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.