Суспензии

ПЕНЫ

Пены — это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой — жидкость (жидкая пена) или твердое тело (твердая пена). Объем дисперсной фазы ν_г часто значительно превышает объем жидкой фазы ν_ж. Отношение ν_г/ν_ж может достигать значения 500—1000. В таких пенах газовые пузырьки сильно деформированы и по форме приближаются к криволинейным многогранникам. В пенах, в которых отношение ν_г/ν_ж = 110, газовые пузырьки имеют шарообразную форму.

Как и все системы, которые имеют избыток поверхностной энергии, пены термодинамически неустойчивы. Устойчивость пен оценивают по времени, на протяжении которого самопроизвольно разрушается столб пены на половину начальной высоты.

Для образования пены жидкость взбалтывают или энергично перемешивают в сосуде, который частично заполнен воздухом. Во время перемешивания жидкость захватывает воздух, в результате чего на ее поверхности образуется пена. Для образования пены применяют также барботаж, при котором газ пропускают в жидкость через перфорированную трубу или перегородку. Этот способ, в частности, используют при пенной флотации. Пену можно получить также конденсационным методом. В результате химической реакции в жидкости образуется газовая фаза. Так, в огнетушителях используют химическую реакцию NаНСО₃ + НСl = NaС1 + Н₂О + СО₂ в результате которой возникающая газовая фаза (СО₂) образует пену.

Обычно в чистых жидкостях газовые пузырьки быстро коалесцируют или лопаются, и пена практически не образуется. Для стабилизации пен в жидкость вводят ВМС (белки, таниды – дубильные вещества), которые, адсорбируясь на поверхности раздела газ — жидкость, образуют механически прочные студни. Стабилизируют пены также с помощью поверхностно-активных веществ, главным образом полуколлоидов, молекулы которых имеют полярные и неполярные группы (например, стеарат или пальмитат натрия, некоторые красители). Адсорбируясь и ориентируясь на поверхности раздела жидкость — газ, они образуют поверхностные кристаллы высокой механической прочности. Стабилизаторы пен получили название пенообразователей. Для стабилизации пен используют также так называемые слабые пенообразователи, которые не образуют на поверхности раздела фаз механически прочных структур, а только понижают поверхностное натяжение и тем самым снижают термодинамическую неустойчивость пен.

Пены имеют большое практическое значение, в частности, при пенной флотации, которая отличается от масляной флотации значительно большей скоростью и меньшим расходом минерального масла. При масляной флотации тонко измельченную руду интенсивно перемешивают в воде с небольшим количеством эмульгатора — флотореагента. Частицы пустой породы (силикаты, карбонаты), как гидрофильные, смачиваются водой и оседают на дно. Ценные породы (например, сульфиды металлов) адсорбируют флото-реагенты, которые придают им гидрофобные свойства. В результате этого частицы ценной породы всплывают и отделяются от пустой породы. При пенной флотации раздробленную руду перемешивают с водой в присутствии пенообразователей. В воду добавляют флотореагент, который адсорбируется на поверхности частиц ценной породы, придавая им гидрофобность. Гидрофобные частицы прилипают к газовым пузырькам, собираясь в слое флотореагента (масла), который окружает пузырьки воздуха, образующиеся при подаче его под давлением (рис. 116). Воздух подается через перфорированные трубы, размещающиеся в нижней зоне аппарата. Газовые пузырьки со значительной скоростью поднимаются вверх, унося с собой частички ценной породы. Пенообразователи стабилизируют слой минерализованной пены, которую отделяют с помощью специальных скребков. Чтобы исключить вынос пустой породы пеной вместе с ценной породой, в воду добавляют реагенты, которые увеличивают их гидрофильность.

Противопожарные пены эффективно используют в борьбе против пожаров, особенно нефтяных.

Действие разных моющих веществ в значительной мере связано с образованием пены. Преимущественное количество загрязнений адсорбируется высокоразвитой межфазной поверхностью пены. Это используется при очистке диффузионных соков на сахарных заводах, при облагораживании тканей способом мойки с пенообразователем и т. д. Пенообразователи используются в пищевой промышленности для изготовления кремов, взбитых сливок, молочных коктейлей.

Широкое применение получили твердые пены, в которых дисперсионная среда пребывает в твердом состоянии. К твердым пенам относятся пеностекло, пенобетон, пенопласт. Все они характеризуются малой объемной массой, высокими звуко- и теплоизолирующими свойствами. Поэтому такие материалы, как пеностекло и пенобетон, используют для теплоизоляции холодильников, теплоизоляции и звукоизоляции жилых домов.

Пеностекло характеризуется особыми технологическими свойствами. Оно хорошо пилится, строгается, сверлится. Для приготовления твердых пен (например, пеностекло) твердое стекло нагревают вместе с газообразователем (карбонатами) до температуры, превышающей на несколько градусов температуру стеклования. При этом в результате термического разложения газообразователя образуется диоксид углерода (IV), вспенивающий стекло. После затвердевания образуется пеностекло. Аналогично получают и пенопласт. Твердый термопластичный полимер вместе с твердым и жидким газообразователем нагревают до температуры, на несколько градусов превышающей температуру стеклования. При этом газообразователь вспенивает полимер. Образуются, как правило, не сообщающиеся между собой полости (ячейки) и небольшое количество ячеек, сообщающихся между собой. Пенопласты получаются также путем вспенивания вязких жидких композиций в процессе образования полимера, например пенополиуретан.

Суспензии представляют собой системы Т/Ж. Размеры твердых частиц в суспензиях 0,1 мкм<r< 10 мкм. Частицы с меньшей степенью дисперсности обычно быстро оседают. Дисперсность суспензий можно определить с помощью микроскопического анализа (оптический микроскоп, электронный микроскоп) или с помощью седиментационного анализа. Так же как и коллоидные растворы, суспензии могут быть получены конденсационным или агрегационным методом. При этом процессы проводят так, чтобы получить кристаллики (или сросшиеся кристаллики) соответствующей степени дисперсности.

Суспензии, как и коллоидные растворы, рассеивают и поглощают свет, но в отличие от коллоидных растворов они мутны и в проходящем свете. Электрокинетические свойства суспензий подобны коллоидным растворам. Введение электролитов вызывает коагуляцию частичек суспензии. Суспензии, подобно коллоидам, удается в ряде случаев стабилизировать введением поверхностно-активных частиц или ВМС. Подобно коллоидам, суспензии образуют пространственные структуры. Тиксотропия (уменьшение вязкости) проявляется у суспензий в большей степени, чем у коллоидов.

Суспензии имеют большое значение в природе. Многие геологические и почвенные процессы связаны с существованием суспензий: это образование осадочных пород в результате седиментации суспензий, намыв дельт в результате выноса твердых частичек реками и их коагуляции. Суспензии играют большую роль и в технике. Так, вулканизации каучука в производстве резины предшествует приготовление суспензии серы в каучуке; малярные и печатные краски представляют собой стабилизированные суспензии в олифе или других органических связующих вязких жидкостях. Суспензиями являются известковые и цементные «растворы», применяемые в строительстве; суспензии глины в воде представляют собой исходные материалы в керамическом производстве.

Дата добавления: 2014-01-03