Практическое значение эмульсий и эмульгирования
- Введение…………………………………………………………
…… 3 - Классификация эмульсий…………………………………………… 4
- Методы получения и разрушения эмульсий……………………… 11
- Обращение фаз эмульсий…………………………………………... 13
- Практическое значение эмульсий и эмульгирования……………..14
- Вывод…………………………………………………………………
.15 - Список используемой литературы………………………………….16
1.
Введение
Гетерогенные системы, называемые эмульсиями, широко распространены в природе . (молоко, млечный сок растений и т. д.|, их легко изготовить также искусственным путем (пропиточные составы для придания тканям водонепроницаемости, смазки, маргарин, косметические кремы и т. д.),
Условия, необходимые для образования эмульсий, сходны с теми условиями, которые нужны для получения коллоидных систем с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Обе жидкости, образующие эмульсию, должны быть нерастворимы или мало растворимы друг в друге, и в системе должен присутствовать стабилизатор, который в этом случае называют эмульгатором. Эмульсии тем седиментационно устойчивее, чем ближе плотности обеих фаз.
Отличительной особенностью не слишком концентрированных эмульсий является сферическая форма частиц (капелек). Как правило, дисперсность лиофобных эмульсий значительно ниже дисперсности золей с твердой дисперсной фазой.
От типичных лиофобных эмульсий следует отличать так называемые критические — лиофильные эмульсии. Критические эмульсии — это системы, образующиеся обычно из двух ограниченно смешивающихся жидкостей (например, анилина и воды, изоамилового спирта и воды) при температурах, весьма близких к критической температуре смешения, когда поверхностное натяжение на границе фаз становится весьма малым (порядка 0,01 эрг/см2) и теплового движения молекул уже достаточно для диспергирования одной жидкости в другой. В результате такого самопроизвольного диспергирования образуется тончайшая эмульсия, в которой коалесценция отдельных капелек .уравновешивается стремлением обеих жидкостей равномерно распределиться в объеме.
Всякая
критическая эмульсия является термодинамически
устойчивой равновесной системой, для
существования которой не требуется
эмульгатор. Другими отличительными
свойствами критической эмульсии являются
возможность существования ее лишь в очень
узком интервале температур и непостоянство
частиц дисперсной фазы: капельки критической
эмульсии все время образуются в системе
и тотчас же исчезают, напоминая в этом
отношении ассоциаты, образующиеся
в жидкости в результате флуктуации ее
плотности.
2.
Классификация эмульсий
Обычные лиофобные эмульсии классифицируют либо по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды, либо по концентрации дисперсной фазы в системе.
Согласно первой классификации различают эмульсии неполяркой или слабополярной жидкости в полярной (например, эмульсия масла в воде)—эмульсии первого рода, или прямые, и эмульсии полярной жидкости в неполярной (например, вода в масле) —-эмул ьсии второго рода, или обратные.
Эмульсии первого рода очень часто обозначают
через м/в, где под буквой «м» подразумевается
масло или иная неполярная жидкость, а
под буквой «в» — вода или другая полярная
жидкость.
Эмульсии второго рода обозначают соответственно через в/м. В особый класс выделяют эмульсии жидких металлов (ртути, галлия) в воде, поскольку в этом случае и дисперсная фаза, и дисперсионная среда ведут себя как полярные жидкости.
Тип эмульсий устанавливается очень легко путем определения свойств ее дисперсионной среды. Для этого либо определяют способность эмульсии смачивать гидрофобную поверхность, либо проверяют возможность эмульсии разбавляться водой, либо испытывают способность эмульсии окрашиваться при введении в нее красителя, растворяющегося в дисперсионной среде, либо, наконец, определяют электропроводность эмульсии. Если эмульсия не смачивает гидрофобную поверхность, разбавляется водой, окрашивается при введении водорастворимого красителя (например, метиленового голубого) и обнаруживает сравнительно высокую электропроводность, то это эмульсия типа м/в. 'Наоборот, если эмульсия смачивает гидрофобную поверхность, не окрашивается водорастворимым красителем (или окрашивается при введении маслорастворимого красителя, например Судана III) и не обнаруживает заметной электропроводности, то это эмульсия типа в/м.
Согласно второй классификации, эмульсии делят на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные, или желатинированные.
К разбавленным эмульсиям относятся системы жидкость— жидкость, содержащие до 0,1 объемн.% дисперсной фазы. Типичным примером таких систем может служить эмульсия машинного масла в конденсате, образующемся при работе паровых машин. Следует, впрочем, отметить, что термин «разбавленные эмульсии» весьма условен, так как к разбавленным эмульсиям относят не просто эмульсии с малой концентрацией дисперсной фазы, полученные, например, разбавлением концентрированных эмульсий, но системы, обладающие характерными свойствами.
Прежде всего, разбавленные эмульсии по размеру частиц резко отличаются от концентрированных и высококонцентрированных эмульсий, являясь наиболее высокодисперсными. Диаметр капелек в разбавленных эмульсиях составляет, как правило, порядка 10~5 см, т.е. близок к размеру коллоидных частиц. Далее, разбавленные эмульсии обычно образуются без введения в систему специальных эмульгаторов. Тем не менее, как показал опыт, частицы этих эмульсий обнаруживают электрофоретическую подвижность и, следовательно, несут электрический заряд. Заряд возникает -на частицах дисперсной фазы таких эмульсий в результате адсорбции ионов неорганических электролитов, которые могут присутствовать в среде в ничтожных количествах. Некоторые исследователи полагают, что в отсутствие чужеродных электролитов на поверхности капелек таких эмульсий могут адсорбироваться гидроксильные или водородные ионы, всегда присутствующие в воде в результате диссоциации ее молекул. Наконец, разбавленные эмульсии по свойствам более, чем все остальные эмульсии, сходны с лиофобными золями. Именно с разбавленными эмульсиями проводил свои работы Повис, который установил подчинение эмульсии правилу Шульце — Гарди и существование у их частиц критического электрокинетического потенциала. Помимо заряда агрегативной устойчивости разбавленных эмульсий способствует еще чрезвычайно малая численная концетрация этих систем, обусловливающая очень редкие столкновения капелек. К концентрированным эмульсиям относятся системы жидкость — жидкость со сравнительно значительным содержанием дисперсной фазы, вплоть до 74 объемн.% « Эту концентрацию часто указывают как максимальную для эмульсий этого класса потому, что она в случае монодисперсной эмульсии соответствует максимально возможному объемному содержанию недеформированных сферических капель независимо от их размера. Для полидисперсных эмульсий указанный предел, конечно, является условным, так как в таких эмульсиях маленькие капельки могут размещаться между большими.
Так как концентрированные эмульсии получаются обычно методом диспергирования, то размер их капелек относительно велик и составляет 0,1—1 мкм и больше. Такие капельки хорошо видны под обычным микроскопом, и концентрированные эмульсии должны быть отнесены К микрогетерогенным системам. Капельки концентрированных эмульсий также совершают, броуновское движение тем более интенсивное, чем меньше их размер. Концентрированные эмульсии легко седиментируют, причем седиментация происходит тем быстрее, чем больше разница между плотностями дисперсной фазы и среды. Если дисперсная фаза обладает меньшей плотностью, чем среда, то наблюдается всплывание капель дисперсной фазы. Агрегативная устойчивость концентрированных эмульсий может быть обусловлена различными причинами в зависимости от природы эмульгатора. Поэтому этот вопрос целесообразно обсудить при рассмотрении типов эмульгаторов, применяемых для получения эмульсий.
К высококонцентрированным, или желатинированным, эмульсиям обычно относят системы жидкость—жидкость с содержанием дисперсной фазы выше чем 74 объемн.%< Отличительной особенностью таких эмульсий является взаимное деформирование капелек дисперсной фазы, в результате чего они приобретают форму многогранников (полиэдров), разделенных тонкими пленками — прослойками дисперсионной среды. Такая эмульсия при рассматривании в микроскоп, напоминает соты. Вследствие плотной упаковки капелек высококонцентрированные эмульсии не способны к седиментации и обладают механическими свойствами, сходными со свойствами гелей. Последняя особенность и привела к тому, что высококонцентрированные эмульсии иногда называют желатинированными.
Высококонцентрированные эмульсии в некоторых условиях можно приготовить с очень большим содержанием дисперсной фазы и соответственно с ничтожным содержанием дисперсионной среды. Например, эмульгируя бензол в 1%-ном растворе олеата натрия, удается получить эмульсию, содержащую выше 99 объемн.% дисперсной фазы. В таких предельно концентрированных эмульсиях раствор эмульгатора находится между частицами дисперсной фазы в виде тончайших пленок. По данным Л. Я. Кремнева, толщина таких пленок может достигать 100 А и даже меньше в зависимости от природы эмульгатора.
Естественно, что особые механические свойства высококонцентрированных эмульсий проявляются в тем большей степени, чем выше их концентрация. Так, подвижность эмульсий м/в с содер-жанием дисперсной фазы, немного превышающим 74 объемн.%, еще достаточно высока. Эмульсии же, содержащие 95% углеводорода, обладают уже свойствами, подобными свойствам геля, например их можно резать ножом.
Агрегативная устойчивость эмульсий и природа эмульгатора
Эмульсии, как и все коллоидные и микрогетерогенные системы, агрегатизно неустойчивы из-за избытка свободной энергии на межфазной поверхности. Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном образовании агрегатов капелек с последующим слиянием (коалесценцией) отдельных капелек друг с другом. В пределе это может приводить к полному разрушению эмульсии и разделению ее на два слоя, из которых один соответствует жидкости, образующей в эмульсии дисперсную фазу, а другой — жидкости, являющейся дисперсионной средой.
Агрегативную устойчивость эмульсий характеризуют либо скоростью расслаивания эмульсии, либо продолжительностью существования (временем жизни) отдельных капелек в контакте друг с другом или с межфазной поверхностью.
По первому методу находят объем дисперсной фазы (или дисперсионной среды), отслоившейся за определенное время с момента, приготовления эмульсии. Откладывая значения объема, выраженного в процентах от объема всей эмульсии, по оси ординат, а соответствующее время по оси абсцисс, можно, получить кинетическую кривую, характеризующую устойчивость эмульсии. Так как при разрушении эмульсии в цилиндрическом сосуде объем выделившейся фазы пропорционален высоте соответствующего слоя жидкости, то вместо объемов можно пользоваться высотой образовавшегося слоя той или иной фазы.
„ Если количество выделившейся фазы пропорционально времени, то устойчивость эмульсии можно также характеризовать временем ее существования т. Это время можно найти по уравнению:
,
где Н — высота столба эмульсии; и — скорость выделения фазы.
Время жизни капельки эмульсии определяют по времени существования капли у межфазной поверхности обеих жидкостей. Например, если хотят определить время жизни капли бензола в воде
в присутствии эмульгатора, то слой бензола наслаивают на слой воды и с помощью пипетки осторожно наносят каплю воды на межфазную поверхность со стороны бензола. Подобным же образом наносят каплю бензола на межфазную поверхность со стороны водного слоя с помощью пипетки с загнутым концом снизу. Если при получении эмульсии применяли водорастворимый стабилизатор, устойчивость капли бензола у межфазной границы в водном .растворе стабилизатора всегда выше устойчивости капли раствора стабилизатора В бензоле. На агрегативную устойчивость эмульсий сильнее всего влияют природа и содержание в системе эмульгатора. С термодинамиче-ской точки зрения эмульгатор, адсорбируясь на межфазной границе, понижает межфазное поверхностное натяжение и в отдельных случаях может приводить даже к образованию равновесных коллоидных систем (эмульсии, получаемые из эмульсолов). Другое объяснение заключается в том, что при наличии стабилизатора на границе раздела фаз между капельками возникают силы отталкивания (энергетический барьер). Повышение в известных пределах концентрации эмульгатора в системе способствует устойчивости эмульсии.
Стабилизующее
действие мыл и мылоподобных веществ
на эмульсии типа м/в в настоящее время
объясняется несколькими факторами устойчивости.
и т. д.
Для того чтобы происходила адсорбция органического иона, он должен хорошо адсорбироваться дисперсной фазой, т. е. иметь достаточно длинную углеводородную цепь. Поэтому эмульсии типа м/в могут быть стабилизованы только сравнительно высокомолекулярными мылами (щелочными солями лауриновой и более высокомолекулярных жирных кислот). Отсутствие эмульгирующей способности у щелочных солей жирных кислот, являющихся низшими членами гомологического ряда, объясняется, вероятно, также и тем, что при высоких концентрациях, необходимых для адсорбции таких мыл, начинает уже преобладать коагулирующее действие иона щелочного металла.
Второй фактор устойчивости концентрированных эмульсий типа м/в заключается в образовании на поверхности их капелек структурированных гелеобразных слоев эмульгатора, обладающих высокой структурной вязкостью и прочностью при одновременной гидратированности. Этот фактор, особенно подробно рассмотренный в работах П. А. Ребиндера и А. Б. Таубмана, приобретает еще большее значение для высококонцентрированных эмульсий.
А. Б. Таубманом показано, что устойчивые эмульсии могут образовываться также в результате возникновения на поверхности капелек основной эмульсии нескольких слоев микрокапелек, служащих структурно-механическим барьером. Такие микрокапельки возникают вследствие явлений турбулентности у поверхности капелек основной эмульсии, обладающей малым межфазным натяжением.
Устойчивость
эмульсий типа в/м, стабилизованных
мылами с поливалентным катионом,
ранее объяснялась главным
Третий фактор, который может обусловливать лишь устойчивость эмульсий второго рода, стабилизованных мылами с поливалентным катионом, сводится к адсорбции на поверхности капелек воды полярных концов достаточно длинных и гибких углеводородных'участков молекул мыла, растворенных во внешней неполярной фазе эмульсии и способных совершать микроброуновское движение. В этом случае устойчивость, очевидно, определяется тепловым движением и взаимным отталкиванием углеводородных радикалов, т. е. фактором, носящим энтропийный характер.
Наконец, иногда причина устойчивости обратных эмульсий может заключаться в стабилизации капелек полярной дисперсной фазы «броней» из крупинок, образовавшихся из нерастворимых солей щелочноземельных металлов или продуктов гидролиза, В этом случае механизм стабилизации полностью аналогичен механизму стабилизации эмульсий с помощью порошкообразных эмульгаторов, который рассмотрен ниже.
В последнее время для стабилизации прямых эмульсий широко применяют не-ионогенные эмульгаторы, дифильные молекулы которых состоят из углеводородного радикала и углеводородной цепи с расположенными по всей ее длине полярными, но не способными к ионизации группами, чаще всего гидроксильными. Устойчивость эмульсий типа м/в, стабилизованных неионогенными эмульгаторами, естественнее всего объяснить следующим образом. Дифильные молекулы эмульгатора ориентированы на межфазной границе так, что углеводородные участки направлены в дисперсную фазу, а полярные сильно гидратированные группы в воду, при этом они либо образуют достаточно толстый гидратный слой, обусловливающий расклинивающее давление, либо совершают микроброуновское движение (энтропииный фактор устойчивости).
Эмульгирующее действие как ионогенных, так и неионогенных поверхностно-активных веществ тем эффективнее, чем лучше сбалансированы полярные и неполярные части молекулы эмульгатора между обеими фазами эмульсии. Это значит, что дифильная молекула хорошего эмульгатора должна обладать сродством как к полярным, так и к неполярным средам. Только при этом условии молекулы эмульгатора не будут растворяться преимущественно в какой-нибудь одной из фаз и будут находиться на межфазной поверхности. Сбалансированность молекул эмульгатора в простейшем случае определяется, с одной стороны, длиной углеводородной цепи и с другой — сродством ионогенной или полярной группы к воде.
Именно хорошей сбалансированностью объясняется наилучшее стабилизующее действие мыл, содержащих в углеводородной цепочке от 12 до 18 атомов углерода. Сбалансированностью молекул эмульгатора объясняется и род эмульсий, которые получаются с применением этого эмульгатора. Так, эмульгаторы, в молекуле которых действие полярной части превалирует над действием неполярной и которые лучше растворяются в воде, образуют эмульсии первого рода. Наоборот, эмульгаторы, у которых действие неполярной группы молекулы преобладает над действием полярной группы и которые лучше растворяются в углеводородах, способствуют образованию эмульсии второго рода.
Эмульгирующее действие высокомолекулярных веществ, таких, как желатин, казеин, полиметакриловая кислота, метилцеллюлоза, поливиниловый спирт, а также их действие как защитных коллоидов, вероятно, можно объяснить энтропийным фактором. Впрочем, можно также допустить, что прямые эмульсии, стабилизованные защитными коллоидами, молекулы которых содержат ионогенные группы, устойчивы благодаря образованию на поверхности капелек двойного электрического слоя в результате ионизации этих групп. В заключение рассмотрим так называемые твердые эмульгаторы и причины их эмульгирующего действия. Твердыми эмульгаторами могут служить достаточно высокодиспёрсные порошки, способные смачиваться как полярной, так и неполярной жидкостями, образующими эмульсию. К таким порошкам относятся глины, гипс, гидрат окиси железа, сажа.
При встряхивании полярной жидкости с неполярной в присутствии твердого эмульгатора его крупинки прилипают к межфазной поверхности, причем большая часть поверхности частиц эмульгатора находится в той жидкости, которая их лучше смачивает. Таким образом, на капельках образуется как бы «броня», предотвращающая их коалесценцию. Понятно, что если твердый эмульгатор лучше смачивается водой (например, каолин), такая броня возникает со стороны водной фазы; при этом образуется эмульсия типа м/в. Если же твердый эмульгатор, лучше смачивается неполярным углеводородом (например, сажа), то образуется эмульсия типа в/м.
Понятно, что наличие на поверхности капелек одного только слоя твердого эмульгатора еще недостаточно для агрепативной устойчивости системы. Капельки такой эмульсии при столкновении должны были бы слипаться, поскольку всегда существует межфазное натяжение на границе твердый эмульгатор — дисперсионная среда. Очевидно, устойчивость эмульсии в этом случае определяется возникновением на частицах твердого эмульгатора либо двойного электрического слоя, либо достаточно толстой сольватной оболочки.
Рассмотренные выше классические представления о роли «бронирования» в устойчивости эмульсий, стабилизованных твердыми эмульгаторами, значительно расширены А. Б. Таубманом. В его работах показано, что в реальных условиях высокая устойчивость эмульсий, стабилизованных твердыми эмульгаторами, определяется обычно совместным действием твердого высокодисперсного эмульгатора и поверхностно-активного компонента и это стабилизующее действие обусловлено образованием весьма прочной стабилизирующей оболочки. В этих случаях структурно-механический барьер непосредственно измерен и сопоставлен с устойчивостью.
Стабилизация
эмульсии твердым эмульгатором возможна
только при условии, что размер частиц
порошка меньше размера капелек
эмульсии. В то же время слишком
мелкие частицы порошка, способные
совершать интенсивное броуновское движение,
не прилипают к поверхности капелек и
не образуют защитного слоя.
3.
Методы получения и
разрушения эмульсий
Эмульсии получают механическим диспергированием дисдерсной фазы в дисперсионной среде в присутствии соответствующего эмульгатора. Для диспергирования эмульгируемые жидкости сильно перемешивают,
В
последнее время для эмульгирования
начинают применять ультразвук.
Иногда полученные грубые
эмульсии подвергают дополнительной
гомогенизации в специальных
гомогенизаторах.наиболее часто в качестве
гомогенизаторов применяют устройства,
в которых дополнительное диспергирование
капелек грубой эмульсии достигается
продавливанием ее через малые отверстия
под высоким давлением.
При обработке в таких
гомогенизаторах
диаметр жировых капелек понижается
с 3 до 0,2 мкм.
Процесс эмульгирования состоит из собственно диспергирования, т. е. образования капелек дисперсной фазы в дисперсионной среде и их стабилизации в результате адсорбции на поверхности эмульгатора. Процесс гомогенизации всегда заключается в образовании из дисперсной фазы тонких цилиндриков, которые весьма неустойчивы и легко распадаются на ряд капелек. Как известно из молекулярной физики, цилиндрик жидкости начинает распадаться на капельки, когда его длина становится больше окружности его сечения.
Следует учесть, что при эмульгировании наряду с диспергированием всегда в той или иной степени происходит коалесценция возникших капелек, так как эмульгатор не успевает полностью адсорбироваться на поверхности капелек и они еще не обладают той устойчивостью, которая соответствует устойчивости капелек в готовой эмульсии. П. А. Ребиндер показал, что при эмульгировании всегда образуется два типа эмульсии — м/в и в/м и только вследствие большей устойчивости «выживает» та эмульсия, которая соответствует природе примененного эмульгатора.
Влияние эмульгатора на образование эмульсии того или иного рода становится более сложным, когда эмульгатор способен давать как эмульсию м/в, так и в/м. В этом случае на род образующейся эмульсии может влиять природа стенок сосуда и мешалки, равно как и другие предметы, с которыми соприкасается эмульсия. Например, если стенки сосуда смачиваются только какой-нибудь одной жидкостью, то соприкосновение эмульсии с этой стенкой может приводить к обращению типа эмульсии, причем жидкость, смачивающая стенки сосуда, становится дисперсионной средой.
На результат эмульгирования влияет не только природа примененного эмульгатора и вид механического воздействия, но и ряд других условий — температура, количественное соотношение фаз и т. д. При всех прочих равных условиях более низкоконцентрированная эмульсия получается более устойчивой, так как вероятность столкновения двух ее частиц меньше.
Таким образом, эмульгирование представляет собой весьма сложный процесс и для приготовления стойких высокодисперсных эмульсий от технолога требуется много знаний и опыта.
Помимо
механического диспергирования
эмульсии могут быть получены путем
самопроизвольного
Самопроизвольное эмульгирование играет существенную роль в процессах, связанных с перевариванием и усвоением пищи организмом. При попадании, например, в кишечник жира сначала происходит самодиспергирование жира под влиянием поверхностно-активных веществ (холевых кислот), содержащихся в желчи, а затем полученная таким образом высокодисперсная эмульсия всасывается через стенку кишечника в организм.
Часто перед технологом стоит задача не получить эмульсию, а наоборот, предупредить ее возникновение или разрушить (деэмульгировать) уже образовавшуюся систему. Эмульсии типа м/в, полученные с применением ионогенных эмульгаторов, обычно разрушают с помощью коагуляции электролитами с поливалентными ионами. Так как такие электролиты, взаимодействуя с ионогенной группой эмульгатора, обычно дают соединения, нерастворимые в воде, то введение их в систему равнозначно переводу эмульгатора в неактивную форму. Иногда для деэмульгирования эмульсий, полученных с применением ионогенных эмульгаторов, вводят в систему эмульгатор, способствующий образованию эмульсии обратного типа и таким образом как бы нейтрализующий действие первоначального эмульгатора. Следует заметить, что такой эмульгатор практически всегда образуется при введении электролитов с поливалентным катионом в эмульсии типа м/в, стабилизованные щелочными мылами, так как образующиеся при этом мыла с поливалентными катионами способствуют образованию эмульсий типа в/м.

- Практическое изготовление спортивного инвентаря
- Практическое использование достижений иммунологии
- Практическое использование космоса
- Практическое освоение CSS
- Практическое применение гиперссылки, ее программный синтаксис и возможности
- Практическое применение производной
- Практическое применение психодиагностических методик и тестов. (М. Люнзер, Айзенк, Роршах и др.)
- Практический опыт преодоления финансового кризиса ООО ТК «Русский уголь»
- Практический путь развития души в учении киников
- Практическое задание №1 по предмету «Статистика»
- Практическое значение выделения центров ответственности в целях контроля за затратами
- Практическое значение географии. Геоэкология
- Практическое значение теории эластичности
- Практическое значение электролиза