех процессов диспергирования, в том числе и технологии многих отраслей агропромышленного комплекса (мукомольная, крупяная, комбикормовая, крахмалопаточная и др.), связанных с получением исходных продуктов.

Соотношения (12.1)—(12.3) характеризуют условия диспергирования, однако эти условия являются необходимыми, но не всегда достаточными. В некоторых случаях на границе раздела фаз могут образовываться адсорбционные слои, которые снижают (иногда существенно) затраты энергии на диспергирование лиофобных систем.

В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы диспергирование достигается измельчением, распыливанием и барботажем. Характеристика основных способов диспергирования, применяемых в промышленности, приведена в табл. 12.1.

Измельчением твердых тел получают дисперсные системы с жидкой и твердой дисперсионной средой. Дисперсные системы с жидкой дисперсной фазой, т.е. системы типа Ж/Г и Ж/Ж, получают распыливанием (рис. 12.4); масса жидкости (сплошное тело) превращается в капли под действием газового, реже жидкостного потока. Барботаж связан с подачей в жидкую среду газа или воздуха. В некоторых случаях пузырьки газа могут образовываться в жидкой среде в результате побочных процессов или самопроизвольно.

Наиболее распространенным в некоторых отраслях промышленности является измельчение твердых тел. Если в результате измельчения получают довольно крупные твердые частицы размером в несколько миллиметров и даже сантиметров, то такой процесс называют дроблением. Получение частиц размером от 1 до 1000 мкм, т.е. средне- и грубодисперсных систем, называют помолом. Чем больше частицы дисперсной фазы, тем грубее помол. Получение высокодисперсных систем измельчением требует большого расхода энергии, что практически не всегда целесообразно. Поэтому высокодисперсные системы чаще получают методом конденсации.

В зависимости от внешнего воздействия и условия разрушения твердого тела различают три основных способа измельчения: резание (распиливание); под действием сосредоточенной внешней силы (раскалывание, раздавливание, удар) и истирание [см. табл. 12.1].

Т а б л и ц а 12.1

Характеристика основных способов диспергирования

Способы	О б ъ е к т ы	Вид дисперсных систем	Аппараты
Резание, распиливание	Твердые тела, уголь, горные породы, пищевые массы (мясо, рыба,чай, табак, овощи)	Грубодиперсные	Резательные, отбойные молотки и др.
Раскалывание, раздавливание, удар, истирание	Полимерные и строительтельные материалы (цемент, красители, пигменты, наполнители,керамические порошки, композиции сплавов, огнеупоров и др.), пищевые массы (мука, крупа, кофе, комбикорма и др.)	Средне- и грубодисперные   Высоко-и среднедисперсные	Дробилки, вальцевые станки, жернова Мельницы,бичевые машины
Распыливание	Полимерные и другие материалы, молоко, жидкости, в том числе и топливо	Средне- и грубодисперсные	Распылительные устройства
Барботаж	Пены в качестве промежуточного и готового продукта	— " —	Барботажные машины

Измельчение является основным технологическим процессом мукомольного производства. Измельчение вымытого картофеля — один из важнейших циклов картофельно-крахмального производства. В процессе измельчения происходят вскрытие клеток картофельного клубня и освобождение зерен крахмала.

Измельчение часто осуществляется постадийно, т.е. сначала одним способом получают крупные частицы, а затем другим дробят их на более мелкие.

Кроме способов, перечисленных в табл. 12.1, диспергирование осуществляется с помощью акустических, в том числе и ультразвуковых и электрических установок. Ультразвуковые способы реализуются с помощью аппаратов, оснащенных магнитострикционными преобразователями, свистками и другими генераторами ультразвука. Действие ультразвукового поля по диспергированию основано на явлении кавитации-образовании заполненных газом полостей, захлопывании их и возникновении упругой волны. Электрические аппараты сообщают избыток электрических зарядов распыляемой жидкости, что приводит к отталкиванию одноименных зарядов и дроблению жидкости на капли.

Диспергирование характеризуется степенью диспергирования. Она определяется отношением размеров исходного продукта и частиц дисперсной фазы полученной системы. Степень диспергирования можно выразить следующим образом:

α₁= d_н/d_к; α₂= B_н/B_к; α₃= V_н/V_к, (12.4)

где d_н; d_к; B_н; B_к; V_н; V_к— соответственно диаметр, площадь пoвepxнocти, объем частиц до и после диспергирования.

Таким образом, степень диспергирования может быть выражена в единицах размера (α₁), площади поверхности (α₂) или объема (α₃) частиц дисперсной фазы, т.е. может быть линейной, поверхностной или объемной.

Соотношение между ними можно показать на следующем примере. В результате измельчения сахара-песка с размером частиц d_H= 10 мм в сахарную пудру с размером частиц d_K= 10 мкм получаются следующие значения степени диспергирования: α₁= 10³, α₂= 10⁶и α₃= 10⁹. Степень диспергирования α₃, которая применительно к картофельно-крахмальному производству характеризуется как отношение объема вскрытых клеток крахмала к общему объему крахмала в картофеле, колеблется в пределах 80—100.

Для коллоидной химии как науки о поверхностных явлениях большее значение имеет степень диспергирования, выраженная через поверхность раздела дисперсной фазы с дисперсионной средой, — α₂.

Работа W, необходимая для диспергирования твердого тела или жидкости, затрачивается на деформирование тела W_ди на образование новой поверхности раздела фаз W_а, которая измеряется работой адгезии. Деформирование является необходимой предпосылкой разрушения тела. Согласно П.А.Ребиндеру работа диспергирования определяется по формуле

W =W_a+ W_д= σ*ΔB + кV, (12.5)

где σ* — величина, пропорциональная или равная поверхностному натяжению на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой; ΔB — увеличение поверхности раздела фаз в результате диспергирования; V — объем исходного тела до диспергирования; к — коэффициент, эквивалентный работе деформирования единицы объема тела.

При дроблении одного килограмма сахара в пудру величина ΔВ равна 500 – 5 = 495 м², а σ* = 400 мДж/м². Рассчитанная по формуле (12.5) работа образования новой поверхности после диспергирования W равна 198 Дж/м²; это примерно соответствует энергии, необходимой для испарения 0,1 кг воды. При учете огромных масштабов производства и широкого применения диспергирования неудивительным становится тот факт, что на получение дисперсных систем расходуется примерно 5% от общего потребления энергии в промышленности.

При помощи методов коллоидной химии можно в некоторых случаях существенно (до 50%) снижать затраты энергии, необходимые для диспергирования. К числу таких методов относится адсорбционное понижение прочности (см. параграф 6.3). В результате адсорбции ПАВ на поверхности твердого тела снижается межфазовое поверхностное натяжение [величина σ* в формуле (12.5)], облегчается деформирование твердого тела (уменьшается коэффициент к этой формулы). По этой причине небольшие добавки ПАВ, всего до 0,1% по отношению к массе продукта, позволяют значительно снизить расход энергии на диспергирование.

Снижение энергии диспергирования достигается за счет сочетания различных методов (например, помол с одновременной вибрацией), проведения процесса в жидкой среде с использованием ударной силы потока жидкости, а также за счет способов, о которых речь шла ранее.

Дата добавления: 2014-10-15