Системы с жидкой и твердой дисперсной фазой

Прежде всего, остановимся на золях с твердой дисперсной фазой, т.е. суспензий. Суспензии или взвеси порошков в жидкости это почвы, грунты, сырая глина, используемая в производстве керамики, цементные и известковые растворы, взвеси пигментов в органических красках, цветных лаков и др. Суспензии одновременно поглощают и рассеивают свет, при этом проявляют муть не только при боковом освещении, но и при проходящем.

Частицы суспензий обладают сравнительно большими размерами (они видны в микроскоп), поэтому суспензии седиментационно неустойчивы, если плотность дисперсной фазы не очень близка к плотности дисперсионной среды и вязкость не очень велика. Суспензии не обнаруживают осмотического давления и броуновского движения и не способны к диффузии. Как правило, частицы суспензии имеют на поверхности двойной электрический слой или сольватную оболочку. Электрокинетический потенциал таких систем имеет величину того же порядка что и типичных золей. Под влиянием электролитов частицы суспензий слипаются, образуя агрегаты.

Для суспензий характерен ряд процессов не свойственных остальным коллоидным системам, или протекающих в них иначе. К таким процессам относят седиментаци и флотация, а также фильтрация и кольматация - вмыв в поры тела мельчайших частиц суспензии. Например в поры грунта глинястых и илистых частиц для уменьшения водопроницаемости дамб.

Эмульсии. Эмульсиями называются дисперсные системы, состоящие из двух или нескольких жидких фаз.. Эмульсии широко распространены в природе (молоко, млечный сок, сливочное масло, лимфа, млечный сок, битумы, мази, кремы, нефть). Их изготавливают так же искусственным путем - главным образом путем механического диспергирования. Наибольшее распространение получили эмульсии, в которых одна из фаз - вода.

Условия их образования - обе жидкости должны быть нерастворимы друг в друге, т.е. вещества должны сильно отличаться по полярности и в системе должен присутствовать стабилизатор, который в этом случае называется эмульгатор.

Классификация эмульсий

Лиофобные эмульсии классифицируют по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды, либо по концентрации дисперсной фазы в системе. Эмульсии первого рода или прямые - это эмульсии неполярной или слабополярной жидкости в полярной. Эмульсии второго рода или обратные - полярной жидкости в неполярной. Эмульсии первого рода обозначают через м/в (м- масло, в - вода). Эмульсии второго рода обозначают соответственно через в/м. Тип эмульсии устанавливается путем определения свойств ее дисперсионной среды. Для этого либо определяют способность эмульсии смачивать гидрофобную поверхность, либо проверяют возможность эмульсии разбавляться водой, либо испытывают способность эмульсии окрашиваться при введении в нее красителя, растворяющегося в дисперсионной среде, либо, наконец, определяют электропроводность эмульсии. Если эмульсия не смачивает гидрофобную поверхность, разбавляется водой, окрашивается при введении водорастворимого красителя (метиленового голубого) и обнаруживает сравнительно высокую электропроводность, то это эмульсия типа м/в. Наоборот, если эмульсия смачивает гидрофобную поверхность, не окрашивается водорастворимым красителем (или окрашивается при введении маслорастворимого красителя, например судана III) и не обнаруживает заметной электропроводности, то это эмульсия типа в/м.

Согласно второй классификации эмульсии делят на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные, или желатинированные.

К разбавленным эмульсиям относят системы жидкость - жидкость, содержащие до 0,1 об % дисперсной фазы. Эти системы относительно устойчивы, поскольку вероятность столкновения капель при малой концентрации невелика. Тем не менее, эффективность столкновений незащищенных капелек в большинстве случаев оказывается высокой. Силы отталкивания малы по сравнению с твердыми частицами, так как поверхностный заряд располагается диффузно в обеих жидких фазах. При столкновении капелек происходит легкое и полное их слияние, называемое коалесценцией. Типичным примером таких систем может служить сырая нефть и эмульсия машинного масла в конденсате, образующемся при работе паровых машин. Кроме того разбавленные эмульсии содержат наиболее высокодисперсные частицы. Диаметр капелек порядка 10^-5 см, т.е. близок к размеру коллоидных частиц. Разбавленные эмульсии обычно образуются без введения в систему специальных эмульгаторов. Тем не менее, как показал опыт, частицы этих эмульсий обнаруживают электрокинетическую подвижность, и следовательно, несут электрический заряд. Заряд возникает на частицах дисперсной фазы таких эмульсий в результате адсорбции ионов неорганических эмульгаторов, которые могут присутствовать в среде в ничтожных количествах, например в результате диссоциации воды - ионы гидроксония и гидроксид- ионы.

К концентрированным эмульсиям относятся системы жидкость - жидкость со сравнительно значительным содержанием дисперсной фазы, вплоть до 74 % об. Это максимальная концентрация, так как она соответствует максимально возможному содержанию недеформированных сферических капель. Такие системы не могут существовать без стабилизации. Длительное существование таких эмульсий связано с образование адсорбционно-сольватного или адгезионного слоя на межфазной границе. Эмульгаторами должны быть ПАВ снижающие s ни границе раздела фаз, с числом атомов углерода в радикале от 8 до 18. При этих условиях обеспечивается сбалансированность гидрофильно-липофильного баланса с небольшим дебалансом в ту или иную сторону, то есть осуществляется образование структурно-механического барьера, обеспечивающего устойчивость эмульсии. (Твердые эмульгаторы - мел, сажа). Устойчивость обеспечивается в том случае, если защитный барьер расположен вне капли, на подступах к ней - в дисперсионной среде (а не внутри капли). Дебаланс определяет тип эмульсии (прямые, обратные). Гидрофильные порошки глины или мела хорошо смачиваются водой и оттягиваются на границе раздела в водную фазу (рис) Капелька масл, окруженная защитным слоем не может сблизится с другими капельками. Гидрофобный эмульгатор, например частички сажи, будет располагаться в неводной фазе. Устойчивой окажется эмульсия В/M. Особенно наглядно сказывается влияние ГЛБ на тип ээмульсии в явлении обращения фаз эмульсии. Достаточно к прямой эмульсии прибавить стабилизированный стеаратом натрия раствор CaCl₂ и сильно встряхнуть, чтобы получить обратную эмульсию. Причиной обращения является изменение природы эмульгатора, в результате реакции ионного обмена. Образующийся стеарат куальция не растворим в воде, слабо гидратирован и не образует защитного барьера в водной фазе. Поскольку концентрированные эмульсии получаются обычно методом диспергирования, то размер их капелек относительно велик и составляет 0,1 - 1 мкм и больше. Такие капельки хорошо видны под обычным микроскопом. Эти эмульсии легко седиментируют, причем седиментация происходит тем быстрее, чем больше разница между плотностями дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Идею обращения фаз исспользуют в некоторых представлениях о биологических мембранах, как о твердообразных эмульсиях, изменяющих в процессе обмена свой тип и проницаемых в одном случае для водорастворимых веществ, а в другом для веществ растворимых в липидах. Жиры являются необходимым компонентом питания, но в воде они не растворимы. Однако именно водная срел\да - основа жизнедеятельности организма. Поэтому организм усваивает жиры, находящиеся в эмульгированном состоянии: молоко, сливки, сметана, Другие жиры усваиваются только после перевода их в эмульгированное состояние вначале в желудке, а затем в двенадцатиперсной кишке, куда поступает желчь, содержащая холевые кислоты. Высокие значения рH, способствуют переводу холевых кислот в соли, являющиеся хорошими эмульгаторами. Перистальтические движения кишечника оказывают диспергирующее действие. Получающаяся высокодисперссная эмульсия всасывается далее через стенки тонких кишок и поступает в лимфу и кровь. При введении веществ per os (через рот) целесообразно использовать прямые эмульсии, а при введении препаратов per cutanum (через кожу) эмульсии обратного типа, поскольку кожа непроницаема для воды. Для расслоения эмульсии применяют механическое воздействие, используют метод вытеснения эмульгатора веществом, обладающим большей поверхностной активностью, но меньшей способностью к образованию структурированных слоев, увеличение концентрации электролита, дегидратация, вымораживание, электрофоретическое выделение дисперсной фазы

К высококонцентрированным или желатинированным эмульсиям относят системы жидкость - жидкость с содержанием дисперсной фазы выше 74 об. %. Отличительной особенностью таких эмульсий является взаимное деформирование капелек дисперсной фазы в результате чего они приобретают вид многогранников, разделенных тонкой прослойкой. Такая эмульсия при рассмотрении в микроскоп напоминает соты. Частицы разделены плоскопараллельными прослойками дисперсионной среды. Устойчивость этих тонких прослоек толщиной порядка сотен ангстрем обусловлена двойным рядом ориентированных слоев эмульгатора, между которыми заключена дисперсионная среда. Ориентированное расположение молекул ПАВ и связанных с ними сольватных оболочек сообщает твердообразные свойства системе прослоек, образующих таким образом квазикристаллический каркас, несущий ячейки, заполненные жидкостью. Вследствие плотной упаковки капелек высококонцентрированные эмульсии не способны к седиментации и обладают механическими свойствами, сходными со свойствами гелей. Их можно приготовить с очень большим содержанием дисперсной фазы. (это сливочное масло, битумы, эмульсионные красители, маргарин).

Пены. Системы Г/Ж аналогичны высококонцентрированным эмульсиям как по структуре, так и по свойствам. Объем газообразной дисперсной фазы значительно превышает объем жидкости - водный раствор пенообразователя. Система имеет строение подобное пчелиным сртам, что соответствует минимуму энергии. Устойчивость тонких прослоек дисперсионной среды обеспечивается двойным рядом ориентированных слоев эмульгатора, между которыми заключена дисперсионная среда. Минимальная толщина прослоек» 100 А.

Для получения пен применяют как диспергационные (встряхивание, интенсивное перемешивание, продавливание газа в жидкость через пористые фильтры), так и конденсационные методы (выделение новой фазы газа при кипении или пересыщении). Например при изготовлении пенобетонна: 2Al + 2Ca(OH)₂ + 2H₂O = 2CaHAlO₃ + 3H₂

К основным характеристикам пены относятся: Объем пены, получаемый из единичного объема жидкости; кинетическая устойчивость пены, характеризуемая временем самопроизвольного разрушения столба пены на половину длины; дисперсность пены.

Дата добавления: 2014-01-07