Вопрос 3. Аэрозоли, дымы, туманы.

Лекция № 15.

Тема: «Пены, порошки, суспензии, пасты, аэрозоли, дымы, туманы»

Цель: пен, стабилизаторов; проанализировать значение эмульсий при хранении овощей и фруктов, а также методов разрушения эмульсий, пен, аэрозолей для очистки сточ­ных вод и атмосферы.

Продолжительность: 2 часа.

План:

1. 1.Пены.

2. Порошки, суспензии, пасты.

3. Аэрозоли, дымы, туманы.

Вопрос 1. Пены.

Пенами называются грубые высоко концентрирован­ные дисперсные системы, в которых дисперсная фа­за — газ, а дисперсионная среда — жидкость.

Пу­зырьки газа в пенах имеют большие размеры, фор­му многогранников и отделены друг от друга очень тонкими прослойками дисперсионной среды.

Пены характеризуются следующими показателями:

• пенистостью, т. е. отношением объема пены к объе­му жидкости в виде пленок;
• дисперсностью (средним размером пузырьков и сред­ней толщиной жидкостных пленок);
• устойчивостью (определяется временем существова­ния пен).

Мера устойчивости определяется време­нем ее жизни, т. е. от момента образования до самопроизвольного разрушения.

Для получения пен применяют обычно диспергационные методы: интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости, продавливание (барботирование) газа
разрыхлителей - примеры конденсационного метода получения пен устойчивую пену можно получить только с использованием стабилизатора пенообразователя. Чистые жидкости не обладают способностью образо­вывать устойчивую пену. Наличие пены всегда сви­детельствует о присутствии в жидкости посторонних веществ (загрязнений).

Устойчивость пены зависит от природы пенообра­зователя, его концентрации и температуры. Пенооб­разователями могут быть поверхностно-активные ве­щества, молекулы которых имеют достаточно длин­ную углеводородную цепь. К типичным пенообразо­вателям водных пен относятся спирты, мыла, белки, сапонин (экстрагируемое из растений соединение, обладающее поверхностно-активными свойствами), Низкомолекулярные поверхностно-активные вещест­ва, уменьшая поверхностное натяжение, облегчают образование пены, но не придают ей стабильности, и она быстро разрушается. Пенообразующие веще­ства с длинной молекулярной цепью, адсорбируясь на границе вода — воздух, формируют высоковязкую структурированную пленку, препятствующую истече­нию жидкости из прослоек дисперсионной среды. В этом случае толщина слоя жидкости, между пузырьками воздуха уменьшается медленно и пена может существовать длительное время.

С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, так как при этом снижается адсорбция пенообразователя на границе фаз и уменьшается вязкость жидкости.

Пены и пенообразование имеют важное практиче­ское значение. Действие мыла и других моющих средств при удалении загрязнений с любой поверх­ности связано с ценообразованием. Очень важная область использования пен — тушение пожаров. Противопожарная пена обычно содержит в виде дисперс­ной фазы диоксид углерода, такая пена имеет невысокую плотность, что позволяет применять ее для тушения горящих органических жидкостей. При ту­шении она покрывает поверхность и препятствует доступ к ней воздуха.

Пенообразные системы очень распространены в пищевой промышленности. Такие продукты, какхлеб и ряд кондитерских изделий, имеют структуру пены, и это определяет не только их вкусовые свой­ства, но и пищевую ценность. Для приготовления вспенненых кондитерских изделий (пастила, зефир, суфле) в качестве пенообразователя применяют бе­лок, иногда экстракт чая, метилцеллюлозу.

Для повышения стойкости пищевых пен в них вводят стабилизаторы — вещества, повышающие вяз­кость дисперсионной среды (агар, агароид, крах­мал). Увеличение вязкости жидкости в пленках пены уменьшает скорость ее «стекания» и соответственно повышает стойкость пены.

В сточных водах различных промышленных пред­приятий обычно содержатся поверхностно-активные вещества. Для очистки таких вод используют специ­альные установки, в которых вода, падая с высоты, образует пену. Пузырьки пены захватывают нефть, масла и другие загрязняющие воду вещества и вы­носят их на поверхность. Пену вместе с загрязняю­щими веществами уже легко удалить с поверхности.

Вместе с тем в ряде производств образование пе­ны нежелательно. Она мешает перемешиванию и выпариванию жидкостей. Особенно вредны пены, обра­зующиеся в сточных водах, которые содержат пено­образователи. Эти пены покрывают слоем поверхность водоемов и, прекращая доступ кислорода в воду, вызывают гибель всех живых организмов. Пену можно разрушить введением в нее веществ, которые, обладая высокой поверхностной актив­ностью, сами не дают стойкой пены. Они вытесняют пенообразователь с границы раздела фаз,разрушая тем самым структурированную пленку. Такие веще­ства получили название пеногасителей. Обычно ими являются спирты (пентиловый, октиловый), жирные кислоты, сложные эфиры, Пены можно разрушить и механическим путем.

Вопрос 2. Порошки, суспензии, пасты.

Порошки

При дроблении и измельчении твердых тел получа­ются дисперсные системы, которые принято называть порошками. Порошки — это грубодисперсные систе­мы, частицы которых имеют большие размеры ивидны визуально.

Многие вещества и материалы, применяемые в промышленности, в сельском хозяйстве, медицине, а также многие пищевые продукты приготавливаются в виде порошков. Например, строительные материалы (цемент, алебастр, мел, известь), сухие краски, пигменты, лекарства, продовольственные товары (мука, крахмал, какао) и т. п.

В порошках дисперсная фаза — твердое вещество, а дисперсионная среда — газ.

Получают их, как, и коллоидные системы, методом конденсации и диспергирования. Например, осажденный мел, зубной порошок получается, по реакции:

                                     Са (ОН)₂+ СО₂ → СаСО₃

Метод диспергирования основан на дроблении исходного сырья на различных мельницах. Например, порошки получают, сжигая металлы. Так, окись цинка (цинковые белила) получают, окисляя пары цинка, воздухом при 300 °С. Различные виды сажи получаются сжиганием газообразных или жидких углеводородов при недостаткекислорода.

  Важной характеристикой порошков является их дисперсность, и поэтому существует много методов определения размера частиц порошков. Наиболее распространен ситовой анализ, при котором порошок просеивают через набор сит с отверстиями различ­ных размеров.

  Характерной особенностью порошков является их свойство переходить в псевдоожиженное состояние. Если порошок поместить в сосуде с пористым дном, то, пропуская через него снизу воздух с постепенно увеличивающейся скоростью, можно изменить свойства порошка. При малых скоростях воздух проходит через порошок, не изменяя его объема. При достиже­нии определенной скорости воздуха слой порошка равномерно расширяется в результате того, что твер­дые частицы начинают интенсивно перемещаться от­носительно друг друга. По мере расширения слоя увеличивается его текучесть, т. е. порошок прибли­жается по этому свойству к жидкости. С увеличени­ем давления воздуха слой порошка становится по­хожим на кипящую жидкость, отчего и получил на­звание «кипящего слоя». Порошки в псевдоожиженном состоянии благодаря текучести легко переме­щаются по наклонной плоскости, что используется в промышленных транспортных желобах. Некоторые порошки переходят в текучее состояние при осторож­ном пересыпании. Однако для ряда порошков пере­сыпание приводит к образованию крупных, но не очень прочных сферических частиц — гранул. Более прочные гранулы получаются при механическом уплотнении предварительно увлажненных порошков или порошков, в которые добавлены склеивающие вещества.

Суспензии, пасты.

Суспензии— дисперсные системы сжидкой дисперсион­ной средой и твердой дисперсной фазой.

Примерами суспензий являются глинистые, цементные и известковые растворы, глины, масляные густотертые краски, крахмальное молоко, протертые супы, шоколад при температуре 350 °С представляет собой суспензию ча­стиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле, помадные массы кондитерского производства и т. д.

В зависимости от относительного содержания диспер­сной фазы суспензии подразделяют на три типа: разбав­ленные, концентрированные и высококонцентрированные. Последние обычно называют пастами.

Суспензии могут быть получены диспергационными и конденсационными способами.

Вследствие больших размеров частиц дисперсной фазы в суспензиях отсутствует броуновское движение. Явле­ния диффузии и осмоса им также не свойственны. Про­хождение света не вызывает опалесценции, а проявляет­ся в виде мутности, так как световые луч» преломляются и отражаются частицами суспензии, а не рассеиваются. Суспензии седиментационно неустойчивы, их частицы оседают или всплывают в зависимости от плотности дисперсионной среды и дисперсной фазы. Суспензии одновременно поглощают и отражают свет, в проходящем свете они мутные.

 Не обладая седиментационно устойчивостью, суспензии могут быть устойчивы агрегативно, т.е. их частицы сохраняют постоянные размеры. Агрегативная устойчивость суспензий обусловлена тем, что их частицы имеют на поверхности двойной электрический слой или сольватную оболочку. Ме­ханизм образования двойного электрического слоя преимущественно адсорбционный, т. е. двойной слой формируется благодаря адсорбции на поверхности твердой частицы одного из ионов присутствующего в дисперсионной среде электролита. Значение элек­трокинетического потенциала суспензии близко к по­тенциалу золей, и агрегативная устойчивость в этом случае определяется электростатическим отталкива­нием одноименно заряженных частиц.

  Седиментационная устойчивость обычно очень        мала          вследствие крупных частиц, а для достижения агрегативной устойчивости необходимо выполнение, по крайней мере, одного из двух условий:

  1. Смачиваемости поверхности частиц дисперсной фазы дисперсной средой.

  2. Наличия стабилизатора.

  Добавляемый стабили­затор вводят в виде ионов, заряжающих я стаби­лизирующих частицы суспензии, или в виде ПАВ, либо в виде защитного высокомолекулярного со­единения. Если стабилизатор отсутствует, то ча­стицы смачиваются дисперсной средой и на их поверхности образуется оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соеди­нению частиц в крупные агрегаты.

Суспензии могут быть агрегативно устойчивы за счет образования сольватной оболочки частиц. В таких суспензиях частицы или сами хорошо сма­чиваются жидкой дисперсионной средой или свойст­во смачиваться придают им искусственно. В том и в другом случае на поверхности частиц суспензии образуется сольватная оболочка, обладающая упру­гими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты.

Примером агрегативно устойчивых суспензий с сольватационным механизмом устойчивости явля­ются суспензии кварца в воде и сажи в бензоле. Кварц хорошо смачивается водой, сажа — бензолом, и эти суспензии сохраняют агрегативную устойчивость без введения третьего компонента стабилизатора. Если размешать порошок сажи в воде, то полу­чается агрегативно неустойчивая система. Частицы сажи водой не смачиваются, поэтому гидратная оболочка на поверхности частиц не образуется и незащищенные частицы легко соединяются друг с другом.

Устойчивость такой суспензии можно придать, вводя в нее третий компонент — поверхностно-актив­ное вещество, растворимое в дисперсионной среде, Молекулы ПАВ, адсорбируясь на частицах угля (са­жи) своими неполярными группами, сообщают поверхности частиц свойство смачиваться водой, т. е. гидрофилизируют ее. Благодаря этому во­круг частиц образуются гидратные оболочки и тем самым обеспечивается агрегативная устойчивость суспензии.

Устойчивую суспензию какого-либо полярного вещества, например кварца, в неполярной среде (бензоле) можно получить, если добавить в дисперсион­ную среду растворимое в ней ПАВ (стеариновую или олеиновую кислоту).

Вязкость разбавленных суспензий мало отлича­ется от вязкости дисперсионной среды.

Высококонцентрированные суспензии (пасты) имеют свойства структурированных систем и характеризуются высо­кой вязкостью.

Суспензии — очень распространенные дисперсные системы. К ним относятся глинистые, цементные и известковые «растворы», масляные краски.

Шоколад­ная масса при температуре несколько выше 35 ^оС представляет собой суспензию частиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле. В вы­сококачественном шоколаде основная часть твердой фазы должна состоять из частиц, размер которых не превышает 25 мкм.

Порошок какао, размешанный в воде, дает также суспензию.

Для придания лучшей устойчивости такой суспензии порошок какао обрабатывают щелочными растворами. В ре­зультате омыления жиров, входящих в состав какао-масла, на поверхности частиц какао осаждается не­большое количество солей жирных кислот, раствори­мых в воде, которые, являясь ПАВ, стабилизируют суспензию в воде.

Суспензия, в основном карбоната кальция, обра­зуется при очистке сока сахарной свеклы (диффу­зионного сока) путем последовательной обработки его раствором Са(ОН)₂ и диоксидом углерода.

Помадные массы кондитерского производства представляют собой высококонцентрированные су­спензии (пасты), твердой фазой в которых являются кристаллики сахарозы, а жидкой фазой — раствор сахарозы, глюкозы, мальтозы в воде. В готовой по­маде содержание жидкой фазы должно быть 40— 45%, твердой 55—60%, размер кристаллов — не больше 20 мкм.

Вязкость разбавленных суспензий мало отличается от вязкости дисперсионной среды, В высококонцентрирован­ных суспензиях (пастах) наблюдается структурирование, т. е. образование из частиц дисперсной фазы некоторой пространственной сетки, в петлях которой находится дисперсная среда.

Внешне это выражается чрезмерно боль­шой вязкостью и переходом при длительном покое в твер­дое состояние — гелеобразованием.

Вопрос 3. Аэрозоли, дымы, туманы.

Аэрозолями называют дисперсные системы, дисперс­ной фазой которых могут быть твердые частицы или капельки жидкости, а дисперсионной средой являет­ся газ (воздух).

Обычно аэрозоли классифицируют по агрегатно­му состоянию дисперсной фазы. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называют туманами, с твердыми частицами — дымами.Аэрозоли с твердой дисперс­ной фазой, размеры частиц которых больше, чем у дымов, обычно называют пылью.