Аппараты дробления

Для измельчения твердых тел используют дробилки; шаровые, вибрационные и коллоидные мельницы; жернова, ступки, краскотерки. Для двумернопротяженных систем используют вальцы, для одномернопротяженных – фильтры.

Диспергирование жидкостей осуществляют с помощью форсунок, волчков, вращающихся дисков, пульверизаторов, распылителей, ультразвука в присутствии ПАВ и т.д.

Для диспергирования газов используют барбатеры, а также специальные вещества – порофоры.

Метод электрического распыления состоит в том, что через дисперсионную среду пропускают постоянный электрический ток между электродами, изготовленными из материала, коллоидный раствор которого хотят получить. При этом анод растворяется. Вначале при пропускании тока образуется молекулярный раствор, но затем молекулы конденсируются в коллоидные частицы, образуя коллоидный раствор.

Метод использования ультразвука. Этим методом получают коллоидные растворы смол, гипса, графита, металлов, красителей, крахмала и многих других веществ.

Ультразвуковое диспергирование является примером использования физических методов измельчения. Ультразвуковые волны с ν=2·10⁴÷10⁶ с^-1 колебаний в секунду получают с помощью пьезоэлектрического осциллятора. Диспергирующее действие ультразвука связано с тем, что при прохождении звуковой волны в сплошной среде (в жидкости) происходят местные быстросменяющиеся сжатия и растяжения, которые создают разрывающее усилие и приводят к диспергированию взвешенных частиц. Решающую роль здесь играет явление кавитации: при чередовании сжатий и разряжений в жидкости непрерывно образуются и снова исчезают пустоты. При их исчезновении местно развиваются очень высокие давления. Это вызывает сильные механические разрушающие усилия, способные диспергировать не только жидкость, но и твердые частицы.

Под действием ультразвука происходит стерилизация эмульсий и суспензий, т.к. кавитация вызывает разрушение тел микроорганизмов и спор.

Методом диспергирования получают грубодисперсные и микрогетерогенные системы с размерами частиц, диаметром нитей и толщиной пленок до 100 нм. Ультрамикрогетерогенные системы, т.е. истинно коллоидные с размерами в интервале 1-100 нм можно получить только методом конденсации.

Процесс конденсации предполагает образование новой фазы на уже имеющихся поверхностях (стенках, примесях) или на поверхности зародышей, возникающих самопроизвольно в результате флуктуаций плотности и концентрации вещества в системе. В первом случае конденсация называется гетерогенной, во втором – гомогенной.

Чтобы сконденсированное вещество не исчезало, исходная система должна быть перенасыщенной. Степень пересыщения для пара и раствора выражается соотношениями:

и , где

P – давление пересыщенного пара, P_S – равновесное давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости; С – концентрация в пересыщенном растворе, С_S – растворимость вещества.

В отсутствии ядер конденсации γ может достигать больших значений. Например, в высоких слоях атмосферы, где нет пыли, вода в облаках может находиться в жидком состоянии при -20 ÷ -40 °С.

Возникновению центров конденсации соответствует определенная критическая степень пересыщения γ_кр. В этом случае энергию Гиббса образования зародышей выражают в виде двух составляющих: поверхностной и химической.

Химическая (объемная) составляющая определяется разностью химических потенциалов вещества в паре μ_п и в конденсированной фазе μ_ж:

,

где n – число молей вещества в зародыше; V – объем зародыша;
V_м – молекулярный объем вещества в жидком состоянии.

Приращение поверхностной энергии в результате образования новой поверхности: , тогда полное изменение энергии Гиббса при образовании зародыша конденсации:

Если p < p_s, то μ_ж > μ_п и – самопроизвольно фаза не образуется.

При пересыщении p > p_s, μ_ж < μ_п, тогда возникновение новой фазы зависит от соотношения между и . Для зародыша сферической формы:

.

Найдем критический радиус зародышеобразования, для чего производную приравняем к нулю:

,

отсюда ; ; , тогда

.

– уравнение Кельвина.

Если , то возникающие зародыши самопроизвольно растут. При снижается, образование новых зародышей прекращается. Найдем .

,

т.е. – энергия Гиббса образования зародыша при гомогенной конденсации равна 1/3 поверхностной энергии зародыша, остальные 2/3 компенсируются химической составляющей энергии.

Конденсация из жидкой фазы, осуществляемая при переохлаждении, может быть рассмотрена аналогично:

, , , где – переохлаждение, образование росы.

, откуда .

Чем больше переохлаждение, тем меньше .

Кинетику образования дисперсной системы рассмотрим на примере получения гидрозоля серы по реакции:

Na₂S₂O₃+2HCl → 2NaCl + SO₂+S↓+H₂O.

Процесс предполагает наличие двух стадий:

I стадия – образование центров конденсации (зародышей)

II стадия – рост зародышей.

I стадия характеризуется величиной индукционного (алатентного) периода; II стадия характеризуется наклоном линии T=f(τ), чем она круче, тем выше скорость роста образовавшихся зародышей.

В общем случае необходимо учитывать соотношение скоростей образования зародышей и их роста – в этом состоит искусство управления степенью дисперсности системы. При малой скорости образования зародышей (τ_инд большой) и высокой скорости их роста возникают грубодисперсные системы и наоборот. При малой растворимости веществ образуются высокодисперсные системы. Ограничение времени образования новой фазы и внесений зародышей извне способствуют получению монодисперсной системы.

Дисперсность можно регулировать уменьшением соотношения концентраций реагирующих веществ, их вязкости и внесением ПАВ.

Дата добавления: 2014-12-16