СУСПЕНЗИИ
Суспензии— это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются частицы твердоговещества размером более 10-7 м, а дисперсионной средой — жидкость.
Условносуспензии обозначают в виде дроби: Т/Ж, в числителе которой указываетсяагрегатное состояние фазы, а в знаменателе — агрегатное состояние среды.
Можнодать суспензиям и другое определение: суспензии — это взвеси порошков вжидкостях.
Данноеопределение, являясь менее формальным, чем первое, ближе к реальной жизни ужепотому, что сам термин «суспензия» (suspensio) в переводе с позднелатинского означает «подвешивание».
Формальносуспензии от лиозолей (коллоидных растворов) отличаются только размерами частицдисперсной фазы. Размеры твердых частиц в суспензиях (более 10-7м)могут быть на несколько порядков больше, чем в лиозолях (10-9-10-7 м). Этоколичественное различие обусловливает чрезвычайно важную особенностьсуспензий: в большинстве суспензий частички твердой фазы не участвуют вброуновском движении. Поэтому свойства суспензий существенно отличаются отсвойств коллоидных растворов; их рассматривают как самостоятельный виддисперсных систем.
Рассматриваяв дальнейшем конкретные свойства суспензий, полезно сопоставлять их саналогичными свойствами коллоидных растворов, которые изучались в предыдущихразделах коллоидной химии.
КЛАССИФИКАЦИЯ СУСПЕНЗИЙ
Суспензииразделяются по нескольким признакам.
1.По природе дисперсионной среды:
органосуспензии(дисперсионная среда-органическая жидкость),
водныесуспензии.
2.По размерам частиц дисперсной фазы:
грубыесуспензии (d > 10-4 м),
тонкиесуспензии (5·10-7
3.По концентрации частиц дисперсной фазы: разбавленные суспензии (взвеси) и концентрированные суспензии(пасты).
Вразбавленных суспензиях частицы свободно перемещаются в жидкости, сцеплениемежду частицами отсутствует и каждая частица кинетически независима.Разбавленные суспензии — это свободнодисперсные бесструктурные системы.
Вконцентрированных суспензиях (пастах) между частицами действуют силы,приводящие к образованию определенной структуры (пространственной сетки). Такимобразом, концентрированные суспензии — это связнодисперсныеструктурированные системы.
Конкретныезначения концентрационного интервала, в котором начинаетсяструктурообразование, индивидуальны и зависят, в первую очередь, от природыфаз, формы частиц дисперсной фазы, температуры, механических воздействий.Механические свойства разбавленных суспензий определяются, главным образом,свойствами дисперсионной среды, а механические свойства связнодисперсных системопределяются, кроме того, свойствами дисперсной фазы и числом контактов междучастицами.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ
Суспензии,так же как и любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группамиметодов:
состороны грубодисперсных систем — диспергационными методами,
состороны истинных растворов — конденсационными методами.
Рассматриваяконкретные методы получения суспензий, полезно вспомнить, что суспензии— это взвеси порошков в жидкости. Следовательно, наиболее простым и широкораспространенным как в промышленности, так и в быту методом полученияразбавленных суспензий является взбалтывание соответствующего порошка вподходящей жидкости с использованием различных перемешивающих устройств(мешалок, миксеров и т. д.). Для получения концентрированных суспензий (паст)соответствующие порошки растирают с небольшим количеством жидкости,
Таккак суспензии отличаются от лиозолей только тем, что частицы в них на несколькопорядков больше, все методы, которые используются для получения лиозолей, можноприменять и для получения суспензий. При этом необходимо, чтобы степеньизмельчения диспергационными методами была меньше, чем при получениилиозолей. При конденсационных методах конденсацию необходимо проводитьтак, чтобы образовывались частицы, имеющие размеры 10-7-10-4 м. Размеробразующихся частиц зависит от соотношения скоростей образования зародышейкристаллов и их роста. При небольших степенях пересыщения обычно образуютсякрупные частицы, при больших — мелкие. Предварительное введение в системузародышей кристаллизации приводит к образованию практически монодисперсныхсуспензий. Уменьшение дисперсности может быть достигнуто в результатеизотермической перегонки при нагревании, когда мелкие кристаллы растворяются, аза их счет растут крупные.
Приэтом должны соблюдаться условия, ограничивающие возможности значительногоразрастания и сцепления частиц дисперсной фазы. Дисперсность образующихсясуспензий можно регулировать также введением ПАВ.
Суспензииочищают от примесей растворенных веществ диализом, электродиализом,фильтрованием, центрифугированием.
Суспензииобразуются также в результате коагуляции лиозолей. Следовательно, способы осуществлениякоагуляции — это одновременно и методы получения суспензий.
Всевышесказанное касалось промышленных и бытовых суспензий. Природные суспензии (аими являются практически все водоемы Земли) образуются вследствие попадания вводу твердых частиц в результате разрушения аэрозолей, а также придиспергировании почв, грунтов и скальных пород под воздействием сил прибоя,приливно-отливных явлений, при движении ледников.
СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ
Седиментационнаяустойчивость суспензии — это способность ее сохранять неизменным во временираспределение частиц по объему системы, т. е. способность системы противостоятьдействию силы тяжести.
Таккак большинство суспензий оказываются полидисперсными системами, содержащими иотносительно крупные частицы, которые не могут участвовать в броуновскомдвижении, суспензии являются седиментационно (кинетически) неустойчивымисистемами. Если плотность частиц меньше плотности дисперсионной среды, то онивсплывают, а если больше — оседают.
Изучениеседиментации суспензий связано, в первую очередь, с получением кривыхнакопления осадка (кривых седиментации) m = f(t). Кривые накопления могут быть двухвидов: с перегибом или без перегиба. Установлено, что вид кривых седиментациизависит от того, является ли седиментирующая суспензия агрегативно устойчивойили нет:
1)Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, а следовательно,увеличением скорости их оседания, то на кривых седиментации появляется точкаперегиба.
2)Если же суспензия агрегативно устойчива (нет коагуляции), то на кривой седиментацииперегиб отсутствует. Характер осадков, полученных в том и другом случаях, такжеразличен.
Вагрегативно устойчивых суспензиях оседание частиц происходит медленно и формируется оченьплотный осадок. Объясняется это тем, что поверхностные слои препятствуютагрегированию частиц; скользя друг по другу, частицы могут перейти в положениес минимальной потенциальной энергией, т. е. с образованием упаковки, близкой кплотнейшей. В этом случае расстояние между частицами и координационное число(число соседних частиц) в осадке такой седиментирующей, но предельностабилизированной суспензии, определяется соотношением между:
•силой тяжести;
•межмолекулярным притяжением частиц;
•силами отталкивания между частицами, обеспечивающими агрегативную устойчивостьсуспензии.
Вагрегативно неустойчивых суспензиях оседание частиц происходит значительно быстрее вследствиеобразования агрегатов. Однако выделяющийся осадок занимает гораздо большийобъем, так как частицы сохраняют то случайное взаимное расположение, в которомони оказались при первом же контакте, силы сцепления между ними соизмеримы с ихсилой тяжести или больше ее. Наблюдается анизометрия (т. е. преобладание одногоиз размеров частицы над двумя другими) образующихся агрегатов или флокул.Исследования показывают, что наиболее вероятны цепочечные и спиральныепервоначальные агрегаты, из которых затем получаются осадки большогоседиментационного объема.
Различиеседиментационных объемов агрегативно устойчивых и неустойчивых систем наиболеечетко проявляется, если частицы имеют средние размеры. Если частицы крупные,то, несмотря на то, что суспензия агрегативно неустойчивая, осадок получаетсяболее плотным из-за значительной силы тяжести, зачастую преобладающей надсилами сцепления между частицами. Если же частицы очень мелкие, то и вагрегативно устойчивой системе из-за малой силы тяжести образуется чрезвычайноподвижный осадок.
АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РАЗБАВЛЕННЫХ СУСПЕНЗИЙ
Агрегативнаяустойчивость суспензии — это способность сохранять неизменной во временистепень дисперсности, т. е. размеры частиц и их индивидуальность.
Агрегативнаяустойчивость разбавленных суспензий весьма сходна с агрегативной устойчивостьюлиофобных золей. Но суспензии являются более агрегативно устойчивыми системами,так как содержат более крупные частицы и, следовательно, имеют меньшуюсвободную поверхностную энергию.
Принарушении агрегативной устойчивости суспензии происходит коагуляция — слипаниечастиц дисперсной фазы. Коагуляция — это самопроизвольный процесс, так каксопровождается уменьшением свободной энергии системы за счет уменьшениямежфазной поверхности. Этот процесс аналогичен тому, который происходит влиозолях, более того, коагуляция лиозолей приводит к образованию суспензий идалее может продолжаться в них, приводя к образованию осадка. Этот осадок частоявляется концентрированной суспензией (пастой) — т. е. структурированнойсистемой.
Длядостижения агрегативной устойчивости суспензии необходимо выполнение по крайнеймере одного из двух условий:
•смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсионной средой;
•наличие стабилизатора.
Первоеусловие. Есличастицы суспензии хорошо смачиваются дисперсионной средой, то на их поверхностиобразуется сольватная оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующаясоединению частиц в крупные агрегаты. Хорошая смачиваемость частиц наблюдаетсяв суспензиях полярных частиц в полярных жидкостях и неполярных частиц внеполярных жидкостях.
Примером агрегативно устойчивых суспензий безстабилизатора с сольватационным механизмом устойчивости являются суспензиикварца в воде и сажи в бензоле. Так как кварц хорошо смачивается водой, а сажа— бензолом, эти суспензии агрегативно устойчивы без третьего компонента —стабилизатора. Если заменить дисперсионную среду, исключая тем самым смачивание(например, размешать порошок сажи в воде), то получается агрегативнонеустойчивая система — частицы сажи водой не смачиваются, гидратная оболочка необразуется и незащищенные частички легко соединяются друг с другом.
Второеусловие. Есличастицы суспензии не смачиваются или плохо смачиваются дисперсионной средой, тоиспользуют стабилизатор.
Стабилизатор— это вещество, добавление которого в дисперсную систему повышает ееагрегативную устойчивость, т. е. препятствует слипанию частиц.
Вкачестве стабилизаторов суспензий применяют:
•низкомолекулярные электролиты;
•коллоидные ПАВ;
•ВМС.
Механизмих стабилизирующего действия различен, в зависимости от природы стабилизаторареализуется один, а чаще несколько факторов устойчивости, аналогично тому, какэто происходит в лиофобных золях. Отметим возможные факторы устойчивости:
адсорбционно-сольватный,
электростатический,
структурно-механический,
энтропийный,
гидродинамический.
Еслистабилизатор является ионогенным веществом (распадается в растворе на ионы), тообязательно действует электростатический фактор устойчивости: на поверхностичастиц образуется двойной электрический слой, возникает электрокинетическийпотенциал и соответствующие электростатические силы отталкивания,препятствующие слипанию частиц. Электростатическое отталкивание частиц описанотеорией. Если это ионогенное вещество — низкомолекулярный неорганическийэлектролит, то его стабилизирующее действие ограничивается только этимфактором. Если же ионогенное вещество — коллоидное ПАВ или полиэлектролит, тореализуются и другие факторы устойчивости, рассмотрим их подробнее.
СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ КОЛЛОИДНЫХ ПАВ
Стабилизирующеедействие коллоидных ПАВ определяется их способностью адсорбироваться намежфазной поверхности, образуя адсорбционные пленки. Вследствие высокойповерхностной активности концентрация ПАВ в поверхностном слое в десятки тысячраз превышает объемную концентрацию, поэтому в адсорбционных пленках, так жекак и в мицеллах ПАВ, происходит ассоциация неполярных групп. Строениеадсорбционного слоя зависит от:
•природы ПАВ;
•природы межфазной поверхности (границы: «твердая частица-жидкая среда»);
•степени заполнения поверхности;
•наличия в дисперсионной среде различных добавок. Изменение строенияадсорбционного слоя отражается на его защитных свойствах.
КоллоидноеПАВ, имея дифильное строение, способно адсорбироваться как на полярных, так ина неполярных поверхностях, лиофилизируя их.
Всоответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера стабилизирующеедействие ПАВ проявляется тем заметнее, чем больше первоначальная разница вполярностях твердой частицы и жидкой дисперсионной среды. Таким образом, прииспользовании в качестве стабилизатора коллоидного ПАВ реализуется адсорбционно-сольватныйфактор устойчивости. Например, чтобы получить суспензию сажи в воде, используютолеат натрия, который неполярным углеводородным радикалом адсорбируется начастицах сажи, а полярная группа, направленная в сторону воды, ею гидратируетсяи тем самым поверхность частицы становится смачиваемой водой(гидрофилизируется), суспензия стабилизируется. Аналогичный процесс мыпроводим, когда моем руки, загрязненные сажей, или моем посуду после жирнойпищи.
Олеатнатрия:
Олеатнатрия можно использовать и для стабилизации суспензии силикагеля (SiO2) в бензоле (неполярная жидкость):
Бензол
Вэтом случае олеат натрия будет адсорбироваться на поверхности твердой частицысвоей полярной группой, направляя углеводородный радикал в сторону бензола. Темсамым поверхность силикагеля становится гидрофобной, бензол ее смачивает, исуспензия стабилизируется.1
Нолучший стабилизирующий эффект достигается при более специфическом выборе ПАВ.Подбор ПАВ для стабилизации суспензий различного типа сходен с подбором ПАВ длястабилизации прямых и обратных эмульсий. Если необходимо стабилизироватьсуспензию полярных частиц в неполярной жидкости, то используется коллоидное ПАВс низкими значениями чисел ГЛБ, обычно 3-6, т. е. малорастворимые в воде,известны случаи стабилизации ПАВ с 30 атомами углерода в цепи.
Впищевой промышленности для этих целей используются липоиды (лецитин), ланолин ит. д.
Еслинеобходимо стабилизировать суспензию неполярных частиц в полярной жидкости, топрименяются коллоидные ПАВ с высокими значениями чисел ГЛБ, обычно 8-13, т. е.достаточно хорошо растворимые в воде, такие соединения содержат 10-18 атомовуглерода в цепи.
Максимумстабилизирующих свойств наблюдается у ПАВ с 14-16 атомами углерода (такназываемый максимум Донана). В пищевой промышленности для этих целей частоиспользуют пропиловый спирт, соли высших карбоновых кислот и т. д.
СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ВМС И ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ
Строгоговоря, в качестве стабилизаторов дисперсных систем, в том числе и суспензий,можно использовать только такие ВМС, которые являются поверхностно-активнымивеществами и их надо было бы называть поверхностно-активнымивысокомолекулярными веществами (ПАВМС или ВМПАВ). Чтобы оказать защитноедействие, молекулам полимера необходимо адсорбироваться на поверхности частицы,а это может произойти только в том случае,.если при этом уменьшитсяповерхностное натяжение на границе раздела фаз. Эти вещества отличаются отколлоидных ПАВ тем, что для них характерно возникновениеструктурно-механического фактора устойчивости.
Такимобразом, если в качестве стабилизатора применяются ВМС, то механизм их действияаналогичен механизму коллоидной защиты лиофобных золей: адсорбция молекулполимера на твердых частицах приводит к возникновению защитной оболочки,обладающей механической прочностью и упругостью, причем отмечено, что адсорбцияВМС является необратимой. Для этого вокруг частицы должен существовать избытокмакромолекул, необходимый для образования насыщенного монослоя или дажеполислоя. Электронномикроскопические снимки непосредственно доказали наличиетаких защитных оболочек. Например, адсорбционные слои метилцеллюлозы начастицах полистирола имеют толщину 70-100 А˚. Таким образом,возникает структурно-механический фактор устойчивости, полностью предотвращающийкоагуляцию частиц и возникновение между ними непосредственного контакта. Ониграет главную роль в обеспечении агрегативной устойчивости суспензий. Обычноон сопровождается энтропийным фактором устойчивости, вкладкоторого достаточно велик. Это обусловлено тем, что при сближении частиц,стабилизированных молекулами ВМС, уменьшается число возможных конформациймолекул полимера, а это приводит к уменьшению энтропии системы, поэтому частицыстремятся оттолкнуться друг от друга.
Еслив качестве ВМС используются полиэлектролиты, то к этим двум факторамдобавляется и третий — электростатический фактор устойчивости.Полиэлектролиты-стабилизаторы применяются для водных суспензий, т. е. длястабилизации гидрофобных частиц в полярных жидкостях. Наиболее распространенныеводорастворимые полиэлектролиты — это белковые вещества, альгинаты,карбоксиметилцеллюлоза, алкилполиамин и т. д.
СЕНСИБИЛИЗАЦИЯ
Прииспользовании ВМС в качестве стабилизаторов суспензий надо помнить о такомявлении как сенсибилизация. Сенсибилизация — явление уменьшенияагрегативной устойчивости системы при добавлении к ней высокомолекулярныхсоединений.
Ранееэто явление рассматривалось в отношении лиофобных золей, но оно характерно идля суспензий. Сенсибилизация, как правило, обнаруживается при малом содержаниимакромолекул в дисперсионной среде и объясняется образованием между отдельнымичастицами мостиков стабилизатора. В суспензиях каолина и полистиролавозникновение мостиков доказано электронномикроскопическими исследованиями: концентрациямметилцеллюлозы до 1-2% от веса твердой фазы обычно отвечает неустойчивое, авыше 4% — устойчивое состояние суспензии.
Такимобразом, решающее влияние на защитное действие макромолекул оказываетсоотношение между количеством полимера и удельной поверхностью частиц.
Длястабилизации суспензии полистирола необходима поверхностная концентрацияметилцеллюлозы 6 · 10 -4 г/м2. Аналогичныесоотношения установлены и для других ВМС.
Взаключение можно сказать, что агрегативная устойчивость суспензий в сильнойстепени зависит от специфического взаимодействия макромолекул с поверхностьючастиц дисперсной фазы. Следовательно, выбор ВМС для стабилизации суспензииносит, во многом, эмпирический характер.
АЭРОЗОЛИ
Аэрозолемназывается микрогетерогенная система, в которой частички твердого вещества иликапельки жидкости взвешены в газе. Условное обозначение аэрозолей: Т/Г или Ж/Г.
Чтобыбыло ясно, насколько важным является этот вид дисперсных систем, приведемпримеры аэрозолей. Космическое пространство, атмосфера Земли, воздух, которыммы дышим, — все это аэрозоли. Аэрозоли возникают естественным путем, образуютсяискусственно и сопутствуют промышленному производству.
Ветерподнимает и разносит облака пыли, создавая пыльные бури. Пыль может подниматьсяна высоту 5— 6 км и переноситься на расстояния, измеряемые тысячами километров.В Норвегии, например, была обнаружена пыль пустыни Сахара. При извержениивулканов, а их на Земле более 600, в атмосферу выбрасывается несколько десятковмиллионов тонн грунта, большая часть которого переходит в аэрозольноесостояние. Так, в результате гигантского извержения вулкана Тамбора в Индонезиив 1815 г. в стратосферу было выброшено такое количество пыли, что следующий, 1816 г., вошел в историю как «год без лета». Микроорганизмы, вирусы и споры растений подхватываютсяпотоком воздуха и образуют аэрозоли. Споры плесени и дрожжей находят ватмосфере на высоте свыше 11 км. Аэрозоли биологического происхожденияпереносятся на огромные расстояния — были отмечены случаи, когда споры грибовбыли обнаружены над Карибским морем в 1000 км от ближайшего возможного места их образования. Вода, испаряемая с водной поверхности Земли, образует аэрозоли,разрушение которых приводит к возникновению дождя, снега, града. До 30% всехестественных аэрозолей дает космическая пыль. Все это — аэрозоли, которыевозникают естественным путем, без участия человека.
Около10% всех аэрозолей получается искусственно: это распыление ядохимикатов иудобрений, орошение, бытовые аэрозоли и т. д.
И,наконец, третья группа аэрозолей — это промышленные аэрозоли. В шахтах,карьерах для добычи полезных ископаемых, около металлургических и химическихкомбинатов, при работе различных агрегатов (дробилок, мельниц, многочисленныхкотельных) образуются аэрозоли, загрязняющие воздух. Все виды наземного,воздушного и водного транспорта являются источниками аэрозолей за счет сгораниятоплива. Достаточно отметить, что в результате сгорания топлива ежегодновыбрасывается в атмосферу более 100 т твердых и 1 млн т газообразных веществ.Производство ядерного топлива, эксплуатация атомных электростанций, испытанияядерного оружия приводят к образованию радиоактивных аэрозолей.
Таковыосновные источники образования аэрозолей. Ежегодно в среднем 1 км2земной поверхности выбрасывает в атмосферу 20 т раздробленной массы, котораяпревращается в атмосферные аэрозоли.
КЛАССИФИКАЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
1.По агрегатному состоянию дисперсной фазы:
· туман (Ж/Г);
· дым, пыль (Т/Г);
· смог (Ж+Т)/Г [Smog] = Smoke (дым) + fog (туман)
2.По дисперсности:
· туман (Ж/Г), 10-7
· дым (Т/Г), 10-9
· пыль Т/Г, d > 10-5 м.
3.По методам получения:
· конденсационные;
· диспергационные.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
Как идругие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены двумя разнымипутями:
изгрубо-дисперсных систем (диспергационные методы),
изистинных растворов (конденсационные методы).
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Этиметоды связаны с образованием в гомогенной системе новой фазы. Обязательнымусловием ее образования является наличие пересыщенного пара, конденсациякоторого и приводит к образованию частиц дисперсной фазы. Объемная конденсацияпересыщенного пара может происходить в трех случаях:
приадиабатическом расширении;
присмешении паров и газов, имеющих разные температуры;
приохлаждении газовой смеси.
1.Адиабатическое расширение газа.
Такимпутем образуются облака. Теплые массы влажного воздуха поднимаются в болеевысокие слои атмосферы. Поскольку там атмосферное давление ниже, происходитадиабатическое расширение, сопровождающееся охлаждением воздуха и конденсациейводяного пара. На относительно небольшой высоте образуются кучевые облака, вкоторых вода находится в виде жидких капель, в верхних же слоях атмосферы, гдетемпература более низкая, возникают перистые облака, содержащие кристалликильда.
2.Смешение газов и паров, имеющих разные температуры.
Такобразуются атмосферные туманы. Чаще всего туман появляется при ясной погоденочью, когда поверхность Земли, интенсивно отдавая тепло, сильно охлаждается.Теплый влажный воздух соприкасается с охлаждающейся Землей или с холоднымвоздухом вблизи ее поверхности и в нем образуются капельки жидкости. То жепроисходит при смешении фронтов теплого и холодного воздуха.
3.Охлаждение газовой смеси, содержащей пар.
Этотслучай можно проиллюстрировать на примере чайника, в котором закипела вода. Износика вырывается водяной пар, который невидим, поскольку не рассеивает свет.Далее водяной пар быстро охлаждается, вода в нем конденсируется, и уже нанебольшом расстоянии от носика чайника мы видим молочное облачко — туман,ставший видимым из-за способности рассеивать свет. Аналогичное явлениенаблюдается, когда мы открываем форточку в морозный день. Более прочныйаэрозоль образуется, когда закипевшее на сковородке масло создает в помещениигаз (масляный аэрозоль), удалить который можно лишь хорошо проветрив помещение.
Крометого, конденсационный аэрозоль может образовываться в результате газовыхреакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов:
· при сгораниитоплива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к появлению топочногодыма;
· при сгораниифосфора на воздухе образуется белый дым (Р2О5);
· привзаимодействии газообразных NH3 и НС1 образуется дым МН4С1(тв);
· окислениеметаллов на воздухе, происходящее в различных металлургических и химическихпроцессах, сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц оксидовметаллов.
ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Диспергационныеаэрозоли образуются при измельчении (распылении) твердых и жидких тел в газовойсреде и при переходе порошкообразных веществ во взвешенных состояниях придействии воздушных потоков.
Распылениетвердых тел происходит в две стадии:
измельчение,а затем распыление. Перевод вещества в состояние аэрозоля должен быть осуществленв момент применения аэрозоля, так как в отличие от других дисперсных систем —эмульсий, суспензий, аэрозоли нельзя приготовить заранее. В бытовых условияхпочти единственным средством получения жидких и порошкообразных аэрозолейявляется устройство, называемое «аэрозольной упаковкой» или «аэрозольнымбаллоном». Вещество в нем упаковывается под давлением и распыляется при помощисжиженных или сжатых газов.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОЗОЛЕЙ
Свойствааэрозолей определяются:
•природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;
•частичной и массовой концентрацией аэрозоля;
•размером частиц и распределением частиц по размерам;
•формой первичных (неагрегированных) частиц;
•структурой аэрозоля;
• зарядомчастиц.
Дляхарактеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем,используются массовая концентрация и численная (частичная) концентрация.
Массоваяконцентрация — масса всех взвешенных частиц в единице объема газа.
Численнаяконцентрация — число частиц в единице объема аэрозоля. Как бы ни велика былачисленная концентрация в момент образования аэрозоля, уже через несколько секундона не может превышать 103 частиц/см3.
РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ
Минимальныйразмер частиц определен возможностью существования вещества в агрегатномсостоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, нитвердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из20-30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не можетиметь размер меньше 1 • 10-3 мкм. Чтобы рассматривать газ какнепрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо больше, чемсвободный пробег молекул газа. Верхний предел размеров частиц строго неопределен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время оставатьсявзвешенными в воздухе.
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ
Особенностимолекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:
•малой концентрацией частиц дисперсной фазы — так, если в 1 см3гидрозоля золота содержится 1016 частиц, то в таком же объемеаэрозоля золота менее 107 частиц;
•малой вязкостью дисперсионной среды — воздуха, следовательно, малымкоэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц;
•малой плотностью дисперсионной среды, следовательно ρчаст »ρгаза.
Всеэто приводит к тому, что движение частиц в аэрозолях происходит значительноинтенсивнее, чем в лиозолях.
Рассмотримсамый простой случай, когда аэрозоль находится в закрытом сосуде (т. е.исключены внешние потоки воздуха) и частички имеют сферическую форму радиусом ги плотность р. На такую частицу одновременно действуют сила тяжести,направленная вертикально вниз, и сила трения прямо противоположногонаправления. Кроме того, частица находится в броуновском движении, следствиемкоторого является диффузия.
Дляколичественной оценки процессов диффузии и седиментации в аэрозолях можноиспользовать значения
удельногопотока диффузии iдиф и
удельногопотока седиментации iсед..
Чтобывыяснить, какой поток будет преобладать, рассматривают их соотношение:
Вэтом выражении (р — р0) » 0. Следовательно, величина дроби будетопределяться размером частиц.
Если r > 1 мкм, то iсед » iдиф, т. е. диффузией можно пренебречь — идет быстраяседиментация и частицы оседают на дно сосуда.
Если r
Такимобразом, из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупныечастицы: первые вследствие прилипания к стенкам или слипания, вторые — врезультате оседания на дно. Частицы промежуточных размеров обладаютмаксимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численнаяконцентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько секундона не превышает 10 3 част/см3.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ
Электрическиесвойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частицв лиозоле.
1. Начастицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из-за низкой диэлектрическойпроницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическаядиссоциация.
2.Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбцииионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими,ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.
3.Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинаковогоразмера может быть различным как по величине, так и по знаку.
4.Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.
5. Вотсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышаютэлементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз.
6.Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованысильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхностивозникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностнойориентацией молекул. Например, на межфазной поверхности аэрозолей воды илиснега существует положительный электрический потенциал порядка 250 мВ.
Изпрактики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несутотрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe203), а частицы аэрозолей неметаллови их оксидов (SiO2, P2O5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицыNaCl, крахмала, а частицы муки несутотрицательные заряды.
АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ. КОАГУЛЯЦИЯ
Вотличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует всякоевзаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуютсилы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими теламипри соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативнонеустойчивыми системами. Коагуляция в них происходит по типу быстройкоагуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.
Скоростькоагуляции быстро возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля.
Независимоот начальной концентрации аэрозоля через несколько минут в 1 см3находится 108-106 частиц (для сравнения — в лиозолях ~ 1015частиц). Таким образом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными системами.Зависимость скорости коагуляции от увеличения численности концентрации аэрозоля
Начальная численная концентрация в 1 см3 Время, необходимее для уменьшения концентрации аэрозоля в 2 раза
1012 Доли секунды
1010 15-30 с
108 30 мин
106 Несколько суток
МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
Несмотряна то, что аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми, проблема их разрушениястоит очень остро. Основные проблемы, при разрешении которых возникаетнеобходимость разрушения аэрозолей:
•очистка атмосферного воздуха от промышленных аэрозолей;
•улавливание из промышленного дыма ценных продуктов;
•искусственное дождевание или рассеивание облаков и тумана.
Разрушениеаэрозолей происходит путем
· рассеивания под действиемвоздушных течений или вследствие одноименных зарядов частиц;
· седиментации;
· диффузии кстенкам сосуда;
· коагуляции;
· испарения частицдисперсной фазы (в случае аэрозолей летучих веществ).
Изочистных сооружений наиболее древним является дымовая труба. Вредные аэрозолистараются выпускать в атмосферу как можно выше, так как некоторые химическиесоединения, попадая в приземный слой атмосферы под действием солнечных лучей ив результате разных реакций, превращаются в менее опасные вещества (на Норильскомгорно-металлургическом комбинате, например, трехканальная труба имеет высоту 420 м).
Однакосовременная концентрация промышленного производства требует, чтобы дымовыевыбросы проходили предварительную очистку. Разработано много способовразрушения аэрозолей, но любой из них состоит из двух стадий:
первая— улавливание дисперсных частиц, отделение их от газа,
вторая— предотвращение повторного попадания частиц в газовую среду, это связано спроблемой адгезии уловленных частиц, формированием из них прочного осадка.
АЭРОЗОЛЬНЫЕ БАЛЛОНЫ
Принципдействия аэрозольного баллона состоит в том, что помещенный в упаковку препаратсмешивается с эвакуирующей жидкостью, давление насыщенного пара которой винтервале температур, при которых эксплуатируется упаковка, выше атмосферного.
Выброссмеси из баллона происходит под действием давления насыщенного пара,находящегося над жидкостью.
Известно,что давление насыщенного пара любого стабильного вещества определяется толькотемпературой и не зависит от объема. Поэтому в течение всего времени работыбаллона давление в нем будет оставаться постоянным, следовательно, практическипостоянной будет оставаться дальность полета частиц и угол конуса распыления.
Взависимости от характера взаимодействия распыляемого вещества с эвакуирующейжидкостью и его агрегатного состояния, системы в аэрозольной упаковке будутсостоять из различного числа фаз. В случае взаимной растворимости компонентовобразуется гомогенный жидкий раствор, в других случаях — эмульсия или суспензияи, наконец, гетерогенная система, когда препарат и эвакуирующая жидкостьобразуют макроскопически неоднородную систему. Очевидно, что в первом случае ваэрозольной упаковке находится двухфазная система — жидкость и насыщенный пар.При выпуске в атмосферу эмульсии или суспензии происходит дробление толькодисперсионной среды — получаемые частицы в лучшем случае будут иметь размеры,которые они имели в жидкой фазе.
Когдапрепарат и эвакуирующая жидкость не смешиваются или ограниченно смешиваютсямежду собой, причем одна из жидкостей диспергирована в другой в виде мелкихкапелек, образуются эмульсии.
Характерсистемы, образующейся при выходе продукта из упаковки в атмосферу, зависит оттого, какая из жидкостей является дисперсной фазой. Если дисперсная фаза — этопрепарат, то образуется аэрозоль. Если дисперсной фазой является эвакуирующаяжидкость, то получается пена. Размер частиц, получаемых при помощи аэрозольныхбаллонов, зависит от физико-химических свойств веществ, входящих в составпрепарата, соотношения компонентов, конструктивных особенностей баллона итемпературных условий его эксплуатации.
Степеньдисперсности можно регулировать: « варьируя размеры выходного отверстия;
•изменяя давление насыщенного пара эвакуирующей жидкости;
•меняя количественное соотношение препарата и эвакуирующего агента.
ЭВАКУИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Важнейшимвспомогательным компонентом является вещество, которое обеспечивает выброспрепарата в атмосферу и последующее его диспергирование. Эти вещества получили названиепропеллентов {лат. «рго-peilere»— гнать). Пропеллент должен выполнять две функции:
•создавать необходимое давление для выброса препарата;
•диспергировать продукт, выпущенный в атмосферу. В качестве пропеллентовиспользуют фреоны и сжатые газы. Фреоны — это низкомолекулярныефторорганические соединения алифатического ряда [Cn(H, Cl, F)2n+2].
Принятаследующая система обозначений фреонов: последняя цифра (число единиц) означаетчисло атомов фтора в молекуле, предшествующая цифра (число десятков) — числоатомов водорода, увеличенное на единицу, и третья (число сотен) — число атомовуглерода, уменьшенное на единицу. Например: F-22 — это CHC1F2, F-114— это C2C12F4.
Вещества,состоящие из молекул циклического строения, также имеют цифровое обозначение,но перед цифрами ставится буква «С», например: С318 — C4F8 (октафторциклобутан).
Вкачестве сжатых газов применяют N2, N2O, CO2 и др.
ПРЕИМУЩЕСТВА АЭРОЗОЛЬНЫХ УПАКОВОК
1. Переводпрепарата в мелкодисперсное состояние происходит за счет потенциальной энергиисжиженного пропеллента и не требуется применение каких-либо постороннихустройств.
2.Для создания аэрозолей не нужны какие-либо насадки.
3. Вединицу времени можно диспергировать значительное количество вещества сполучением частиц малого размера — в случае применения других способовпотребовалось бы гораздо больше энергии.
4.Режим туманообразования стабилен: размер получаемых частиц, дальность ихполета, угол в вершине конуса в течение всего времени эксплуатации маломеняются.
5.Можно заранее фиксировать дозировку распыляемого вещества.
6.Можно задавать размер частиц.
7.Степень полидисперсности аэрозоля невелика.
8.Все частицы имеют одинаковый химический состав.
9.Обеспечивается стерильность распыляемых препаратов.
10.Препарат в упаковке не соприкасается с кислородом воздуха, что обеспечивает егостабильность.
11.Автоматически закрывающийся клапан исключает возможность потери за счетпроливания или испарения неиспользованной части продукта.
12.Упаковка постоянно готова к работе.
13.Упаковка компактна. Дает возможность индивидуального или коллективногоиспользования.
Первыеаэрозольные упаковки появились в 80-х гг. XX в. в Европе. Во время Второй мировой войны инициативу вобласти их разработки захватили США. В 1941 г. была создана аэрозольная упаковка — средство для уничтожения насекомых, упакованное в стеклянный сосуд.Пропеллентом служил фреон-12.
Впромышленных масштабах производство началось после Второй мировой войны в США,а затем в других странах мира.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ
Широкоеиспользование аэрозолей обусловлено их высокой эффективностью. Известно, чтоувеличение поверхности вещества сопровождается увеличением его активности.Незначительное количество вещества, распыленное в виде аэрозоля, занимаетбольшой объем и обладает большой реакционной способностью. В этом состоятпреимущества аэрозолей перед другими дисперсными системами.
Аэрозолиприменяются:
• вразличных областях техники, в том числе в военной и космической;
• всельском хозяйстве; « в здравоохранении;
• вметеорологии; в в быту и т. д.
Впоследнее время в фармацевтической практике широко применяют приготовлениелекарственных форм в виде аэрозолей. Использование лекарственных веществ в видеаэрозолей удобно в тех случаях, когда нужна воздействовать препаратом набольшие поверхности (острые заболеваний дыхательных путей, ожоги и т. п.).Большой эффект дают лекарственные формы, содержащие в своем составе жидкиепленкообразующие вещества. При распылении такого препарата на пораженный участокон покрывается тонкой, прозрачной пленкой, которая заменяет повязку.
Остановимсяподробнее на применении аэрозольных упаковок.
Внастоящее время насчитывается более 300 видов товаров в аэрозольных упаковках.
Перваягруппа: средствабытовой химии.
•Инсектициды — препараты для уничтожения насекомых.
•Средства против моли.
•Инсектициды для обработки домашних животных.
•Средства защиты комнатных растений и плодово-ягодных культур от грибковыхболезней и вредителей.
•Лаки и краски.
•Освежители воздуха.
вПолирующие и чистящие составы.
Втораягруппа:
•парфюмерно-косметическиесредства. « Средства ухода за волосами (лаки, шампуни и т. д.).
•Пены и гели для бритья.
•Кремы для рук и ног.
•Масло для и от загара.
•Дезодоранты.
•Духи,одеколоны, туалетная вода.
Третьягруппа: медицинскиеаэрозоли.
Четвертаягруппа: техническиеаэрозоли.
•Смазочные масла.
•Антикоррозионные покрытия.
•Защитные пленки. « Сухие смазки.
•Эмульсиидля охлаждения резцов на сверлильных станках.
Пятаягруппа: пищевыеаэрозоли.
ПИЩЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ
Первыебаллоны с пищевыми продуктами появились в 1947 г. в США. Они содержали кремы для отделки тортов и пирожных и применялись только в ресторанах,которые возвращали их для повторного заполнения. Массовое производство этоговида аэрозольных упаковок началось лишь в 1958 г.
Аэрозольныеупаковки пищевых продуктов можно разделить на три основных группы:
упаковки,требующие хранения при низкой температуре;
упаковкис последующей тепловой обработкой;
упаковкибез последующей тепловой обработки.
Ваэрозольных упаковках выпускаются пищевые продукты трех видов: кремы, жидкости,пасты. В аэрозольных упаковках можно купить приправы для салатов, плавленыйсыр, соки, корицу, майонез, томатный сок, 30% -е взбитые сливки и т. д.
Ростпроизводства пищевых аэрозолей объясняется следующим:
преимуществамиперед обычными видами тары;
разработкойновых пропеллентов;
усовершенствованиемтехнологии заполнения.
Преимуществааэрозольной упаковки пищевых продуктов:
удобствоиспользования;
экономиявремени;
пищаупаковывается в подготовленном к употреблению состоянии и выдается из упаковкив однородном виде;
нетутечки продуктов;
влагане теряется и не проникает в упаковку;
нетеряется аромат;
продуктсохраняется в стерильном виде.
Крецептурам пищевых аэрозолей предъявляются следующие требования:
1. Пропеллентыдолжны быть высокой чистоты, не быть токсичными, не иметь вкуса и запаха. Внастоящее время используются диоксид углерода, закись азота, азот, аргон ифреон С318.
2.Сжатые газы, имеющие весьма ограниченную растворимость в водных растворах, немогут участвовать в образовании пены, а это необходимо для взбитых сливок,декоративных кремов, муссов и т. п. С этими продуктами предпочтительнееиспользовать фреон С318, хотя он значительно дороже.
Таблица18.4 Примеры рецептур различных пищевых аэрозолейИнгредиенты, сходящие в состав аэрозолей Количество, % массы 1. Сбитый крем для закусочных бутербродов Творог со сливками 50-60 Микрокристаллическая целлюлоза 25-30 Растительное масло и ароматические добавки 6-10 Фреон С318 7 2. Сахарная глазурь для отделки кондитерских изделий Сахар 55-60 Вода 15-25 Растительное масло твердое 9-14 жидкое 3-5 Соль поваренная 0,1-0,3 Микрокристаллическая целлюлоза 1,0 Отдушки 1-4 Эмульгаторы 0,5-1 Фреон С318 7 3. Мусс Мед или фруктовый сироп 78-83 Вода 7-9 Растительное масло (твердое) 3-5 Микрокристаллическая целлюлоза 1-2 Моноглицериды 0,5-1 Полиэфиры сорбита 0,05-1 Фреон СЗ18 7 Продолжение таблицы 18.4 Ингредиенты, входящие в состав аэрозолей Количество, % массы 4. Декоративный соус в виде пены Горчица (тонко измельченный порошок) 0,94 Лимонный сок 4,72 Уксус 9,44 Вода 34 Полисорбат 80 0,5 Эмульгирующая смесь 2,25 Микрокристаллическая целлюлоза 2,5 Добавки — стабилизаторы пены 4,59 Фреон С318 + закись азота (Р=8 атм) 7 5. Масляно-уксусная заправка в виде пены Вода 11,80 Соль 1,96 Сахар 1,47 Винный уксус 22,81 Оливковое масло 61,75 Полисорбат 80 0,10 Чесночное масло 0,12 Масло черного перца 0,10 Фреон С318 10,0 6. Заправка для жареных кукурузных зерен Соль (экстра) 10,00 Растительное масло 58,97 Прочие добавки из масел 0,03 Краситель 1,00 Фреон-С318 10,00 /> /> />
3.Использование фреонов дает еще одно преимущество: сжиженные газы вводятся врецептуры продуктов, которые выделяются в виде пены, в количестве не более 10%веса, при этом они занимают сравнительно небольшой объем. Это позволяетзагрузить в баллон значительно больше продуктов — 90% емкости баллона (вупаковках со сжатым газом лишь 50%) и гарантирует полную выдачу продукта изупаковки.
4.Выбор пропеллента диктуется типом пищевого продукта и предполагаемой формой еговыдачи (крем, жидкость, паста). Хорошо зарекомендовали себя смеси СОг и закисиазота высокой чистоты. Для получения пены применяются смеси фреона С318 сзакисью азота. Упакованный с этой смесью крем для отделки тортов дает устойчивуюпену, хорошо сохраняющую цвет. Для сиропов самым подходящим пропеллентомсчитается СО2.
Качествовыдачи содержимого из баллона зависит от следующих факторов:
•технологии приготовления продукта;
•стабилизатора (широко используется микрокристаллическая целлюлоза);
•правильного выбора баллона и клапана.
Длякорицы и лимонного сока разработана управляемая распылительная головка, котораяпо желанию может выдавать продукты либо в виде капель, либо в виде струи. Дляискусственных подсластителей применяются дозирующие клапаны, одна выдаваемаяими доза соответствует одному куску пиленого сахара и т. д.
АЭРОЗОЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ
Вмукомольной, крупяной, комбикормовой промышленности широко применяетсяпневматический транспорт, который создает условия для внедрения автоматизации,повышения производительности труда и снижения себестоимости. Однако применениепневматического транспорта сопряжено с большой затратой электроэнергии наперемещение большого объема воздуха (1 кг воздуха перемещает 5-6 кг сыпучего материала).
Болеепрогрессивным является аэрозольный транспорт, при котором большая концентрацияматериала в воздушном потоке достигается благодаря аэрации муки в началетранспортирования и высокому давлению воздуха. Аэрация нарушает сцепление междучастицами муки, и она приобретает свойство текучести, подобно жидкости, врезультате 1 кг воздуха перемещает до 200 кг муки.
Аэрозольтранспортнаяустановка состоит из питателя, нагнетателя, материалопровода и разгрузителя.Основным элементом является питатель, в котором смешиваются воздух с материаломи смеси сообщается начальная скорость, что обеспечивает ее подачу вматериалопровод.
Внедрениеаэрозольтранспорта дает возможность повысить производительность мельниц иснизить удельный расход электроэнергии.
Аэрозольномутранспорту принадлежит будущее не только в мукомольной, но и в других отрасляхпромышленности, связанных с использованием сыпучих материалов и порошков.
Аэрозоли— это микрогетерогенные системы, в которых частицы твердого вещества иликапельки жидкости взвешены в газе (Т/Г или Ж/Г),
Поагрегатному состоянию дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на: туман (Ж/Г);дым, пыль (Т/Г); смог [(Ж+Т)/Г)].
Подисперсности аэрозоли бывают: туман, дым, пыль.
Как идругие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены из истинныхрастворов (конденсационные методы) или из грубодисперсных систем(диспергационные методы).
Капелькиводы в туманах всегда сферические, а твердые частицы дыма могут иметь разнуюформу в зависимости от их происхождения.
Благодаряочень маленьким размерам частиц дисперсной фазы они имеют развитую поверхность,на которой могут активно протекать адсорбция, горение, другие химическиереакции.
Молекулярно-кинетическиесвойства аэрозолей обусловлены:
малойконцентрацией частиц дисперсной фазы; малой вязкостью дисперсионной среды;малой плотностью дисперсионной среды.
Взависимости от размеров частиц дисперсной фазы они могут либо быстроседиментировать (при г »1 мкм), либо прилипать к стенкам сосуда или слипаться(при г « 0,01 мкм). Наибольшей устойчивостью обладают частицы промежуточныхразмеров.
Дляаэрозолей характерны явления термофореза, термопреципитации, фотофореза.
Оптическиесвойства аэрозолей сходны со свойствами лиозолей, однако рассеяние света имивыражено значительно сильнее из-за больших различий показателей преломлениядисперсной фазы и дисперсионной среды.
Специфичностьэлектрических свойств аэрозолей состоит в том, что на частицах не возникаетДЭС, заряд частиц носит случайный характер и мал по величине. При сближениичастиц не возникает электростатическое отталкивание и происходит быстраякоагуляция.
Разрушениеаэрозолей является важной проблемой и осуществляется путем седиментации,коагуляции, пылеулавливания и другими методами.
ПОРОШКИ
Порошкаминазываются высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперснойфазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой — воздух или другой газ.Условное обозначение: Т/Г.
Впорошках частицы дисперсной фазы находятся в контакте друг с другом.Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узкомсмысле термин «порошки» применяют к высокодисперсным системам с размеромчастиц, меньшим некоторого критического значения, при котором силымежчастичного взаимодействия становятся соизмеримыми с массой частиц.Наибольшее распространение имеют порошки с размерами частиц от 1 до 100 мкм.Удельная межфазная поверхность таких порошков меняется в пределах от несколькихм11.09.2011 (сажа) до долей м2/г ( мелкие пески).
Отаэрозолей с твердой дисперсной фазой (тоже Т/Г) порошки отличаются гораздобольшей концентрацией твердых частиц. Порошок получается из аэрозоля с твердойдисперсной фазой при его седиментации. В порошок превращается также суспензия(Т/Ж) при ее высушивании. С другой стороны, и аэрозоль, и суспензия могут бытьполучены из порошка.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОШКОВ
1.По форме частиц:
•равноосные (имеют примерно одинаковые размеры по трем осям);
•волокнистые (длина частиц гораздо больше ширины и толщины);
•плоские (длина и ширина значительно больше толщины).
2.По межчастичному взаимодействию:
•связно дисперсные (частицы сцеплены между собой, т. е. система обладаетнекоторой структурой);
•свободнодисперсные (сопротивление сдвигу обусловлено только трением междучастицами).
3.Классификация по размерам частиц дисперсной фазы:
•песок (2≤10-5 ≤ d ≤ 2∙10-3) м;
• пыль(2∙10-6 ≤ d ≤ 2∙10-5)м;
•пудра (d
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ
Порошки,так же как любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группамиметодов:
• состороны грубодисперсных систем — диспергационными методами;
• состороны истинных растворов — конденсационными методами.
Выборметода зависит от природы материала, назначения порошка и экономическихфакторов.
ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Производитсядробление сырья на вальцовых, шаровых, вибрационных или коллоидных мельницах споследующим разделением на фракции, так как в результате помола получаютсяполидисперсные порошки (например, мука одного и того же сорта может содержатьчастицы от 5 до 60 мкм).
Эффективноедиспергирование может быть произведено при перетирании весьма концентрированныхсуспензий.
Дляоблегчения диспергирования применяют понизители твердости, в качествекоторых выступают ПАВ. В соответствии с правилом уравнивания полярностей,ад-орбируясь на поверхности измельчаемого твердого тела, они уменьшаютповерхностное натяжение, снижая энергозатраты при диспергировании и повышаядисперсность измельченной фазы.
Внекоторых случаях перед диспергированием проводят предварительную обработкуматериала. Так, титан или тантал нагревают в атмосфере водорода, переводя вгидриды, которые измельчают и нагревают в вакууме — получаются чистыеметаллические порошки.
Приполучении чешуйчатых порошков, которые входят в состав красок и пиротехническихсоставов, для измельчения используют шаровые мельницы. Шары расплющивают ипрокатывают частицы измельчаемого материала.
Порошкис частицами сферической формы из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден,ниобий) получают в низкотемпературной плазме дугового и высокочастотногоразряда. Проходя через зону плазмы, частицы плавятся и принимают сферическуюформу, затем охлаждаются и затвердевают.
Входе диспергирования химический состав материала не изменяется.
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Этиметоды можно разделить на две группы.
Перваягруппа методов связанас осаждением частиц вследствие коагуляции лиофобных золей. В результатеупаривания раствора или частичной замены растворителя (снижение растворимости)образуется суспензия, а после ее фильтрации и сушки получаются порошки.
Втораягруппа методовсвязана с проведением химических реакций (химическая конденсация). Методыхимической конденсации можно классифицировать на основе типа используемойреакции:
1.Обменные реакции между электролитами. Например, осажденный мел (зубной порошок) получают врезультате реакции:
Na2CO3 + СаС12 = СаСО3 + 2 NaCl.
2.Окисление металлов.
Например,высокодисперсный оксид цинка, являющийся основным компонентом цинковых белил,получают окислением паров цинка воздухом при 300°С.
3.Окисление углеводородов.
Различныевиды сажи, которую применяют при производстве резины, пластмасс, типографскойкраски получают сжиганием газообразных или жидких углеводородов при недостаткекислорода.
4.Восстановление оксидов металлов.
Восстановлениеприродным газом, водородом или твердыми восстановителями используется дляполучения высокодисперсных металлических порошков.
5.Термическая диссоциация карбонилов металлов. Карбонилы Ме(СО)n — летучие соединения, которые образуются приобработке металлов оксидом углерода при давлении 200 атм и температуре примерно200°С. При нагревании карбонилы испаряются и разлагаются, образуя высокодисперсныеметаллические порошки.
6.Электролиз водных растворов солей.
Этимметодом получают высокодисперсные порошки металлов и сплавов высокой степеничистоты.
Такимобразом, методы химической конденсации связаны с изменением химического составаматериалов.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОШКОВ
Обычнопорошки рассматривают с точки зрения природы вещества дисперсной фазы иразмеров частиц.
Рассмотримтолько те характеристики вещества, на которых основаны свойства порошков,влияющие на технологию их использования и переработки.
Когезияопределяет связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределаходной фазы, т. е. прочность конденсированных тел и их способность противодействоватьвнешнему воздействию.Следовательно, энергетические затраты при диспергировании тем больше, чембольше когезия. Кроме того, величина когезии определяет такую важнуюхарактеристику порошка, как его насыпная масса.
Насыпнаямасса — масса порошка, который занимает единичный объем при свободном егозаполнении, «свободной упаковке частиц».
Чембольше когезионные силы, тем сильнее связь между частицами, тем хаотичнее онираспределены по объему формы и тем больше объем свободной упаковки исоответственно меньше насыпная масса. Если когезия мала, то малы силысцепления, порошок лучше уплотняется под действием силы тяжести и объемсвободной упаковки частиц оказывается небольшим.
Адгезия — это явление соединенияприведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз. Например, частичкипорошка взаимодействуют со стенками емкости, в которой они находятся. Адгезияобусловливает прилипание и удержание частиц на поверхности. Чем больше адгезия,тем сложнее бороться с прилипанием порошка к стенкам технологического оборудования.
Аутогезия— частный случайадгезии — сцепление одинаковых по составу и строению частиц. Адгезионное иаутогезионное взаимодействие направлены перпендикулярно площади контакта. Врезультате адгезии частицы порошка прижимаются к поверхности, а под действиемаутогезии — Друг к другу.
Аутогезияопределяется, главным образом, природой и силой межчастичного взаимодействия.Основной вклад в межчастичное взаимодействие вносят
· межмолекулярноепритяжение;
· электростатическоеотталкивание.
Электростатическоеотталкивание связано с появлением заряда поверхности при перемещении частицдруг относительно друга и их соударениях. Роль электростатическихвзаимодействий особенно велика для полимерных частиц.
Установлено,что для сферических частиц число точек контактов не превышает 12. Чем большеточек соприкосновения частиц, тем больше поверхность контакта и меньше удельнаяповерхность. Под поверхностью контакта для порошков понимают поверхность двухсоприкасающихся частиц, расположенную в зоне действия молекулярных сил (~ 0,1нм ). Для сферической частицы радиусом r поверхностью контакта считается поверхность ее сегмента свысотой h = 0,1 нм, а доля этой поверхностисоставляет
где nk — число контактов, d = 2r.
Изприведенной формулы следует, что поверхность контакта увеличивается суменьшением размера частиц.
РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ ПОРОШКА (ДИСПЕРСНОСТЬ)
Отразмера частиц зависит удельная площадь межфазной поверхности SУД. Напомним, что для сферическойчастицы диаметра d:
а длячастиц сложной формы
гдеβ — коэффициент, зависящий от формы частиц ∙ β > 6). Увеличениеудельной межфазной поверхности приводит к следующему:
•интенсификации процессов, протекающих на поверхности порошка;
•усилению яркости окраски пигментов;
•повышению качества композиционных материалов;
•улучшениювкусовых качеств пищевых продуктов. Однако с уменьшением размеров частицпорошка усиливаются и его негативные свойства:
•слеживаемость;
•прилипаемость к поверхностям оборудования и тары;
•уменьшение текучести (сыпучести).
Этозатрудняет технологические процессы: смешение, дозировку, транспортировку и др.
Начинаяс некоторого критического размера частиц (do, кр) сила связи междучастицами Fсв становится равной силе тяжести:
где n — число контактов, m — масса частицы; g — ускорение свободного падения.
Дальнейшееуменьшение размеров частиц приводит к самопроизвольному образованиюпространственных структур.
Длявысокодисперсных порошков критический размер:
гдеΔр — эффективная плотность частицы в дисперсионной среде (Δр = рчаст — ргаз ≈ рчаcт). При расчете реальных значений do, кр получается величина ~100 мкм. Для увлажненных порошков, в которых существенную роль играюткапиллярные силы, значение do, кр на порядок больше. Итак, значение do, кр служит критериемагрегируемости порошка.
Высокодисперсныепорошки с диаметром частиц dгораздо меньше йо.кр являются связнодисперсными, в них возникаетпространственная структура. Если d≥do, кр, то такие порошкиявляются свободнодисперсными.
СВОЙСТВА ПОРОШКОВ
Характернымисвойствами порошков являются способность к течению и распылению, флуидизация(переход в состояние, подобное жидкому) и гранулирование.
СПОСОБНОСТЬ К ТЕЧЕНИЮ И РАСПЫЛЕНИЮ
Порошки,так же как сплошные тела, способны течь под действием внешнего усилия,направленного тангенциально (по касательной) к поверхности.
Способностьк течению или движению порошка на поверхности слоя наблюдается при пересыпаниипродуктов или при пневматическом транспортировании сыпучих продуктов. Такоедвижение лежит в основе переноса песка, почвы, снега ветром: песчаные и снежныебури, эрозия почв, В отличие от течения сплошных тел течение порошковзаключается в отрыве слоя частиц от себе подобных или от поверхности и вперемещении отдельных частиц или их агрегатов при сохранении границы разделамежду ними. Движение может осуществляться тремя способами:
частицыперекатываются по поверхности;
частицыотрываются и падают обратно, т. е. переносятся «прыжками»;
частицыпереносятся в состоянии аэрозоля.
Вкачестве примера рассмотрим движение песка, помещенного толстым слоем на дноаэродинамической трубы. При определенной скорости воздуха частицы, выступающиеиз слоя песка, начинают перекатываться по цоверхности. Однако, попав внебольшие углубления, они останавливаются. Если увеличить скорость воздуха,некоторое количество частиц перекатится по поверхности и остановится и т. д.Движущиеся песчинки, сталкиваясь с более крупными, выступающими надповерхностью, подскакивают.
Принекоторой скорости воздуха, называемой критической, большая часть частицбудет передвигаться прыжками. Из полидисперсного порошка выдувается болеемелкая фракция. Самая тонкая фракция под действием воздушного потока переходитв состояние аэрозоля и в таком виде перемещается над поверхностью порошка.
Опытыпоказали, что для порошка с частицами, имеющими радиус больше 50 мкм,критическая скорость «течения» по поверхности пропорциональна √r. Если r
Рассмотренныйвыше характер течения порошков обусловливает зависимость текучести порошков отадгезионных и аутогезионных сил, затрудняющих отрыв и передвижение частиц.Учитывая рассмотренную выше зависимость интенсивности межчастичныхвзаимодействий от размеров частиц, можно сделать важный практический вывод: грубодисперсныепорошки обладают более высокой текучестью, чем высокодисперсные.
Следуеттакже иметь в виду, что для мягких веществ характерна пластическая деформация,в результате которой увеличивается площадь контакта частиц, а значит,уменьшается текучесть.
Важнойхарактеристикой порошка является его распыляемость при пересыпании. Онаопределяется силами сцепления между частицами, следовательно, увеличивается привозрастании размеров частиц и уменьшается с увеличением влажности.
Существуетнесколько эмпирических закономерностей:
• гидрофобныепорошки распыляются лучше, чем гидрофильные;
•порошки из твердых веществ распыляются лучше, чем из мягких;
•монодисперсные порошки распыляются лучше полидисперсных.
ФЛУИДИЗАЦИЯ (ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ)
Псевдоожижение— это превращение слоя порошка под влиянием восходящего газового потока всистему, твердые частицы которой находятся во взвешенном состоянии,напоминающую жидкость — псевдоожиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящейжидкостью, псевдоожиженный слой часто называют кипящим слоем.
Простейшуюпсевдоожиженную систему создают в заполненном слоем порошка вертикальномаппарате, через днище которого равномерно по сечению вводят инертный ожижающийагент (газ).
Приего небольшой скорости Wпорошок неподвижен. С увеличением W высота слоя начинает возрастать (слой расширяется). Когда W достигает критического значения, прикотором сила гидравлического сопротивления слоя восходящему потоку становитсяравной весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и переходит впсевдоожиженное состояние.
Еслипорошок является высокодисперсным, сказывается сила сцепления частиц инаблюдается не равномерное расширение порошка, а образование отдельныхагрегатов. Между ними возникают каналы, по которым проходит значительная частьгаза. Это агрегативная флуидизация. Так как с увеличением размера частицгидродинамические силы возрастают, а молекулярные силы ослабевают, можноожидать, что при некоторой средней степени дисперсности порошка условия дляфлуидизации будут оптимальными. И действительно, наиболее равномерная и полнаяфлуидизация наблюдается для порошков, радиус которых близок к 20-25 мкм.
Линейнаяскорость ожижающего агента, при которой порошок переходит в псевдоожиженноесостояние, называется скоростью начала псевдоожижения или его первойкритической скоростью WK. Для мелких частиц (d
Придальнейшем возрастании W слойразрушается и начинается интенсивный вынос порошка из аппарата. Отвечающаяданному состоянию слоя скорость потока называется скоростью уноса(свободного витания) частиц или второй критической скоростью псевдоожижения Wун, превышающей WK в десятки раз. Если скорость ожижающего агента большескорости витания самых крупных частиц, слой полностью увлекается потоком. Еслипосле достижения полной флуидизации порошка постепенно уменьшать скоростьтечения, то при полной остановке тока газа слой порошка останется в расширенномсостоянии, для возвращения в первоначальное состояние его надо утрясти. Отсюдаследует, что в расширенном слое контакт между частицами сохраняется.
Псевдоожижениегазом — наиболее распространенный, способ получения псевдоожиженных систем,хотя существуют и другие способы.
Псевдоожиженныйслой применяется очень широко:
•псевдоожижение в проточных системах «газ-твердое тело» часто применяют принагревании и охлаждении, адсорбции, сушке и т. д.; при этом создаются оптимальныеусловия взаимодействия фаз;
•многочисленные химические процессы;
•получение гранулированных продуктов.
ГРАНУЛИРОВАНИЕ
Гранулирование(грануляция) — формирование твердых частиц (гранул) определенных размеров иформы с заданными свойствами.
Размергранул зависит от вида материала, способа его дальнейшей переработки иприменения и составляет обычно (в мм):
· для минеральныхудобрений — 1-4;
· для термопластов— 2-5;
· для реактопластов— 0,2-1,0;
· для каучуков ирезиновых смесей — 15-25;
· для лекарственныхпрепаратов (таблетки) — 3—25.
Формированиегранул размером меньше 1 мм иногда называют микрогранулированием.
Посвоей природе гранулирование является процессом, обратным флуидизации ираспылению. Гранулирование может быть основано на уплотнении порошкообразныхматериалов с использованием связующих или без них. Оно улучшает условияхранения веществ и транспортировки; позволяет механизировать и автоматизироватьпроцессы последующего использования продуктов; повышает производительность иулучшает условия труда; снижает потери сырья и готовой продукции.
Важнейшимиметодами гранулирования являются сухое гранулирование, мокрое окатывание ипрессование.
Сухоегранулирование. Присухом гранулировании путем обкатывания в специальных вращающихся барабанах впорошкообразную массу вводят «зародыши» — мелкие плотные комочки того жевещества, что и порошок, или инородные (зерна растений, кристаллы сахара и т.д.), важно только, чтобы они не были намного тяжелее, чем вещество порошка. Приобкатывании порошок как бы налипает на зародыши, и при этом образуются сферическиегранулы. Число гранул обычно равно числу зародышей, и это позволяет, меняясоотношение между количеством порошка и зародышей, получать гранулы любогоразмера вплоть до 1-2 см в поперечнике, Важно отметить, что с увеличениемсоотношения «порошок-зародыши» снижается прочность гранул.
Установлено,что гранулирование идет наиболее эффективно при средней скорости обкатывания.При очень больших скоростях центробежная сила прижимает весь порошок к стенкамбарабана и порошок не обкатывается. При очень малых скоростях не достигаетсявращательного движения порошка, при котором один слой, накатываясь на другой,обусловливает трение частиц, необходимое для гранулирования. Отдельные частицыпорошка под действием молекулярных сил вступают во взаимодействие, образуяагрегаты. Причиной возникновения достаточно прочной связи между частицами можетбыть либо контакт частиц в особо активных участках, либо соприкосновение частицплоскими гранями, в результате чего межмолекулярные силы действуют насравнительно большой площади.
Еслипорошок перемешивать или пересыпать с не слишком большой скоростью, ведущей кразрушению агрегатов, в порошке постепенно будут накапливаться агрегаты частиц.Вследствие меньшей кривизны поверхности этих агрегатов при столкновении их сотдельными частицами последние прилипают к ним особенно прочно. Все этоприводит к тому, что постепенно весь порошок превращается в агрегаты-гранулы.Форма этих агрегатов должна быть близкой к сферической, так как все выступы наповерхности этих гранул сглаживаются при перемешивании или пересыпании.
Положительнуюроль зародышей при гранулировании можно объяснить их большей массой и меньшейкривизной поверхности по сравнению с частицами порошка, что способствуетналипанию отдельных частиц на зародыши, это и приводит к гранулированию. Сувеличением длительности обкатывания возрастает плотность и прочность гранул.
Сухоегранулирование имеет место также при неинтенсивных механических воздействиях.Так, при просеивании муки через сита на их поверхности возникает (вследствиетолчков при перекатывании частичек и мягких ударов гранулы о гранулу) большоечисло контактов и образуются не очень прочные окатыши.
Мокроеокатывание. Перваястадия заключается в смачивании частиц порошка связующим, в качестве которогоиспользуется вода, сульфит — спиртовая барда, смесь с водой извести, глины,шлаков и других вяжущих материалов. В результате образуются отдельные комочки —агломераты частиц и происходит наслаивание мелких частиц на более крупные.
Втораястадия состоит в уплотнении агломератов в слое материала. Этот процессосуществляется в барабанных, тарельчатых или вибрационных грануляторах.
Прессование — получение гранул в форме брикетов,плиток, таблеток путем уплотнения сухих порошков, имеющих влажность до 15%,иногда с последующим дроблением спрессованного материала. Для прессованияиспользуют валковые и вальцевые прессы или таблеточные машины.
Прессованиепроисходит в формах под высоким давлением. Энергия расходуется на уплотнениезаготовки в результате деформации частиц и их смещения в поры, а также напреодоление сил трения между частицами и о стенки формы. При повышении давленияувеличивается плотность материала и площадь контакта между частицами. Чембольше площадь контакта, тем прочнее связь между частицами. Для упрочнениязаготовки в нее иногда добавляют некоторое количество связующих.
СЛЕЖИВАНИЕ
Слеживание— процесс, обусловленный длительным нахождением сыпучих материалов внеподвижном состоянии. В результате слеживания сыпучие материалы теряют способность течь имогут превратиться в монолит. Особый вред слеживание оказывает при хранениимуки, сахара, крахмала, дрожжей и других пищевых масс.
Количественнослеживание можно характеризовать прочностью слежавшегося материала на разрыв.Она равна прочности индивидуальных контактов Пк, умноженной на их число N, в расчете на единицу поверхностисыпучих материалов:
Прислеживании одновременно происходят два процесса:
1) Первый из нихсвязан с увеличением числа контактов N, вследствие постепенного проникновения мелких частиц в пространствомежду крупными частицами.
2) Второй обусловленувеличением прочности индивидуальных контактов вследствие заполнения имеющихсяпустот.
Обапроцесса приводят к повышению прочности сыпучей массы в целом и к потере ееподвижности вплоть до образования монолита.
Связнодисперсныепорошки в той или иной мере подвергаются слеживанию.
Растворимыев воде порошки (минеральные удобрения, сахарный песок) проявляют склонность кслеживанию при увлажнении и последующем высушивании, так как при достижениипересыщения раствора выделяются кристаллы, которые образуют «мостики срастания»между частицами порошка.
Слеживаемостьпорошков при хранении в емкости может вызывать увеличение площади контактамежду частицами в результате их пластической деформации под тяжестьювышележащих слоев.
Способыборьбы со слеживанием можно условно разделить на две большие группы: активные ипассивные.
Активныеспособыпредотвращают слеживание. Они связаны с воздействием на сыпучую пищевую массудо начала слеживания.
Пассивныеспособы — этовозвращение слежавшемуся продукту исходной текучести или уменьшениеотрицательного влияния слеживания.
Предотвратитьслеживание можно следующими путями:
•регулированием физико-химических свойств продуктов. Гигроскопические порошкигидрофобизируют, модифицируя поверхность частиц с помощью ПАВ, а в ряде случаев— вводя твердые высокодисперсные, нерастворимые в воде добавки;
•введением водопоглощающих добавок (например, в сахар добавляют измельченнуюмальтозу или глюкозу, в поваренную соль, используемую в технических целях, — до2% порошка цеолита);
•укрупнением частиц порошка с образованием гранул и таблеток;
•герметизацией емкостей для хранения порошков.
УСТОЙЧИВОСТЬ ПОРОШКОВ
Порошкинеустойчивы по отношению к агрегации и седиментации. Это объясняется тем, чтогазообразная среда не может взаимодействовать с дисперсной фазой в такойстепени, чтобы поверхностная энергия снижалась до необходимых значений. Малаяплотность газов ограничивает возможности регулирования также седиментационнойустойчивости.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОРОШКОВ
Областьраспространения порошков необъятна. Достаточно вспомнить, что прогретая солнцемпочва, песчаные отмели и пляжи, грунтовые дороги, покрытые толстым слоем пыли,— все это примеры порошкообразных систем. Зимой выпадает снег, который такжеможно рассматривать как порошкообразную систему, причем на его примере можнопроиллюстрировать все рассмотренные свойства порошков: способность к течению ираспылению, слеживаемость, гранулирование и др. Эти свойства в природныхсистемах часто приводят к катастрофическим последствиям: песчаные и снежныебури, суховеи, снежные лавины.
Стольже необъятной является и область практического применения порошков. Кроме того,порошки имеют немалое значение и как самостоятельные объекты. Практически любаяотрасль промышленности в той или иной степени использует многочисленныепорошкообразные материалы.
Рассмотримздесь лишь некоторые аспекты применения порошков в пищевой и химическойпромышленности.
ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Многиепродукты пищевых производств выпускаются в виде порошков: мука, крахмал,сахарный песок, сахарная пудра, специи, молотые кофе и какао, сухое молоко исливки, различные крупы и др. Некоторые пищевые продукты выпускаются в видегранул и таблеток, например, гранулированные чай и кофе.
Многиевиды пищевого сырья в технологических процессах используются в виде порошков:мука, крахмал, сухое молоко и сухие сливки, сахарная пудра, какао-порошок,поваренная соль, размолотые пряности, горчица и др. Качество получаемыхпродуктов во многом зависит от степени дисперсности используемого порошка и егопредварительной подготовки. Так, своеобразная нежность шоколадных изделийопределяется степенью размола какао-порошка. Для получения высококачественногошоколада исходный какао-порошок должен содержать частицы размером не более10—16 мкм.
Дляобразования теста нормальной консистенции мука должна обладать определеннойвлагопоглотительной способностью, которая возрастает с увеличением тонкостипомола муки. Кроме того, мука подвергается предварительной подготовке. Еевыдерживают в темном помещении при температуре не ниже 12°С, а затемпросеивают. При этом мука освобождается от посторонних частиц и аэрируется, чтооказывает благоприятное влияние на процессы брожения. Кроме того, припросеивании разрушаются комки, образующиеся при хранении муки за счет слипаниячастиц. И в домашних условиях при приготовлении теста рекомендуетсяпредварительно просеивать муку. Если вместо муки используется манная крупа,которую получают в результате гораздо более грубого помола пшеницы, тотехнология приготовления теста (манника) изменяется, она включает в себя стадиюпредварительного набухания крупы.
ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Порошки— одна из наиболее распространенных форм применения веществ вхимико-технологических процессах переработки и получения различных материалов.Достаточно отметить, что большинство продуктов химических предприятийвыпускается в виде порошков, гранул или окатышей, например, минеральныеудобрения, полимеры, красители, ионообменные смолы, флокулянты, химическиереактивы для учебных, научно-исследовательских и заводских лабораторий и др.
Сверхтонкиеметаллические порошки являются эффективными катализаторами. В химическихсинтезах они часто используются в виде суспензий. Так, например, органозолиникеля успешно применяются в процессах гидрирования жиров и других ненасыщенныхсоединений в жидкой фазе. Скорость гидрирования в присутствии такого катализатораповышается в десятки раз, что объясняется высокой удельной поверхностью этихпорошков.
Высокодисперсныепорошки используются также в качестве стабилизаторов микрогетерогенных систем,в частности эмульсий.
ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ
Порошкиявляются одной из наиболее распространенных лекарственных форм, применяемых какдля наружного, так и для внутреннего употребления. Выпускают порошки простые,состоящие из одного вещества (глюкоза, анальгин, амидопирин и т. п.), и сложные(диуаретин, кофеин-бензоат натрия и т. п.). Для большего удобства употребления,хранения, увеличения длительности действия и придания определенных вкусовыхкачеств из порошков путем прессования готовят таблетки. В состав таблеток кромелекарственных препаратов входят вещества, способствующие усвоению лекарства ворганизме, связующие вещества и вещества, придающие определенный вкус и цветтаблеткам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Типыдисперсных систем, различающихся природой дисперсной фазы и дисперсионнойсреды:
суспензии(Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), аэрозоли (Ж/Г, Т/Г), порошки (Т/Г).Эти системы имеют много общего:
•частицы дисперсной фазы имеют размеры от 1 мкм и выше, т. е. указанные системызанимают промежуточное положение между коллоидными растворами и макросистемами;
•образование всех указанных систем возможно двумя путями: диспергационным иконденсационным;
• всеуказанные системы характеризуются наличием большой межфазной поверхности (до 1м2/г), что обусловливает их термодинамическую неустойчивость —стремление к укрупнению частиц дисперсной фазы; различают седиментационную иагрегативную устойчивость;
•агрегативная устойчивость и длительное существование дисперсных систем ссохранением их свойств обеспечивается введением стабилизаторов:низкомолекулярных электролитов, ПАВ, полимеров.
Взависимости от природы стабилизатора реализуются несколько факторовустойчивости:
•электростатический;
•адсорбционно-сольватный;
•структурно-механический;
•энтропийный;
•гидродинамический.
Нарядус общими свойствами каждая из дисперсных систем имеет свои особенности, которыебыли рассмотрены выше.
Литература
1) Химическийэнциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1983
2) Левченков С.И. — Лекции по физической и коллоидной химии – М.: Просвещение, 2000
3) Равич-Щербо М.И.Физическая химия. – М.: Эксмо, 1999
4) Агафонова Е.И.Практикум по физической и коллоидной химии. М.: Новая книга, 2001
5) Петрянов И.В.Вездесущие аэрозоли. – М. Педагогика, 1996
6) Фукс Н.А… ФуксН.А. Механика аэрозолей. – М.: Эксмо, 2009
7) Перельман Я.Я. Анализлекарственных форм. Практическое руководство. М.: Медгиз, 2003
8) Воюцкий А.А. Курсколлоидной химии. М.: Медкнига, 2000
9) Лисичкин Н.В.Химия привитых поверхностных соединений. – М.: Новая книга, 2003
10) Эткинс П., Дж. деПаула Физическая химия. В 3 частях. – М.: Мир, 2007
11) Барановский В.И. Квантоваямеханика и квантовая химия. – М.: Промиздат, 2007
12) Салем Р.Р.Физическая химия. Начала теоретической электрохимии. – М.: Мир, 2010
13) Гросберг А.Ю.,Хохлов А.Р. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики. – М.: Мир, 2008
14) Елисеев А.А.,Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. – М. Просвещение, 2010
15) Егоров-ТисменкоЮ.К. Кристаллография и кристаллохимия. – М.: Мир, 2006
16) Кнотько А.В.,Пресняков И.А., Третьяков Ю.Д. Химия твердого тела. – М. Просвещение, 2008