Применение суспензий

Пасты

Пасты – это структурированные суспензии, наличие структуры (пространственной сетки, образованной сцеплением между собой частиц, в петлях которой находится дисперсионная среда) обусловливает их резко отличные от взвесей свойства. Они являются седиментационно и агрегативно устойчивыми системами. Пасты обладают упруго-вязко-пластическими свойствами, для них характерны: невысокая механическая прочность, тиксотропия (способность самопроизвольно восстанавливать механически разрушенную структуру), синерезис (сжатие структуры с выделением из нее жидкости), ползучесть, пластичность, набухание.

Область распространения суспензий велика, суспензиями являются почвы и грунты при достаточном содержании влаги, вода природных и искусственных водоемов, всю твердообразную пищу животные усваивают в виде суспензии. Любая отрасль промышленности и сельского хозяйства использует суспензии. Многие пищевые продукты представляют собой суспензии: плодово-ягодные соки, разнообразные пасты (томатная, шоколадная, шоколадно-ореховая и т.д.), соусы, готовая горчица и другие. Практически любое пищевое производство на той или иной стадии связано с образованием, переработкой или разрушением суспензий.

Эмульсии (Ж₁/Ж₂)

Эмульсия – это микрогетерогенная система, состоящая из двух взаимнонерастворимых жидкостей, одна из которых распределена в другой в виде капелек (дисперсная фаза). Жидкость, в которой распределены капельки, называется дисперсионной средой.

Эмульсии классифицируют по двум признакам: по концентрации дисперсной фазы и по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Если концентрация капелек меньше чем 0,1% об, то эмульсия называется разбавленной, при концентрации в интервале от 0,1 до 74% об – концентрированной; если концентрация больше, чем 74% об, то такая эмульсия называется высококонцентрированной (желатинированной).

Так как эмульсию можно получить только в том случае, если жидкости не растворимы друг в друге, то они должны резко отличаться по полярности. Принято любую полярную жидкость называть «вода» и обозначать буквой «В». Любую неполярную или малополярную жидкость называть «масло» и обозначать буквой «М». Исходя из этого, эмульсии подразделяются на два типа:

- эмульсии I рода (прямые) – М/В;

- эмульсии II рода (обратные) – В/М.

Как любую другую дисперсную систему эмульсии получают двумя группами методов: диспергационными методами и конденсационными методами. Диспергационные методы основаны на дроблении системы, состоящей из двух жидких слоев. В зависимости от вида внешней работы они подразделяются на механическое, ультразвуковое, электрическое диспергирование.

Конденсационные методы основаны на образовании капель дисперсной фазы в жидкости, которая в дальнейшем будет играть роль дисперсионной среды. Эти методы подразделяются на: конденсацию из паров и замену растворителя. Наиболее распространенными являются диспергационные методы.

Эмульсии являются седиментационно неустойчивыми системами, если капли легче, чем среда, то они всплывают, если тяжелее, то оседают под действием силы тяжести.

Агрегативная устойчивость концентрированных эмульсий достигается только в присутствии специальных веществ – эмульгаторов. В качестве эмульгаторов используются низкомолекулярные электролиты (они оказывают слабое эмульгирующие действие, применяются редко), коллоидные ПАВ, ВМС, тонкоизмельченные нерастворимые порошки. Эмульгатор, адсорбируясь на поверхности капель, создает защитный барьер, предотвращающий их слияние (коалесценцию). Факторы устойчивости, которые при этом реализуются, зависят от природы эмульгатора (подробнее см. раздел «Суспензии»).

Тип образующейся эмульсии (М/В или В/М) во многом определяется природой эмульгатора. Жидкость, в которой лучше растворим (или лучше смачивается) эмульгатор, является дисперсионной средой. Поэтому, если эмульгатор лучше растворим в воде, то образуется эмульсия I рода (М/В), если лучше растворим в масле, то образуется эмульсия II рода (В/М). Существует несколько экспериментальных методов определения типа эмульсии: метод разбавления, метод смачивания гидрофобной поверхности, метод окрашивания непрерывной среды, кондуктометрический метод.

Специфическим свойством большинства эмульсий является обращение фаз – изменение типа эмульсии. На обращение фаз влияют: объемная концентрация компонентов, природа эмульгатора, его концентрация, температура, динамика процесса эмульгирования.

Проблема деэмульгирования не менее важна, чем проблема получения эмульсий. Деэмульгирование лежит в основе многих технологических процессов, очистки сточных вод от водонерастворимых органических жидкостей. Полное разрушение эмульсий происходит в результате коалесценции, когда обнаруживается видимое невооруженным глазом разделение фаз. В промышленных масштабах эмульсии разрушают химическими методами (используя специальные вещества – деэмульгаторы, которые нейтрализуют действие защитного слоя эмульгатора), термическими методами (нагревая или замораживая эмульсии), электрическими методами. Часто эти методы применяют совместно в различных сочетаниях.

Эмульсии имеют чрезвычайно широкое распространение в окружающем нас мире. Среди природных эмульсий в первую очередь необходимо отметить молоко, предназначенное природой для вскармливания потомства и содержащее все необходимое для растущего организма, желток яйца, играющий аналогичную роль, млечный сок растений и т.д. В результате переработки этих эмульсий, получают массу продуктов и изделий. Не менее важными являются искусственно полученные эмульсии. Отметим некоторые из них: многие пищевые продукты (масло, майонез, маргарин, различные соусы и т.д.) – это эмульсии, так так жиры усваиваются организмом только в эмульгированном состоянии. Некоторые лекарства готовят в виде эмульсий, причем, внутрь принимают эмульсии М/В, а наружно – В/М. Моющее действие мыла и стиральных порошков также основано на процессе эмульгирования жировых загрязнений.

Пены (Г/Ж)

Пены – это грубодисперсные высококонцентрированные системы, в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, имеющие форму многогранников, а дисперсионной средой – жидкость в виде тонких пленок.

Таким образом, пены имеют сотообразную структуру, в которой пузырьки газа могут иметь макроразмеры (вплоть до 10 см), а тонкие пленки дисперсионной среды – микроразмеры, соизмеримые с длиной световой волны (4×10^-5 - 7×10^-5см).

Классификация пен основана на их кратности (b).

где V_п – объем пены; V_ж – объем жидкости, которая использована на образование пены. Кратность пены показывает, сколько объемов пены можно получить из единичного объема жидкости. Пены называются жидкими, если их кратность не больше 10, сухими – если кратность больше 10, вплоть до 1000.

Установлено, что образование пены в чистой жидкости невозможно. Пену можно получить только в присутствии специальных веществ – пенообразователей. Диспергационные методы получения пены основаны на дроблении газа на пузырьки при подаче его в раствор пенообразователя. Легче всего этого добиться, продувая газ через трубку, опущенную в жидкость. Можно перемешивать воздух и жидкость какими-либо мешалками. Можно встряхивать, взбивать, переливать жидкость, содержащую пенообразователь. Иногда орошают жидкостью металлическую сетку, через которую принудительно подается газ. Конденсационные методы получения пены связаны с образованием пузырьков из отдельных молекул, находящихся в жидкости. Для этого надо понизить давление или повысить температуру над жидким раствором, содержащим пенообразователь. Так образуется пена на поверхности пива, налитого из бутылки в кружку, или обильная пена, возникающая при кипячении молока. Можно также провести химическую реакцию, сопровождающуюся выделением газа, и если жидкость содержит достаточное количество пенообразователя, то образуется пена. Например, приготовление пресного теста, когда в качестве «разрыхлителя» применяется пищевая сода:

2 NaHCO₃ Na₂CO₃ + H₂O +CO₂­

Используются и микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением газов, чаще всего СО₂. Так, приготовление дрожжевого теста связано со спиртовым брожением гексоз под действием дрожжей:

С₆Н₁₂О₆2 СО₂ + 2 С₂Н₅ОН

Выделяющийся углекислый газ и обусловливает разрыхление теста, обычно говорят “тесто подошло”.

Газ может образовываться при электролизе воды, этот метод используется в электрофлотации.

Конденсационные методы широко применяются в пищевой промышленности, при производстве пенопластмасс, пенобетона, в бытовых огнетушителях.

Для оценки свойств пены обычно используются следующие показатели: кратность пены, дисперсность пены (чаще всего указывают распределение пузырьков по размерам), устойчивость во времени (время, которое проходит с момента образования пены до ее самопроизвольного разрушения).

Пены, как и другие дисперсные системы, являются термодинамически неустойчивыми системами, они обладают только относительной устойчивостью, которая подразделяется на агрегативную и седиментационную.

Агрегативная устойчивость пены заключается в ее способности сохранять в течение определенного времени размеры пузырьков газа. Так как реальная пена, как правило, является полидисперсной (пузырьки газа в ней имеют разные размеры), то происходит самопроизвольный переход газа их маленьких пузырьков в большие, при этом маленькие пузырьки становяться еще меньше, а большие – еще больше, говорят пена “стареет”. Чем больше различие в размерах пузырьков пены, тем сильнее проявляется диффузия газа. Экспериментальные данные показывают, что диффузия газа в пене процесс относительно медленный и можно утверждать, что пены относительно агрегативно устойчивы.

Седиментационная устойчивость пен весьма своеобразна и отличается от других дисперсных систем. Ее нарушение связано с процессом самопроизвольного стекания жидкости в пленке пены, что приводит к ее утончению и в конце концов, к разрыву. Этот процесс вызывается действием сил гравитации и капиллярных сил всасывания.

Факторы, влияющие на устойчивость пены, можно разделить на три группы. Первая группа факторов связана с наличием пенообразователя, в качестве которго обычно используются коллоидные ПАВ и ВМС. Среди коллоидных ПАВ предпочтение отдают средним членам гомологических рядов анионных ПАВ. Лучшими пенообразователями среди ВМС являются полиэлектролиты, например, белки. Установлено, что большей пенообразующей способностью обладают пенообразователи, которые могут стабилизировать эмульсии I рода (М/В). Вторая группа факторов связана со свойствами дисперсионной среды. Чем больше вязкость жидкости, тем устойчивее пена. Третья группа факторов связана с внешними воздействиями. Повышение температуры отрицательно влияет на устойчивость пены, за исключением тех случаев, когда термическая обработка приводит к переходу жидкой дисперсионной среды в твердообразную, которая обладает практически абсолютной устойчивостью. Отрицательную роль играют и различные механические воздействия.

Серьезной проблемой для многих производств является проблема разрушения пены. Способы пеногашения многообразны, их можно разделить на две группы:

- методы предупреждения пенообразования

- методы разрушения уже образовавшейся пены.

Выбор того или иного способа пеногашения определяется стойкостью пены, требованиями к технологии; экономическими показателями готовой продукции.

Пены широко распространены, отметим некоторые из них. Многие пищевые продукты употребляются в виде пен: хлебобулочные изделия, кремы, муссы, торты, взбитые сливки, молочные коктели, мороженое и т.д. Пеносушка (сушка с предварительным вспениванием) перспективна при производстве сухого картофельного пюре, яичного порошка, кофе, сухого пюре некоторых плодов, казеинатов, молока, кормовых дрожжей. Пены незаменимы при тушении пожаров.

Аэрозоли (Т/Г и Ж/Г)

Аэрозоли – это микрогетерогенные системы, в которых твердые или жидкие частицы дисперсной фазы распределены в газообразной дисперсионной среде.

По агрегатному состоянию дисперсной фазы аэрозоли подразделяются на туманы (Ж/Г), дымы и пыли (Т/Г).

Конденсационные методы получения аэрозолей связаны с образованием в гомогенной системе (газе) новой фазы – дисперсной фазы. Обязательным условием для ее образования является наличие пересыщенного пара, конденсация которого и приводит к образованию твердых или жидких частиц дисперсной фазы. Объемная конденсация пересыщенного пара может происходить при адиабатическом расширении паров (таким путем образуются облака), при смешении паров и газов, имеющих разные температуры, при соприкосновении с холодной поверхностью (так образуются природные туманы), при охлаждении газовой смеси, содержащей пар. Кроме того, аэрозоль может возникнуть в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих веществ. Эти реакции могут иметь самый различный характер. В результате сгорания топлива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к появлению топочного дыма. Дымы возникают при сгорании фосфора на воздухе. Образование дымов, состоящих из частиц оксидов металлов, сопровождает различные металлургические и химические производства.

Аэрозоли образуются при диспергировании (измельчении, распылении) твердых и жидких тел в газовой среде и при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние при действии воздушных потоков.

Оптические свойства аэрозолей подчиняются тем же закономерностям, что оптические свойства лиофобных золей, но более ярко, за счет большой разности в плотностях, а следовательно, в показателях преломления частицы и газовой среды. Для аэрозолей наиболее характерны рассеяние и поглощение света.

Особенность молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлена: а) малой вязкостью дисперсионной среды – воздуха, отсюда малым коэффициентом трения, возникающим при движении частицы; б) малой плотностью дисперсионной среды.

Все это приводит к тому, что движение частиц под действием каких-либо сил в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в лиофобных золя. Характер этого движения определяется размерами частиц, если r > 1×10^-4 cм, то диффузией можно пренебречь, идет быстрая седиментация, и частицы оседают. Если r < 1×10^-6 cм, то седиментацией можно пренебречь, идет интенсивная диффузия, в ходе которой частицы, сталкиваясь друг с другом, непременно слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации. Таким образом, из аэрозолей быстро исчезают как очень маленькие, так и очень крупные частицы, первые вследствие прилипания к стенкам сосуда или слипания друг с другом, вторые – в результате оседания на дно. Частицы средних размеров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы велика не была концентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не превышает 10⁸ част/см³. Для частиц аэрозоля характерно движение в поле температурного градиента, т.е. в направлении изменения температуры. Это обусловило такие явления как термофорез, термопреципитация, фотофорез. Термофорез - самопроизвольное движение частиц в направлении снижения температуры, оно вызвано тем, что с «горячей» стороны на частицу налетают более быстрые молекулы газа, смещая ее в «холодную» сторону. Термопреципитация – осаждение частиц аэрозоля преимущественно на холодных поверхностях, когда вблизи присутствуют горячие тела. Так оседает пыль на стенках и потолке вблизи радиаторов, ламп, горячих труб, печей и т.д. Фотофорез – передвижение частиц аэрозоля при одностороннем их освещении.

Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств этих же частиц в лиофобных золях. Из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не идет электролитическая диссоциация, и на частицах аэрозоля поэтому не образуется ДЭС. Заряд на частицах возникает за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые всегда в каком-то количестве присутствуют в газовой фазе и превышает элементарный электрический заряд не больше, чем в 10 раз.

Заряд частицы носит случайный характер, причем он изменяется во времени как по знаку, так и по величине. Он может увеличиваться, уменьшаться или становиться равным нулю.

В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует всякое взаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой. Следовательно, в аэрозолях отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Аэрозоли, таким образом, являются агрегативно неустойчивыми системами.В них происходит быстрая коагуляция (т.е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию).

Необходимость разрушения аэрозолей возникает при очистке атмосферного воздуха от промышленных аэрозолей, при улавливании из промышленного дыма ценных продуктов, при искусственном дождевании или рассеивании облаков и тумана. Из очистных сооружений наиболее древним является дымовая труба, которая и сейчас еще не потеряла своей актуальности (на Норильском горнометаллургическом комбинате труба достигает высоты 420 м). Однако современная концентрация промышленного производства требует, чтобы дымовые выбросы проходили предварительную очистку. Разработано много способов разрушения аэрозолей, но любой из них включает в себя две стадии: первая – уславливание дисперсных частиц, вторая – предотвращение повторного попадания их в газовую среду, т.е. формирование из них прочного осадка. Пылеулавливание основано или на инерционных силах, или на электрических.

Дата добавления: 2014-01-05