Области применения суспензий

Области распространения суспензий – это вся наша планета Земля, и это ни в коей мере не преувеличение, так как суспензиями являются почвы и грунты при до­статочном содержании влаги; вода природных и искусст­венных водоемов (рек, озер, морей, океанов, прудов, во­дохранилищ). Всю твердообразную пищу животные, в том числе и человек, усваивают в виде суспензий, которые они начинают готовить уже в момент пережевывания.

Любая отрасль промышленности и сельского хозяй­ства в той или иной степени использует суспензии. Отме­тим некоторые из них.

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

В первую очередь отметим, что многие пищевые про­дукты представляют собой суспензии: плодово-ягодные соки, разнообразные пасты (томатная, шоколадная, шоколадно–ореховая и т. д.) соусы и кетчупы, готовая горчица и другие. Но еще более важным является то, что практи­чески любое пищевое производство на той или иной ста­дии связано с образованием, переработкой или разрушени­ем суспензий. Сахарная промышленность – получение и очистка диффузного сока сахарной свеклы, который явля­ется суспензией. Масложировая промышленность – ад­сорбционное рафинирование растительного масла, осно­ванное на использовании в качестве адсорбента суспензии бентонитовых глин. Крахмально–паточная промышлен­ность – производство как картофельного, так и кукуруз­ного крахмала связано с получением суспензий на началь­ных стадиях (крахмальное молоко, мельничное молоко), их очисткой и разрушением с выделением готового про­дукта на завершающем этапе. Молочная промышлен­ность – суспензии образуются в производстве казеина, получении и переработки творога, ассортимент изделий из которого весьма велик. Мясная промышленность – про­изводство мясных фаршей, различных колбас, паштетов связано с приготовлением и переработкой высококонцен­трированных суспензий (паст). Хлебопекарная и мака­ронная промышленность основана на замесе и обработке теста, которое в отношении твердых компонентов являет­ся пастой. Кондитерская промышленность – шоколад­ная масса при температуре несколько выше 35 С представ­ляет собой суспензию частиц какао и кристалликов саха­ра в жидком какао–масле. Помадные массы кондитерского производства представляют собой пасты, твердой фазой в которых являются кристаллики сахарозы, а жидкой – водный раствор сахарозы, глюкозы и мальтозы.

ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Суспензии являются объектами производственных процессов при получении удобрений, катализаторов, кра­сителей и т. д. В современной химической технологии получает распространение суспензионная полимеризация. Она заключается в том, что полимеризация происходит в каплях мономера, диспергированного в воде, в резуль­тате образуется суспензия полимера с размером твердых частиц от нескольких микрон до нескольких миллимет­ров. Этим методом получают полимеры из плохо раство­римых в воде мономеров, например, эфиров акриловой и метакриловой кислот, стирола, дивинилбензола, винилацетата и др.

Нельзя не упомянуть о том, что многие лекарствен­ные и косметические средства используются нами в виде суспензий. Каждый день мы начинаем и заканчиваем с зубной пастой в руках. А зубная паста – это высококон–центрированная суспензия частиц карбоната кальция (пол­ный состав зубной пасты указан на упаковке).

Безусловно, это далеко не полный перечень областей распространения и применения суспензий, и каждый читатель сможет его дополнить, исходя из круга своих индивидуальных интересов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суспензии – это микрогетерогенные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Т/Ж).

В зависимости от частичной концентрации дисперс­ной фазы суспензии делятся на разбавленные и концент­рированные, называемые пастами.

Разбавленные суспензии являются свободнодисперными системами и имеют много общего с лиофобными золями. Подобно лиофобным золям их получают диспергационными и конденсационными методами. Как прави­ло, на поверхности частиц суспензий возникает ДЭС, ко­торый обеспечивает их агрегативную устойчивость. Ве­личина дзета–потенциала имеет тот же порядок, что и у типичных лиозолей. При добавлении электролитов сус­пензии, подобно лиозолям, коагулируют, образуя круп­ные агрегаты. При наложении внешнего электрического поля происходят, правда в меньшей степени, чем у золей, электрокинетические явления.

Вместе с тем частицы дисперсной фазы в суспензиях имеют значительно большие размеры (более 10 ⁵ см), чем частицы золей (10 ⁷ –10 ⁵ см). Этим обусловлены их су­щественные различия:

• суспензии кинетически неустойчивы и быстро седиментируют;

• молекулярно–кинетические свойства – броуновское движение, диффузия,

осмос проявляются слабо или не проявляются совсем;

• суспензии практически не рассеивают свет, преиму­щественно отражая

или поглощая его, частицы дис­персной фазы видны в обычный

микроскоп;

• вследствие малой удельной поверхности частиц дис­персной фазы

суспензий слабо выражены поверхност­ные явления.

Концентрированные суспензии – пасты представля­ют собой связнодисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы взаимодействуют, образуя пространствен­ные структуры. Для этих систем определяющими являют­ся структурно–механические свойства, которые характе–ризуются такими параметрами, как вязкость, упругость, пластичность и др. Для паст характерны невысокая меха­ническая прочность, тиксотропия, синерезис, набухание.

Для определения размеров частиц дисперсной фазы в суспензиях широко применяются методы дисперсионного анализа.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие системы называются суспензиями? В чем состо­ит их принцип –

иальное отличие от лиофобных золей?

2. По каким признакам классифицируются суспензии?

3. Какие классы веществ используются в качестве стаби­лизаторов суспенз–

ий? Какие факторы устойчивости при этом реализуются?

4. Что называется сенсибилизацией?

5. Перечислите методы разрушения разбавленных сус­пензий.

6. Чем определяется возможность образования структу­ры в суспензии?

Какие факторы влияют на структурообразование?

7. Какими характерными свойствами обладают пасты? Механические

свойства паст,

8. Что называется тиксотропией? Чем она количествен­но характеризуется?

9. Характерно ли для паст явление синерезиса?

10. Какой график называется интегральной кривой рас­пределения частиц?

Какие данные можно получить из этой кривой?

11. Как строится дифференциальная кривая распределе­ния? Какую инфор –

мацию получают при анализе этой кривой?

Изучив содержание главы 15, вы должны знать:

• сходство и различия между разбавленными суспензи­ями и лиофобными

золями;

• методы получения и разрушения суспензий;

• свойства паст;

• сущность и методы дисперсионного анализа.

ГЛАВА 16

ЭМУЛЬСИИ

Эмульсией называется микрогетерогенная система, состоящая из взаимнонерастворимых жидкостей, рас­пределенных одна в другой в виде капелек.

Жидкость, взвешенная в виде капелек, называется дисперсной фазой. Жидкость, в которой распределена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой. Условно эмульсии обозначают в виде дроби , где в числителе указано агрегатное состояние фазы (жидкость 1), а в знаменателе агрегатное состояние среды (жидкость 2).

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭМУЛЬСИЙ

Эмульсии обычно классифицируют по двум признакам:

1) по концентрации дисперсной фазы (С_d): разбав­ленные (С_d 0,1% об); концентрированные (0,1% < С_d < 74% об);[12] высококонцентрированные (желатиниро­ванные) (C_d > 74% об).

2) по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды: эмульсии I рода (прямые) – М/В; эмульсии II рода

(обратные) – В/М.

Любую полярную жидкость принято обозначать бук­вой «В» – «вода», а неполярную буквой «М» – «масло».

В эмульсиях I рода капельки неполярной жидкости (масла) распределены в полярной (воде). В эмульсиях II рода дисперсионная среда неполярна.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ

Система из двух несмешивающихся жидкостей будет находиться в термодинамически устойчивом состоянии, если она будет состоять из двух сплошных слоев: верхнего (бо­лее легкая жидкость) и нижнего (более тяжелая жидкость). Как только мы начнем один из сплошных слоев дробить на капельки, чтобы получить эмульсию, будет возрастать меж­фазная поверхность, а следовательно, свободная поверхно­стная энергия и система станет термодинамически неус­тойчивой. Чем больше энергии будет затрачено на образо­вание эмульсии, тем более неустойчивой она будет. Чтобы придать эмульсии относительную устойчивость, исполь­зуют специальные вещества – стабилизаторы, называемые эмульгаторами. Практически все эмульсии (за исключе­нием некоторых, образующихся самопроизвольно) получа­ют только в присутствии эмульгаторов.

Природа и механизм действия эмульгаторов будут рассмотрены в специальном разделе, а пока отметим, что эмульсии – это, как минимум, трехкомпонентные системы, состоящие из полярной жидкости, неполярной жидкости и эмульгатора. При этом одна из жидкостей находится в виде капель. Капли требуемых размеров могут быть получены двумя различными путями: кон­денсационным методом, выращивая их из малых цент­ров каплеобразования, и диспергационным, дробя круп­ные капли.

Наиболее распространенными как в лабораторной, так и в производственной практике являются диспергационные методы.

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Конденсация из паров. Пар одной .жидкости (дис­персная фаза) инжектируется под поверхность другой жидкости (дисперсионная среда). В таких условиях пар становится пересыщенным и конденсируется в виде ка­пель размером порядка 1 мкм. Эти капли стабилизиру­ются в жидкости, содержащей соответствующий эмуль­гатор.

На размер образующихся капель существенным обра­зом влияют давление инжектируемого пара, диаметр впускного сопла, эмульгатор. Этим методом легко полу­чают капли с размерами до 20 мкм.

Эмульсии можно также получить, используя моно­дисперсный аэрозоль, полученный конденсационным ме­тодом. Для этого в слегка пересыщенный пар вводят мел­кие (с размерами 10 ⁶ см) частицы и позволяют цент­рам каплеобразования расти в течение некоторого времени, В результате образуется практически монодисперсный туман, при пропускании которого в дисперсионную среду получают монодисперсную эмульсию.

Замена растворителя. Вещество, которое в будущей эмульсии должно находиться в виде капель, растворяют в «хорошем» растворителе с образованием истинного ра­створа. Если затем в полученный раствор ввести другой растворитель, который существенно «портят» первый, то растворенное вещество будет объединяться в капли, образуя эмульсию. Например, для бензола этанол явля­ется «хорошим» растворителем, в котором бензол нахо­дится в виде молекул. При добавлении к этому раствору воды происходит образование капелек бензола в водноспиртовой дисперсионной среде – возникает эмульсия I рода. Этот процесс легко наблюдается визуально – си­стема из прозрачной становится мутной, так как ка­пельки бензола, в отличие от молекул бензола, рассеива­ют и отражают свет.

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Эти методы основаны на дроблении грубодисперсной системы, которая представляет собой два несмешивающихся жидких слоя. В зависимости от вида работы, кото­рая совершается над грубодисперсной системой, диспергационные методы можно подразделить на три группы.

Механическое диспергирование. Механическая рабо­та, затрачиваемая для диспергирования, сводится к встря­хиванию, смешению, гомогенизации, выдавливанию сплош­ных жидкостей, одна из которых содержит эмульгатор.

1. Метод прерывистого встряхивания (d капель 50 –100 мкм)

Образование эмульсии легко продемонстрировать, если пробирку, в которую налиты две жидкости, энергично встряхивать.

Бриге (1920)установил, что прерывистое встряхива­ние с постоянными интервалами между толчками гораз­до более эффективно, чем непрерывное. Например, для приготовления эмульсии 60% бензола в 1%–м растворе олеата натрия необходимо непрерывное встряхивание в течение 7 мин (за это время механическое устройство со­вершает 3000 толчков). Такая же эмульсия может быть приготовлена путем пяти встряхиваний вручную в тече­ние 2 мин, если интервалы между двумя толчками состав­ляют 20–30 с. При каждом толчке сплошная поверхность между двумя жидкостями становится волнистой и деформируется. Эта волнистость вначале приобретает вид паль­цевидных отростков, которые затем разрушаются на мел­кие капли. Этот процесс совершается в течение примерно 5 с. Если увеличивать интервалы между встряхиваниями, можно ускорить этот процесс. При ручном встряхивании капли будут иметь шаровую форму и размер 50–100 мкм.

2. Применение смесителей

Промышленность выпускает смесители разнообразных конструкций: с мешалками пропеллерного и турбинного типов, коллоидные мельницы, гомогенизаторы.

Гомогенизаторы – это устройства, в которых дис­пергирование жидкости достигается пропусканием ее через малые отверстия под высоким давлением. Эти устрой­ства широко применяются для гомогенизации молока, в ходе которой средний диаметр капель молока понижает­ся до 0,2 мкм, и такое молоко не отстаивается.

Эмульгирование ультразвуком. Образование эмульсий при интенсивном ультразвуковом воздействии впервые наблюдали Вуд и Лукис (1927), которые работали с квар­цевым генератором большой мощности и частотой 200кГц. По мере развития ультразвуковой техники появился це­лый поток исследований в этой области.

Ультразвуковая область частот лежит выше предела слышимости человека (более 15 кГц) и распространяется вплоть до 10⁹ Гц. Для эмульгирования должен приме­няться ультразвук большой мощности, наиболее эффек­тивной является область частот 20–50 кГц.

Следует отметить, что эмульгирование ультразвуком весьма перспективно, хотя пока не находит широкого применения в промышленности.

Эмульгирование электрическими методами. Метод электрического «дробления» известен давно, хотя стал привлекать внимание к себе лишь в последние годы.

В 1958 г. Наваб и Мазон получили практически моно­дисперсную эмульсию в результате электрического дис­пергирования.

Идея их метода состояла в следующем. Жидкость, кото­рая должна быть диспергирована, помещалась в сосуд, за­канчивающийся капиллярной воронкой. Последняя соеди­нялась с положительным полюсом источника высокого на­пряжения. Сосуд был вставлен в большую круглодонную колбу, на дно которой был уложен заземленный металли­ческий электрод. В колбу была налита жидкость, которая служила бы в эмульсии дисперсионной средой. Образующи­еся при истечении из капилляра мелкие капли, попадая в жидкость, образовали эмульсии. Изменяя величину прило­женного напряжения и регулируя зазор между капилля­ром и жидкостью, получали эмульсии с определенными размерами частиц, обычно в интервале 1–10 мкм.

Для улучшения свойств эмульсий жидкость в колбе можно перемешивать и вводить эмульгатор. Таким путем получали устойчивые эмульсии типов М/В и В/М с кон­центрацией до 30%.

Электрические методы диспергирования в настоящее время находятся в стадии развития и совершенствования. Они имеют ряд очевидных преимуществ, из которых глав­ное – высокая монодисперсность получаемых эмульсий. Эти методы позволяют получать эмульсии обоих типов с меньшей концентрацией эмульгатора, чем с помощью дру­гих методов. Однако электрические методы имеют и недо­статки. Так, если жидкости обладают заметной вязкостью, то эмульгирование затруднено или вообще невозможно.

САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ ЭМУЛЬГИРОВАНИЕ

Самопроизвольным называется эмульгирование, кото­рое происходит без затрат энергии извне. Оно обнаружива­ется, например, в двухкомпонентной (без эмульгатора) ге­терогенной системе при температуре, близкой к критичес­кой температуре взаиморастворения[13] этих жидкостей.

При этой температуре поверхностное натяжение становит­ся крайне малым, менее 1 • 10 ⁴ Дж/м² – в этих условиях самопроизвольно образуется эмульсия. Она является тер­модинамически устойчивой, так как избыток свободной поверхностной энергии, возникающей при образовании ка­пель, компенсируется энтропийным фактором – стрем­лением вещества к равномерному распределению в объеме системы. Каждая фаза этой эмульсии является насыщен­ным раствором одной жидкости в другой.

В этой возможности самопроизвольного образования термодинамически устойчивых равновесных систем при условии очень низких значений поверхностного натя­жения заключается одна из характерных особенностей эмульсий, отсутствующая у всех других дисперсных си­стем.

По Ребиндеру, критическое значение _min, необходимое для образования любой самопроизвольной эмульсии, вклю­чая критические эмульсии, определяется выражением:

_min <

где k – постоянная Больцмана.

При r –10 ⁶см и Т = 298 К величина _minдолжна–быть меньше 0,1 эрг/см².

Жидкий жир при поглощении организмом эмульги­руется в кишечнике солями желчных кислот до состоя­ния высокодисперсной жировой эмульсии и затем всасы­вается через стенки кишечника. Интересно, что система таурохолат (желчная соль) – моноглицеридолеиновая кислота при 6,0 < рН <8,5 действительно обладает очень низким поверхностным натяжением (ниже 1 эрг/см²), при котором может происходить самопроизвольное эмульги­рование.

Эмульсии, которые образуются самопроизвольно и,

следовательно, являются термодинамически устойчивы­ми, иногда называют лиофильньми эмульсиями.

Следует отметить, что после открытия Гэдом в 1878 г. самопроизвольного эмульгирования, были найдены мно­гочисленные системы жидкостей, которым свойственно это явление. Однако его механизм до сих пор остается дискуссионным.