Получение дисперсных систем

Методы

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ• тонко измельчают

(диспергируют) твердые и жидкие вещества в соответствующей дисперсионной среде

• в основе – ДРОБЛЕНИЕ грубодисперсных систем

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ• вызывают образование

частиц дисперсной фазы из отдельных молекул или ионов

• в основе - АССОЦИАЦИЯ молекул или ионов истинных растворов

Диспергационные методымеханическое измельчение

Шаровые мельницы– полые вращающиеся

цилиндры, в которые загружают измельчаемый материал и стальные или керамические шары

– Процесс - дробление

– Размер частиц от 2 – 3 до 50 – 70 мкм

Диспергационные методымеханическое измельчение

Коллоидные мельницы– принцип действия

которых основан на развитии разрывающих усилий в суспензии или эмульсии под действием центробежной силы в узком зазоре между вращающимся с большой скоростью ротором и неподвижной частью устройства – статором

• Процессы - • трение• удар

Диспергационные методы ультразвуковое измельчение

Основано– на возникновении в жидкости или твердом теле

локальных сжатий или растяжений при прохождении волны высокой энергии,

– а также вследствие образования и «схлопывания» полостей, заполняемых растворенными в жидкости газами (эффект кавитации)

– за короткие промежутки времени возникают огромные локальные изменения давления!

Диспергационные методы электрическое измельчение

– метод Бредига– основан на образовании вольтовой дуги между

электродами из диспергируемого металла, помещенными в воду

– металл распыляется в дуге

Примеры дисперсных систем, получаемых диспергационным методом

МЕХАНИЧЕСКИЙ• стройматериалы (цемент,

бетонную крошку, сухие краски, шпатлевки и иные строительные смеси в виде сухих порошков и суспензий)

• лекарственные средства (порошки, мази, пасты, эмульсии)

• пищевые продукты (пряности, молотый кофе).

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ• коллоидные растворы

серы, гипса, графита, лекарственных веществ, полимеров

Конденсационные методы

• получение дисперсных систем из гомогенных пересыщенных сред

– пересыщение - создание концентраций, превышающих равновесные

Способы создания пересыщенных сред

ФИЗИЧЕСКИЕ• основаны на конденсации

пересыщенного пара– аэрозоли

ХИМИЧЕСКИЕ• любая химическая реакция,

идущая с образованием новой фазы, может быть источником получения коллоидной системы

• восстановление (металлов)– пример: 2НАuСl4 + ЗН2О2 —> 2Аu + 8НСl + ЗО2

• гидролиз– пример: FeCI3 + 3H2O —> Fe(OH)3 + 3HCl

• реакция обмена– пример:AgNO3 + KI = AgI + KNO3

Химическая конденсация

• восстановление (металлов)2НАuСl4 + ЗН2О2 —> 2Аu + 8НСl + ЗО2

• гидролизFeCI3 + 3H2O —> Fe(OH)3 + 3HCl

• реакция обменаAgNO3 + KI = AgI + KNO3

Устойчивость дисперсных систем

Классификация дисперсных системпо характеру взаимодействия

между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой

ЛИОФИЛЬНЫЕ• сильное взаимодействие• термодинамически

устойчивы к слипанию (агрегации) частиц

• образуются самопроизвольно

• примеры: – растворы ПАВ– растворы некоторых ВМС

(яичного белка, крахмала или желатина)

ЛИОФОБНЫЕ• слабое взаимодействие• термодинамически неустойчивы• могут быть получены путем

принудительного диспергирования или конденсации

– необходимо присутствие стабилизатора (электролиты, ПАВ, белковые соединения), который адсорбируется на межфазной поверхности и понижает общую энергию системы, а также образует оболочки, физически препятствующие агрегации частиц

• примеры: водные суспензии и золи твердых частиц, эмульсии слабо взаимодействующих жидкостей

Термодинамический фактор стабильности лиофильных систем

• ΔG = ΔH – TΔS; ΔG < 0• ΔH = затраты энергии на разрыв

межмолекулярных связей + выигрыш энергии в результате сольватации образовавшейся поверхности

• ΔS > 0• самопроизвольное диспергирование становится возможным, если

возрастание свободной энергии, связанное с увеличением поверхности при диспергировании, компенсируется энергией сольватации поверхности и повышением энтропии системы за счет включения частиц в тепловое движение

Устойчивость лиофобных дисперсных систем -

• их способность препятствовать протеканию процессов, ведущих к изменению

– дисперсности

– характера распределения частиц по размерам

– характера распределения частиц в объеме дисперсионной среды

1. Термодинамическая (агрегативная) устойчивость

КОАЛЕСЦЕНЦИЯукрупнение дисперсных

(жидких или газообразных) частиц, приводящее к увеличению их размера (при условии σ = const)

КОАГУЛЯЦИЯобразование агрегатов из многих

дисперсных (твердых) частиц, разделенных тонкими прослойками дисперсионной среды (при условии постоянства дисперсности)

Факторы агрегативной устойчивости

• Ионно-электростатический фактор обусловлен наличием на частицах диффузного ДЭС

Факторы агрегативной устойчивости

• Адсорбционно-сольватный фактор проявляет себя при наличии на поверхности частиц достаточно развитых толстых сольватных слоев молекул дисперсионной среды

• Структурно-механический фактор возникает при адсорбции на поверхности частиц таких молекул, которые способны к образованию структурированного адсорбционного слоя

Мицелла

Коагуляция электролитами

• коагулирующим действием ион электролита, заряд которого противоположен заряду гранулы

• минимальная концентрация электролита для начала процесса - порог коагуляции

• коагулирующее действие иона тем сильнее, чем больше его заряд

правило Шульце – Гарди: с увеличением заряда иона на единицу его коагулирующая способность возрастает в 10 и более раз

2. Седиментационная устойчивость

ОСЕДАНИЕ частиц ДФ

плотность дисперсной фазы выше плотности дисперсионной среды

ВСПЛЫВАНИЕ частиц ДФ

плотность дисперсной фазы ниже плотности дисперсионной среды

Теория устойчивости гидрофобных золей

• Теория ДЛФО

– Дерягин– Ландау– Фервей– Овербек

Расклинивающее давление (Дерягин)

Молекулярная составляющая расклинивающего давления

• обусловлена межмолекулярными силами притяжения фаз

• обычно отрицательна

• способствует сближению частиц и нарушению агрегативной устойчивости дисперсных систем

• убывает с расстоянием по степенному закону

Ионно-электростатическая составляющая расклинивающего давления

• обусловлена взаимным отталкиванием при перекрывании диффузных слоев ДЭС

• препятствует утончению межфазной пленки

• способствует сохранению агрегативной устойчивости

• убывает с расстоянием по экспоненциальному закону

Энергетическая диаграмма

Зависимости• (1) - энергии

электростатического отталкивания Ue

• (2) - энергии молекулярного притяжения Um

• (3) - суммарной энергии взаимодействия частиц U от расстояния х

закон шестой степени Дерягина