Практическое применение эмульсий

Эмульсии имеют чрезвычайно широкое применение, при­чем .не только созданные руками человека, но иприродные, среди которых в первую очередь следует выделить молоко, предназначенное природой для вскармливания потомства и содержащее все необходимое для растущего организма, желток яйца, играющего аналогичную роль, млечный сок рас­тений и т. д. Значение этих природных эмульсий трудно переоценить. Человек научился использовать их непосред­ственно, перерабатывать, получая из них массу продуктов и изделий. Но, вероятно, более важным является то, что че­ловек, разобравшись в преимуществах эмульгированного состояния, смог искусственно получать эмульсии и использовать их в различных областях. Отметим основные из них.

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Многие пищевые продукты являются эмульсиями. Это, в первую очередь, связано с тем, что жиры, являясь необ­ходимой составной частью питания, нерастворимы в вод­ной среде, поэтому они усваиваются организмом только в эмульгированном состоянии. Если же жир попадает в организм не в виде эмульсии, например, съели кусок свиного сала, то организм сам, растопив жир, проводит процесс эмульгирования, который происходит вначале в желудке, а затем – в двенадцатиперстной кишке, куда поступает желчь, содержащая холеные кислоты, являю­щиеся исключительно хорошими эмульгаторами. Понятно, что все это требует от организма дополнительной за­траты энергии, избежать которой можно, используя в пищу эмульсии: сливочное масло, майонез, соусы и т. д.

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Многие лекарства готовят в виде эмульсий, причем, как правило, внутрь принимают эмульсии М/В, а наружные средства представляют собой обратные эмульсии (В/М).

ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

С эмульсиями имеют дело при проведении различных синтезов, эмульсии образуются также в экстракционных аппаратах, при процессах перемешивания. Эмульсии при­меняют для получения пористых органических сорбен­тов, мембран, пленок.

К современным направлениям химической техноло­гии относится эмульсионная полимеризация – полиме­ризация в каплях дисперсной фазы – основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилхлорида, поливинилацетата, полиметилметакрилата и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эмульсии – это микрогетерогенные системы, состоя­щие из двух нерастворимых или ограниченно раствори­мых жидкостей (Ж/Ж).

В зависимости от природы дисперсной фазы и дис­персионной среды эмульсии подразделяются на прямые (М/В) и обратные (В/М). Определить тип эмульсии мож­но исходя из того, что в первом случае непрерывной средой является вода, а во втором случае – масло, а это резко сказывается на электропроводности, природе ра­створяемых красителей и других свойствах.

Большинство эмульсий относятся к лиофобным сис­темам и являются термодинамически неустойчивыми. Для их стабилизации используются специальные веще­ства – эмульгаторы. В качестве эмульгаторов применя­ют неорганические электролиты, коллоидные ПАВ, ВМС, высокодисперсные порошки.

Устойчивость эмульсий зависит от межфазового по­верхностного натяжения. В тех случаях, когда по тем или иным причинам поверхностное натяжение мало, эмульсия образуется самопроизвольно (без эмульгатора) и является термодинамически устойчивой.

От природы эмульгатора зависит не только устойчи­вость, но и тип образующейся эмульсии. При изменении природы эмульгатора может происходить обращение фаз эмульсии (переход М/В В/М или обратно).

В зависимости от концентрации дисперсной фазы эмульсии делятся на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.

Разбавленные эмульсии по своим свойствам близки к лиофобным золям:

• вследствие малых размеров частиц они седиментационно устойчивы;

• проявляются молекулярно –кинетические свойства – броуновское

движение, диффузия;

• рассеивают падающий свет;

• коагулируют (коалесцируют) под действием электро­литов в соответствии с правилом Шульце–Гарди. Концентрированные эмульсии седиментационно неустойчивы – вследствие высокой концентрации капли находятся в контакте и легко наступает коалесценция. Устой­чивость таких эмульсий зависит только от эмульгатора.

Высококонцентрированные эмульсии – по своим свой­ствам сходны со структурированными коллоидными сис­темами – гелями.

Для разрушения эмульсий применяются седимента­ция, коалесценция, химические, термические, электри­ческие методы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие системы называются эмульсиями? Как они клас­сифицируются?

2. Какие факторы агрегативной устойчивости эмульсии

вы знаете?

3. Какие вы знаете типы эмульгаторов? Какие факторы устойчивости

играют главную роль в случае разных эмульгаторов?

4. Сформулируйте правило Банкрофта.

5. Как определить тип эмульсии?

6. Что называется обращением фаз эмульсии?

7. Какие существуют методы разрушения эмульсии?

8. Перечислите области практического использования эмульсий.

9. Почему лекарственные препараты, предназначенные для наружного

применения, готовят в виде обратных эмульсий, а принимаемые внутрь

– в виде прямых эмульсий?

Изучив содержание главы 16, вы должны знать:

•классификацию эмульсий;

• свойства разбавленных, концентрированных и высококонцентрирован–

ных эмульсий;

• типы эмульгаторов и основные факторы устойчивости;

• способы получения и разрушения эмульсий.

ГЛАВА 17

ПЕНЫ

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

Условно пены обозначаются в виде дроби: Г/Ж. В при­веденном выше определении термин «грубодисперсные» обозначает, что пузырьки газа могут иметь и макроразме­ры вплоть до 10 см. Слово «высококонцентрированная* означает, что в системе концентрация пузырьков газа (c_d) должна быть больше, чем 74% (объемных). В этом случае пузырьки газа имеют не сферическую форму, а форму многогранников. Если пена монодисперсна, т. е. все пу­зырьки газа имеют одинаковые размеры, то каждый пузы­рек газа имеет форму правильного пентагонального доде­каэдра – двенадцатигранника, любая сторона которого представляет собой правильный пятиугольник (рис. 17.1).

Многогранные пузырьки газа разделены тонкими про­слойками жидкой дисперсионной среды. В зона соприкос­новения трех пленок, принадлежащих трем соприкасаю­щимся пузырькам, образуется канал Плато (по имени из­вестного бельгийского ученого Ж. Плато, занимавшегося исследованием устойчивости дисперсных систем), В плос­кости рисунка (рис. 17.2) канал имеет форму зазора между тремя соприкасающимися цилиндрами – пузырьками газа.

Так как натяжение пленок = 2 ( – поверхностное натяжение жидкости) одинаково, силы натяжения их в одной плоскости уравновешиваются только при одинако­вых углах (120°) между пленками (первое правило Плато).

В каждой вершине многогранника (ячейки) сходятся четыре канала, образуя угол, равный 109°28' (второе пра­вило Плато). Место пересечения каналов называется уз­лом. Каналы пронизывают всю структуру пены, представ­ляя собой цельную систему. Получается пространственная конструкция, в разрезе похожая на пчелиные соты. Такая пена характеризуется минимальной поверхностной энер­гией, следовательно, она наиболее устойчива.

Если же пена полидисперсна (пузырьки газа имеют раз­ные размеры), форма правильного пентагонального додека­эдра нарушается, что приводит к снижению устойчивости.

Следует отметить, что если бы концентрация дисперс­ной фазы была меньше 74% (объемных) – пузырьки газа имели бы сферическую форму, и толщина жидких просло­ек была бы соизмерима с размерами газовых пузырьков, мы имели бы систему, называемую газовой эмульсией. При­мерами газовых эмульсий являются газированная вода, шампанское в бокале и т. д. Газовые эмульсии, в отличие от пен, являются бесструктурными системами.

Несмотря на то, что пузырьки газа могут иметь макро­размеры, пена является микрогетерогенной системой. Это обусловлено тем, что дисперсионная среда (жидкость) хотя и является непрерывной, представляет собой тонкие пленки, имеющие микроразмеры (пленки часто обнаруживают интерференцию – радужную окраску, что показывает, что толщина пленки соизмерима с длиной световой волны). Это дало основание П. А. Ребиндеру определить пены как пластинчато–диспергированную жидкость в газе.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕН

Классификация пен часто основывается на такой важ­ной характеристике как кратность пены:

где V – объем пены, V – объем жидкости, которая использована для получения пены. Оба объема легко из­мерить.

ГОСТ определяет условия, при которых следует определять кратность пены. В градуированный цилиндр ем­костью 1000 см³ следует налить 98 см³ воды и 2 см³ пено­образователя, закрыть пробкой и встряхивать в течение 30 с (двумя руками держать с торцов в горизонтальном положении и встряхивать вдоль оси цилиндра). Поста­вить на стол, вынуть пробку, измерить объем пены. От­ношение объема пены к объему раствора (100 см³) и есть кратность иены.

Таким образом, кратность пены показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидко­сти. Если кратность пены 10, пены называют жидки­ми, а если в пределах 10 1000 – сухими.

В строительстве и производстве стройматериалов ис­пользуют пены с от 5 до 10, в прачечных – с кратно­стью 10 20, Для пожаротушения применяют пены с от 70 до 90. Известны также пены с кратностью до 1000,

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕН

Установлено, что образование сколько–нибудь устой­чивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену мож­но получить только в присутствии специального веще­ства стабилизатора, часто называемого пенообразова­телем.

Основные стадии образования пены можно проследить на примере поведения нескольких пузырьков газа, всплы­вающих в воде, содержащей пенообразователь. В каче­стве пенообразователя возьмем ПАВ. Как только в таком растворе появятся пузырьки газа, на их поверхности нач­нут адсорбироваться молекулы ПАВ и образуют евоеобразную «шубу», состоящую из одного слоя молекул. Всплывая, каждый пузырек достигает поверхности жид­кости, давит на нее, растягивает и образует полусфери­ческий купол. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к растущей поверхности, адсорбируются на ней, предотвращал разрыв пленки жидкости. Таким образом, пузырек оказывается окруженным оболочкой уже из двух монослоев пенообразователя, между которы­ми находится пленка жидкости.

Адсорбционные слои ПАВ обеспечивают длительное существование возникающих пленок. Увеличение чис­ла пузырьков на поверхности раствора приводит к их сближению, при этом форма пузырьков постепенно пе­реходит из сферической в многогранную, а толщина жидких перегородок уменьшается, возникают тонкие жидкие пленки. В результате на поверхности раствора сначала образуется монослой газовых пузырьков, затем формируются последующие слои, что приводит к воз­никновению объемной пены, В результате вся жидкость превращается в пену.

Пену, как любую дисперсную систему, можно полу­чить двумя путями: из грубодисперсных систем, исполь­зуя диспергационные методы, и из истинных растворов с помощью конденсационных методов.

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Эти методы основаны на дроблении газа на пузырьки при подаче его в раствор пенообразователя. Обычно не­большие порции газа вводят в раствор и дробят их до мелких пузырьков. Легче всего этого добиться, продувая газ через трубку, опущенную в жидкость.

В промышленности обычно используют следующие принципы.

1. Прохождение струй газа через жидкость в аэрационных и барботажных установках, в аппаратах с «пен­ным слоем», в пеногенераторах с сеткой, орошаемой ра­створом пенообразователя.

2. Действием движущихся устройств на жидкость или движущейся жидкости на преграду (в технических аппа­ратах с быстроходными мешалками; при взбивании, встря­хивании, переливании растворов).

3. Эжектирование (франц. `еjection – выбрасывание) воздуха движущейся струей раствора в пеногенераторах.

В настоящее время в технике пены готовят, в основном, диспергационными методами. Во всем мире непрерывно ведется разработка более эффективного оборудования.

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

В этих случаях будущая газовая фаза вначале присут­ствует в виде отдельных молекул, из которых затем обра­зуются пузырьки. Конденсационный способ пенообразования можно осуществить четырьмя путями.

Первый путь – изменить параметры физического со­стояния системы:

• понижая давление пара над раствором;

• повышая температуру раствора.

Этот метод почти мгновенного вспенивания служит наглядной иллюстрацией закона: растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и по­нижении температуры. Если снизить давление и увеличить температуру, газ, растворенный в жидкости, сразу начнет выделяться из нее и, если жидкость содержит пенообразователь, образуется пена. Стойкость пены за­висит от свойств и концентрации пенообразователя. Так, лимонад почти не содержит веществ, которые могут иг­рать роль пенообразователей, поэтому, когда мы нали­ваем его из бутылки в стакан, возникающая на поверх­ности жидкости пена почти мгновенно разрушается. Другое дело пиво, которое содержит много пенообразо­вателей.

Аналогичная картина наблюдается при кипячении жидкостей. Если кипящая жидкость содержит пенообра­зователь, то на ее поверхности образуется пена, объем и стойкость которой зависят от природы и концентрации пенообразователя. Достаточно сравнить кипящую воду и кипящее молоко – обильная пена, возникающая над по­следним, переливается через край кастрюли, попадает на раскаленную плиту и превращается в аэрозоль, который образуется из продуктов горения пены.

Второй путь – провести химическую реакцию, со­провождающуюся выделением газа. Примерами могут служить взаимодействие соды с кислотой, пероксида водорода с перманганатом калия, разложение карбоната аммония. Этот путь используется при приготовлении пресного теста, когда в качестве разрыхлителя исполь­зуют питьевую соду NаНСО₃ или карбонат аммония (NH₄)₂CO₃

2NaHCO₃ + 2Н⁺ = Na₂CO₃ + Н₂О + CO₂ .

(NH₄)₂CO₃ + 2Н⁺ = 2NH₃ + H₂O + CO₂ .

Эти реакции протекают в кислой среде, поэтому в муку добавляют лимонную кислоту или смешивают с ней разрыхлитель, готовя так называемый пекарский порошок.

Третий путь – использовать микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением газов, чаще всего СО₂. ,

Таким путем получают дрожжевое тесто – под дей­ствием дрожжей идет спиртовое брожение гексоз:

С₆Н₁₂О₆ 2СО₂ –+2С₂Н₅ОН.

Выделяющийся углекислый газ обусловливает разрых­ление теста, оно увеличивается в объеме в несколько раз. При производстве пива углекислый газ также образуется в результате микробиологического процесса.

Четвертый путьсвязан с электрохимическими про­цессами. При электролизе воды на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. За счет пузырьков газа в присутствии ПАВ, вводимого в раствор, образуется пена. Этот метод используется при электрофлотации.

Конденсационные методы широко применяются в пи­щевой промышленности, при производстве пенопласт–масс, в бытовых огнетушителях, в технологии производ­ства пенобетона.