Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Если величина г, не зависит от размеров пленок, интегрирование этого уравнения дает и = п,е "', др. В( а1 абг, бх бх( г„,) г„' бх ' (МН.3) где г„— радиус кривизны каналов Гиббса — Плато; х — вертикальная координата В гидростатически равновесном состоянии, характерном для высокократных пен, радиус кривизны каналов Гиббса — Плато в соответствии с (МП. 3) уменьшается с высотой ц поэтому с высотой кратность пены растет. В столбе пены заданной высоты Н.
с определенным размером ячеек в условиях равновесия может содержаться лишь определенное количество жидкой фазы, которому отвечает некоторое равновесное значение средней кратности. В высокократных высокодисперсных пенах начальное значение кратности может превышать эту величину. Из таких пен в начальные моменты времени г не только ие происходит истечения жидкой фазы (рис.
3ГП)-9, кривая 7), но, наоборот, такие очень «сухие» пены способны всасывать в себя жидкость (как промокательная бумага). Дальнейшее падение днсперсности пены приведет к уменьшению количества жидкости, которое может содержаться в пене, из нее начнет вытекать дисперсионная среда и, соответственна, возрастать кратносп . При этом увеличение во времени кратности пены целиком определяется падением ее дисперсности: разрыв пленок приводит к уменьше. нию числа каналов в единице объема пены, сечение же каналов (при заданной высоте) 352 где и, — начальное число ячеек в единице объема пены; г, = г,/)с — время, за которое число ячеек уменьшается в е раз. Изменение к рати ос т и п е н ы Кво времени связано с вытеканиемдисперсионной среды по системе каналов Гиббса — Плато под действием силы тяжести (сннерезис). Этому противостоит капиллярное давление в каналах Гиббса — Плато, так что может возникнуп, гидросгатическн равновесное состояние, отвечающее условию Рдх+ в» = сапа), т.
е. остается неизменным. В низкократных пенах, наоборот, именно в первые моменты времени проис- ! ходит быстрое истечение дисперсионной среды и рост кратности (рис. ЧП1-9, кривая 2) вплоть до дос- 2 тижения состояния, близкого к гидростатически равновесному. В дальнейшем ход изменения кратности оказывается таким же, как и для высокократных пен. Удобным методом определения кратности пены является измерение ее электрической проводимости (кратность обратно пропорциональна электропроводности пены).
Изменение во времени в ы с о т ы п е н н о- 0 г го слоя (или высоты столба пены в сосуле) обу- рис. Ч)!1-9. Изменение кратсяоаленоповышеннойскоростьюразрушенияаерх ности хг во времени двл выних, контактирующих с внешней средой пленок сокократных (к иная 1) и пены. Зго может быль связано с испарением дис- низкократных (кривая 2) пен персионной среды из пленок,так что скорость разрушения столба пены существенно зависит от влажности контактирующего с ней воздуха. При контакте слоя пены с находящимся под ней жидким углеводородом также может происходить ускоренное разрушение пены в области контакта. При этом высота слоя пены остается некоторое время неизменной, но вблизи углеводорода в пене образуются полости. Особенно быстрое разрушение пены происходит при ее контакте с органическими полярными жидкостями, что служит серьезным препятствием к использованию пен лля тушения горящих полярных растворителей.
Пены, используемые в различных областях, должны иметь различную устойчивость. Так, во флотации, когда производится барботирование большого количества воздуха через водные растворы ПАВ, содержащие частицы руды, образование обильной высокоустойчивой пены нежелательно, поскольку это затруднит дальнейшее выделение из пены ценного минерала. В этом случае используют ПАВ первой группы (по классификации Ребиндера), т.
е. слабые пенообразователи, для которых время жизни индивидуальных пузырьков не превышает нескольких десятков секунд. В качестве таких слабых пенообразователей обычно применяют низшие спирты или продукты переработки древесины (сосновое масло). Пена, содержащая флотируемые частицы (так называемая трехфазная пена), обладает более высокой устойчивостью, чем пена без твердых частиц, так что на поверхности флотационного аппарата образуется сравнительно тонкий слой «сливок», содержащих довольно высокую концентрацию флотируемого минерала. Периодически удаляя с поверхности эти «сливки», затем разрушая пену, получают концентрат данного минерала. Высокоустойчивые пены, стабилизированные ПАВ третьей и четвертой групп, используются в пожаротушении, особенно при горении нефти и жидких топлив.
В этом случае важными характеристиками пен являются скорость растекания по поверхности горящего неф- 353 Г2 энн тепродукта и их изолирующая способность — время предотвращения выхода паров горючей жидкости. Для получения подобных высокоустойчивых пен используют сложные составы, включающие, помимо основного пенообразователя, добавки других ПАВ, дополнительно стабилизирующих пену. Значительные перспективы открывает применение фторзамешенных соединений.
Важной задачей во многих производствах является также разрушение (гашение) пены или предотвращение пенообразования. Так, в микробиологическом производстве иногда начинает образовываться обильная пена, затрудняющая проведение процесса. Обильная пена может образовываться в химических процессах, связанных с выделением газов или их взаимодействием с жидкостями. Чрезмерное пенообразование мешает и работе стиральных машин, поэтому стиральные порошки для машин содержат большее количество неионогенных ПАВ, которые являются более слабыми пенообразователями по сравнению с алкилсульфатами, особенно при повышенных температурах.
Образовавшуюся пену можно разрушить с помощью перегретого пара, ультразвука либо введением так называемых пеногасителей. По Ребиндеру, пеногасителями являются ПАВ, имеющие более высокую поверхностную активность„чем пенообразователи, и поэтому вытесняющие пенообразователь с поверхности пузырьков пены, но не способные сами к ее стабилизации. Пеногасителями могут служить низшие спирты, а также кремнийорганические соединения. Последние особенно эффективно предотвращают пенообразование. ЧИ1.3. Эмульсии и эмульсионные лленки Дисперсии жидкостей в жидких дисперсионных средах, называемые эмульсиями, во многом сходны с рассмотренными пенами, но обладают и рядом важных особенностей.
Наиболее существенное отличие эмульсий от пен состоит в следующем. Стабилизация пен с помощью ПАВ, обеспечивающая их устойчивость, не меняет их природы как лиофобных дисперсных систем. Напротив, эмульсии могут быль сколько угодно близки к лиофильным, термодинамически равновесным коллоидным системам (см. гл. Ч1), и не всегда удается провести четкую грань между лиофильными и лиофобными эмульсиями.
Лиофильные критические эмульсии и близкие к ним системы были рассмотрены в Ч1.3; данный параграф посвящен рассмотрению лиофобных эмульсий. Другой специфической чертой эмульсий является возможность образования эмульсий двух типов: прямой, в которой дисперсионной 354 средой является более полярная жидкость (обычно вода), и обратной, в которой более полярная жидкость образует дисперсную фазу . При определенных условиях наблюдается обращение 4аэ эмульсий, когда эмульсия данного типа при введении каких-либо реагентов или при изменении условий превращается в эмульсию противоположного вида. Определить тип эмульсий можно, например, по ее электрической проводимости (электрическая проводимость для водной дисперсионной среды на много десятичных порядков выше, чем у обратных эмульсий), по способности смешиваться с полярными и неполярными растворителями или растворять полярные и неполярные красители.
Различают также разбавленные эмульсии (до нескольких процентов дисперсной фазы по объему) и эмульсии концентрированные, в том числе высококонцентрированные (свыше 70 % дисперсной фазы). Последние близки по структуре и свойствам к пенам, поэтому их иногда называют спумоидными (пенообразными) эмульсиями. Изучение устойчивости эмульсий раскрывает закономерности влияния строения молекул ПАВ на их способность к стабилизации прямых и обратных систем. Исследования изолированных пленок обратных эмульсионных систем (углеводородных пленок в водной среде, стабилизированных адсорбционными слоями ПАВ) позволили получить на этих модельных системах сведения о строении и механизмах функционирования мембран различных клеточных структур.
Важнейшим представителем природных обратных эмульсий является сырая нефть — эмульсия, содержащая до 50 — 60 % сильно засоленной воды и очень сильно стабилизованная природными ПАВ и смолами; разрушение этой эмульсии является первой и достаточно трудной стадией переработки нефти. Широкое применение имеют эмульсии в технике и химической технологии: это процессы обработки с применением эмульсионных смазочно-охлаждающих жидкостей, эмульсионной полимеризации, переработки и получения пищевых продуктов (молоко, сливочное масло, маргарин) и фармацевтических препаратов.
Получение лиофобных эмульсий, как правило, осуществляется методом диспергирования (эмульгирования) одной жидкости в другой в присутствии ПАВ, называемых в этом случае эмульгаторами (ПАВ третьей и четвертой группы). Конденсационным путем образуются лишь некоторые, в основном, разбавленные эмульсии, например эмульсии масел в водах паровых котлов. Для эмульгирования ~ Возможны и так называемые «множественные эмульсии», в которых дисперсионная среда частично диспергирована в каплях дисперсией фазы. 355 жидкостей применяют различные устройства, основанные на воздействии вибрации, ультразвука, действии больших градиентов скоростей сдвига (в так называемых коллоидных мельницах), на соударении струи двух жидкостей, вытекающих из узких отверстий, и т. п. 'В некоторых случаях, приближаю- щихся к условиям образования лиофиль- ж — — — — — ных коллоидных систем, может происхорио.
чп-1в. возникновение дить и самопроизвольное образование и оэиеилиэир>чошео лояотлие эмульсий (самоэмульгирование жидкО- микроэмульсий стей). Это возможно, например, если на границе двух жидких фаз при взаимодействии двух веществ, каждое из которых растворимо в одной из соприкасающихся фаз, образуется сильно поверхностно-активное соединение. Протекающая в таких существенно неравновесных условиях адсорбция образующегося вещества способна приводить, как было показано А.А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
