Дисперсные системы

1.

Коллоидная химия
ЛЕКЦИЯ 16
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Доц. Шубенкова Екатерина Гаррьевна
2024

2.

Дисперсные системы: типы, свойства,
получение, стабилизация, применение

3.

Эмульсии
- Дисперсная система, состоящая из микроскопических
капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в
другой жидкости (дисперсной среде).
Эмульсии могут быть образованы двумя любыми
несмешивающимися жидкостями при определенных
условиях.

4.

Типы
Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»)
Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»)

5.

6.

Свойства
Нестабильность
Размер частиц
Реология

7.

Получение
Механическое воздействие
Ультразвук
Использование эмульгаторов

8.

Эмульгаторы
Действие эмульгаторов основано на способности поверхностноактивных веществ (ПАВ) снижать энергию, необходимую для создания
свободной поверхности раздела фаз.
Концентрируясь на поверхности раздела смешивающихся фаз, ПАВ
снижают межфазное поверхностное натяжение и обеспечивают
длительную стабильность композиции.
В зависимости от природы ПАВ они ускоряют образование и
стабилизируют тип эмульсии в той дисперсионной среде, где они
лучше растворимы.

9.

Яичный желток как эмульгатор
Лецитин - это фосфолипид с водолюбивой
«головой» и длинным, не боящимся воды
«хвостом». Хвост утопает в каплях жира, а
голова высовывается из поверхности капель
в окружающую воду.

10.

Разрушение эмульсий
Химическое разрушение защитных плёнок эмульгатора соответствующим реагентом
Прибавление эмульгатора
Адсорбционное замещение эмульгатора более поверхностно-активным веществом
Термическое разрушение
Механическое воздействие
Действие электрического тока или электролитов

11.

Итог
Эмульсии широко используют в различных отраслях промышленности:
Пищевая промышленность (сливочное масло, маргарин, майонез, ликёры);
Мыловарение;
Переработка натурального каучука;
Строительная промышленность (битумные материалы, пропиточные композиции);
Автомобильная промышленность (получение смазочно-охлаждающих жидкостей);
Металлообработка (смазочно-охлаждающие жидкости);
Сельское хозяйство (пестицидные препараты);
Медицина (производство лекарственных и косметических средств);
Живопись.

12.

Суспензии

13.

Общие понятие суспензии
01
02
Суспензии
Отличие от лиозолей
Это дисперсные системы, в которых
дисперсной фазой являются частицы
твердого вещества размером, более
10-5 см., дисперсной средой –
жидкость.
Суспензии от лиозолей (коллоидных
растворов) отличаются только
размерами частиц дисперсной фазы.
Размеры твердых частиц в
суспензиях (более 10-5 см.) могут
быть на несколько порядков больше,
чем в лиозолях (10-7-10-5 см).

14.

Классификация
01.
02.
По природе
дисперсионной среды
По размерам частиц
дисперсной фазы
органосуспензии
(дисперсионная среда органическая жидкость) и
водные суспензии.
грубые суспензии (d> 10-2 см),
тонкие суспензии (-5*10-5<d <10-2 см),
мути (1*10-5<d <5*10-5 см)
03.
По концентрации частиц
дисперсной фазы
разбавленные суспензии (взвеси)
и концентрированные суспензии
(пасты)

15.

Методы получения
Суспензии можно получить двумя группами методов: со стороны грубодисперсных систем –
диспергационными методами, со стороны истинных растворов - конденсационными методами.
Конденсационные методы
Взбалтывание порошка в жидкости
1
2
Наиболее простым и широко распространенным
методом получения разбавленных суспензий
является взбалтывание соответствующего
порошка в подходящей жидкости с
использованием различных перемешивающих
устройств (мешалок, миксеров и т. д.).
Методы, использующиеся
для получения золей
Все методы, которые используются для получения
золей, можно применять и для получения
суспензий. При этом необходимо, чтобы степень
измельчания диспергациониыми методами была
меньше, чем при получении лиозолей.
3
Конденсацию необходимо проводить так, чтобы
образовывались частицы, имеющие размеры
10-5 – 10-2 см. Размер образующихся частиц зависит от
соотношения скоростей образования зародышей
кристаллов и их роста. При небольших степенях
пресыщения обычно образуются крупные частицы,
при больших - мелкие.
Коагуляция лиозолей
4
Способы осуществления коагуляции — это
одновременно и методы получения суспензий.
Отсутствие структуры в разбавленных суспензиях и
наличие ее в концентрированных обусловливает
резкое различие в свойствах этих систем.

16.

Свойства суспензий
Оптические свойства
разбавленных суспензий
Длины волн видимой части спектра
лежат в пределах от 4*10-5 см
(фиолетовый свет) до 7*10-5 см
(красный свет).
Световая волна, проходя через
суспензию, может поглощаться (тогда
суспензия окрашена), отражаться от
поверхности частиц дисперсной фазы
(тогда суспензия мутная)
Только в высокодисперсных суспензиях мутях (5*10-5) может наблюдаться
светорассеяние, отклоняющееся от
закона Рэлея.
Электрокинетические
свойства суспензий
Молекулярно-кинетические
свойства суспензий
Электрокинетические свойства
суспензий подобны аналогичным
свойствам гидрозолей и обусловлены
образованием на поверхности частиц
ДЭС и возникновение потенциала.
Молекулярно-кинетические
свойства суспензий отличаются в
зависимости от размеров частиц
суспензий. Для частиц 10-4 – 10-5 см
наблюдается седиментационнодиффузионное равновесие.
В суспензиях проявляются все 4 вида
электрокинетических явлений.
Наиболее широкое применение нашел
электрофоретический метод
нанесения покрытий на разные
поверхности.
Для частиц 10-4 – 10-2 броуновское
движение практически отсутствует и
для них характерна быстрая
седиментация, т.е. для них применим
седиментационный анализ.

17.

Седиментационная устойчивость суспензии
Седиментационная устойчивость суспензии — это способность её сохранять
неизменным во времени распределение частиц по объему системы, т.е. способность системы
противостоять действию силы тяжести.
Изучение седиментации суспензий связано с получением кривых
седиментации m=f(t).
Кривые накопления могут быть двух видов: с перегибом или без
перегиба. Вид кривых зависит от того, является ли
суспензия агрегативно устойчивой или нет.
Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, то на
кривых седиментации появляется точка перегиба. Если же
суспензия агрегативно устойчива (нет коагуляций), то на кривой
седиментации перегиб отсутствует.

18.

Седиментационная устойчивость суспензии
В агрегативно устойчивых суспензиях
оседание частиц происходит медленно и
формируется очень плотный осадок.
Объясняется это тем, что поверхностные слои
препятствуют агрегированию частиц; скользя друг
по другу, частицы могут перейти в
положение с минимальной потенциальной
энергией.
В агрегативно неустойчивых суспензиях оседание частиц
происходит значительно быстрее вследствие образования
агрегатов.
Однако выделяющийся осадок занимает гораздо больший
объем, так как частицы сохраняют, то случайное взаимное
расположение, в котором они оказались при первом же
контакте, силы сцепления между ними соизмеримы с их
силой тяжести или больше ее. Наблюдается анизометрия (т.е.
преобладание одного из размеров частицы над двумя
другими) образующихся агрегатов или флокул.
Различие седиментационных объемов
агрегативно устойчивых и неустойчивых систем
наиболее четко проявляется, если частицы
имеют средние размеры. Если частицы крупные, то
осадок получается более плотным. Если же
частицы очень мелкие, то и в агрегативно
устойчивой системе образуется чрезвычайно
подвижный осадок.

19.

Для достижения агрегативной устойчивости суспензии
необходимо выполнение по крайней мере одного из двух
условий:
Агрегативная устойчивость
суспензии
Агрегативная устойчивость суспензии — это
способность сохранять неизменной во
времени степень дисперсности, т. е. размеры
частиц и их индивидуальность.
При нарушении агрегативной устойчивости
суспензии происходит коагуляция - слипание
частиц дисперсной фазы.
01.
02.
Хорошая смачиваемость
Использование стабилизатора
Если частицы суспензии хорошо смачиваются
дисперсионной средой, то на их поверхности
образуется сольватная оболочка, обладающая
упругими свойствами и препятствующая
соединению частиц в крупные агрегаты.
Если частицы суспензии не смачиваются
или плохо смачиваются дисперсионной
средой, то используют стабилизатор.
Стабилизатор — это вещество, добавление которого в
дисперсную систему повышает ее агрегативную устойчивость, т.е.
препятствует слипанию частиц.
В качестве стабилизаторов суспензий применяют:
• низкомолекулярные электролиты;
• коллоидные ПАВ;
• ВМС.

20.

Методы разрушения суспензий
Термические методы
разрушения
1) Замораживание с
последующим оттаиванием;
2) Высушивание (т.е.
концентрирование).
Химические методы
разрушения
Сенсибилизация.
Для этого обычно используются
флокулянты – линейные полимеры с
длиной цепочки до 1 мк, несущие
полярные группы на обоих концах
цепи. Длинная молекула полимера
присоединяется двумя концами к
двум разным частицам дисперсной
фазы, скрепляя их углеводородным
мостиком. Образуются флокулы —
рыхлый хлопьевидный осадок.
Электрические
методы разрушения
В разрушаемой суспензии создается
разность потенциалов, приводящая к
направленному движению
заряженных частиц и осаждению их
на соответствующем электроде. Эти
методы требуют больших
энергетических затрат и
специального оборудования и
обычно не используются для
разрушения больших объёмов
суспензий

21.

Определение свойств суспензий
Свойства суспензии в значительной степени определяются размерами частиц дисперсной фазы.
Дисперсионный анализ – это совокупность методов измерения размеров частиц. При дисперсионном анализе
определяют также дисперсность D и удельную поверхность Sуд.
Методы дисперсионного анализа можно разделить на три группы:
Методы измерения параметров отдельных
частиц (размеров, массы и т. д.) с
последующей статистической обработкой
результатов большого числа измерений
Методы, основанные на механическом
разделении дисперсной системы на
несколько классов по крупности частиц
Методы, основанные на
изучении свойств ансамбля
частиц

22.

Методы измерения параметров отдельных частиц
(размеров, массы и т. д.)
Методы, в которых линейные размеры частиц
измеряют с помощью оптического микроскопа,
который обеспечивает предел измерений от 1
мкм до нескольких миллиметров, и
электронного микроскопа, позволяющего
измерять размеры частиц от 1 нм до нескольких
микрон
Методы, в которых измеряют изменения
светового потока при пропускании суспензии
через тонкий канал, вызванные попаданием в
этот канал частиц дисперсной фазы. Позволяют
измерять размеры частиц от 5 до 500 мкм
Методы, основанные на измерении
электрического сопротивления при пропускании
суспензии порошка через тонкий канал с
помощью счётчиков Культера, позволяющие
измерять размеры частиц от 0,1 до 100 мкм
Методы, в которых измеряют интенсивность
света, рассеянного единичной частицей, с
помощью ультрамикроскопа или поточного
ультрамикроскопа Дерягина-Власенко (размеры
частиц от 2 до 500 нм).

23.

Методы, основанные на механическом
разделении дисперсной системы на
несколько классов по крупности частиц
Ситовый анализ
(размеры частиц от 0,05
до 10 мм)
Разделение частиц в потоке газа
или жидкости (размеры частиц
от 0,1 до нескольких
миллиметров).

24.

Методы, основанные на изучении свойств ансамбля
частиц
Методы седиментационного анализа,
основанные на регистрации кинетики
накопления осадка
Методы рассеяния света малыми частицами
(нефелометрия и турбодиметрия), методы
неупругого рассеяния, а также рассеяния
рентгеновских лучей, нейтронов
В ряде случаев дисперсность порошков
измеряют по скорости растворения,
теплофизическим, магнитным и другим
характеристикам системы, связанным с
размером частиц дисперсной фазы или
межфазной поверхности.
Методы, основанные на исследовании
газопроницаемости слоя анализируемого
вещества при фильтровании через него воздуха
при атмосферном давлении или в вакууме. Эти
методы позволяют определять удельную
поверхность
Адсорбционные методы, используемые для
определения удельной поверхности частиц.
Измеряют количество адсорбированного
вещества в мономолекулярном слое. Наиболее
распространён метод низкотемпературной
газовой адсорбции с использованием азота в
качестве адсорбата.

25.

Применение суспензий
Строительная
промышленность
Цементные и известковые растворы,
эмалевые краски, алебастр (паста
строительного гипса)
Фармацевтическая
промышленность
Микстуры, линименты
(жидкие мази)
Пищевая
промышленность
Томатная паста, столовая
горчица, глазурь

26.

Пены: типы, свойства,
получение, стабилизация,
применение.

27.

ВВЕДЕНИЕ
«Мыльный пузырь не исчерпал
себя и по сей день.»
П.А. Ребиндер

28.

ПОНЯТИЕ ПЕНЫ
Пены представляют собой дисперсную систему типа газ-жидкость,
которой дисперсной фазой является газ (воздух), а дисперсной
средой - жидкость.
В зависимости от формы ячеек пены разделяют:
Сферическая пена
Полиэдрическая пена
«Ячеистая» пена

29.

СВОЙСТВА ПЕНЫ
Один из основных параметров пены-кратность (β):
β = Vп / Vж = (Vг +
Vж) / Vж
ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Пенообразующая способность;
Стабильность;
Дисперсность;
Предельное натяжение сдвига;
Электрическая проводимость;
Оптические свойства

30.

ТИПЫ ПЕН
ХИМИЧЕСКАЯ
смесь щелочи и
ПЕНА
кислоты+вода+стабил
изатор
ТВЕРДАЯ
ПЕНА
ВОЗДУШНО-МЕХАНИЧЕСКА
вода+пенообразовате
ль

31.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Диспергационные способы:
1. Прохождение струи газа через жидкость в:
– аэрационных установках;
– барботажных установках;
– аппаратах с «пенным слоем»;
– парогенераторах с сеткой;
– жидкостях, орошаемых раствором пенообразователя;
2. Движение движущихся устройств на дисперсную систему или
движущейся жидкости на преграду.
3. Эжектирование (выбрасывание) воздуха движущейся струей
жидкости в парогенераторах.
Конденсационные
методы:
1. Изменение параметров
физического состояния
дисперсной системы;
2. Проведение химических
реакций, при которых
происходит выделение газа;
3. Использование
микробиологических
процессов, протекание
которых сопровождается
выделением газов, чаще всего
– углекислого;

32.

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЕН
1. Вещества, увеличивающие вязкость раствора- загустители
(глицерин, этиленгликоль, метилцеллюлоза);
2. Вещества, вызывающие образование в пленках жидкости
коллоидных частиц- желатин, клей, агар-агар, крахмал);
3. Вещества, полимеризующиеся в объеме пеныкарбамидные или латексные смолы;
4. Вещества, образующие с пенообразователем
нерастворимые в воде высокодисперсные осадки- соли
железа, меди, бария;
5. Вещества, участвующие в образовании адсорбционных
слоев на поверхности «жидкость-газ»- тетрадециловый

33.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕН

34.

Аэрозоли

35.

Содержание
Классификация аэрозолей
2. Получение аэрозолей
3. Молекулярно-кинетические свойства
аэрозолей
4. Электрические свойства аэрозолей
5. Области применения аэрозолей
6. Список используемых ресурсов
1.

36.

Классификация аэрозолей
Аэрозолями называются двухфазные
системы, состоящие из газообразной или
воздушной дисперсионной среды и
взвешенных в ней весьма мелких твердых
либо жидких частиц, называемых
дисперсной фазой.
Естественные аэрозоли
Искусственные аэрозоли

37.

Промышленные аэрозоли
образуются в производственных процессах
и являются нежелательными отходами
производственной деятельности
оказывают неблагоприятное влияние на
окружающую среду и здоровье населения
размеры твердых или жидких частиц,
взвешенных в дисперсионной среде: 10^-7
до 10^-1 см
наиболее опасны для человека частицы
менее 5 мкм, которые вместе с воздухом
проникают в легкие человека, заболевания,
как асбестоз и силикоз
более крупные частицы (более 5–7 мкм)
легко удаляются из организма человека с
носовой слизью при дыхании, либо чихании.

38.

Промышленн
ые аэрозоли
Дисперсионные аэрозоли
образуются при измельчении
твердых и жидких веществ
(пыль)
грубее, чем конденсационные
обладают большей
полидисперсностью, имеют
неправильную формe
Конденсационны
образуются
при конденсации
е аэрозоли
насыщенных паров, а также в
результате газовых реакций
(туман, дым)
имеют правильную
шарообразную форму

39.

Классификация систем

40.

Получение
аэрозолей
Диспергационные методы
Измельчение (распыление)
твердых и жидких тел в
газовой среде
Переход порошкообразных
веществ во взвешенных
состояниях при действии
воздушных потоков.
Конденсационн
Образование
в гомогенной
ые методы
системе новой фазы.
Обязательное условие:
наличие перенасыщенного
пара, конденсация которого и
приводит к образованию
частиц дисперсной фазы.

41.

Диспергационные методы
1.
2.
3.
4.
Распыление в электрическом поле – устойчивые аэрозоли получают
распылением вещества, например, из пульверизатора, соединенного
с одним из полюсов источника электрического напряжения.
Распыление раствора сжатым воздухом – один из самых старых
способов. Для его осуществления используются пульверизаторы
различных конструкций.
Разбрызгивание с помощью ультразвука – метод, который позволяет
получать аэрозоли с высокой концентрацией дисперсной фазы.
Разбрызгивание жидкостей ультрацентрифугой – таким способом
можно получать аэрозоли различных водных растворов в
значительных объемах.

42.

Газовая дисперсионная среда определяет такие черты
аэрозолей, как принципиальная лиофобность и отсутствие
эффективных путей стабилизации. Это связано с низкой
вязкостью и малой электрической проводимостью воздуха.
Малая вязкость приводит к тому, что частицы быстро оседают,
и аэрозольная система разрушается при значительно меньших
размерах частиц и их агрегатов, чем лиозоли. В результате
концентрация и дисперсность исходно
высококонцентрированных аэрозолей быстро падают.

43.

Молекулярно-кинетические
свойства аэрозолей
1.
Малая концентрация частиц дисперсной фазы.
2. Большой пробег молекул газа по сравнению с размером частиц.
3. Малая вязкость частиц дисперсионной среды.
4. Малая плотность дисперсионной среды.
5. Размер частиц от 1 нм до долей мм.
6. Форма частиц аэрозолей зависит от способа получения и материала.
7. Структура аэрозолей (частицы аэрозоля могут существовать сами по себе или
объединяться в цепочки, которые называют агломератами или флокулами)

44.

Электрические свойства
аэрозолей
1.
2.
3.
Диспергационные аэрозоли: частицы имеют высокие электрические
заряды.
Конденсационные аэрозоли: при невысокой температуре образования
частицы не имеют заряда, но могут его приобрести, захватывая легкие
ионы.
Электризация аэрозолей придает им дополнительную устойчивость за счет
предотвращения коагуляции из-за взаимного отталкивания заряженных
частиц.

45.

Области применения аэрозолей
Бытовая химия
Косметика, парфюм
Охлаждение и
увлажнение помещений
Лакокрасочные изделия
Защита культур от
вредителей
Антикоррозионные
составы
Защита животных от
болезней
Пищевая продукция,
медикаменты

46.

Порошки и пасты

47.

Порошки свободнодисперсные системы с
газообразной дисперсионной
средой и твердой дисперсной
фазой. к порошкам относят
большинство сыпучих
материалов, однако в узком
смысле термин "порошки"
применяют к высокодисперсным
системам с размером частиц от 1
до 100 мкм.

48.

Свойства порошков
• Способность к течению
• Способность к распылению
• Флуидизация (переход в состояние
подобное жидкому)
• Гранулирование (формирование твердых
частиц определенной формы и размеров)

49.

Получение
Диспергационные методы
Производится дробление на вальцовых,
шаровых,
вибрационных
или
коллоидных
мельницах с последующим разделением на
фракции,
в
результате
получаются
полидисперсные порошки. Иногда проводят
предварительную
обработку
материала.
Например, титан нагревают в атмосфере
водорода,
переводя
в
гидриды,
после
измельчения получаются чистые металлические
порошки.
Конденсационные методы
Первая группа методов связана с
осаждением частиц вследствие коагуляции
лиофобных золей. В результате упаривания
раствора образуется суспензия, а после ее
фильтрации и сушки получаются порошки.
Вторая группа методов связана с
проведением
химических
реакций
(химическая конденсация).

50.

Стабилизация
Для стабилизации порошков в порошкообразные продукты вводят твердые высокодисперсные
нерастворимые в воде добавки.
Для предотвращения слеживания гигроскопических порошков применяют гидрофобизацию
поверхности частиц с помощью ПАВ.

51.

Применение порошков
Краски
Строительство
Товары для дома
Медицина

52.

Пасты это грубодисперсные системы с
твёрдой дисперсной фазой и жидкой
дисперсионной средой.
Это структурированные суспензии,
наличие структуры
(пространственной сетки,
образованной сцеплением между
собой частиц, в петлях которой
находится дисперсионная среда)
обусловливает их резко отличные от
взвесей свойства.
Являются седиментационно и
агрегативно неустойчивыми
системами.

53.

Свойства паст
Имеют много общего с лиофобными золями
• На поверхности частиц существует ДЭС
• Наблюдаются электрокинетические явления
• Броуновское движение
Отличительные
свойства:
• Седиментационно неустойчивы
• Частицы не способны к диффузии
• Практически не наблюдается осмос
и опалесценция
• Частый оптический эффект –
мутность
• Агрегативная устойчивость

54.

Получение
Пасты
могут
быть
получены
диспергационными
методами.
Например,
путем
дробления
твердых
тел,
растирания порошков в жидкой
среде.
Для
предотвращения
слипания частиц
ДФ в пасты
добавляют ПАВ.

55.

Стабилизация
Агрегативная устойчивость лучше всего может
быть обеспечена введением в систему
поверхностно-активных веществ.
На поверхности частиц возникает структурномеханический барьер, полностью
предотвращающий коагуляцию.
Иногда введение ПАВ может приводить
к уменьшению устойчивости системы.
Это
характерно
для
некоторых
высокомолекулярных
ПАВ
флокулянтов,
используемых
для
увеличения
скорости
осаждения
суспензий и золей различной природы.

56.

Применение

57.

Спасибо за внимание!