Kolloidkémia9. Előadás
Aeroszolok, habok és emulziók
1Szőri Milán: Kolloidkémia
Kolloid rendszerek(szerkezet alapján)
2Szőri Milán: Kolloidkémia
Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban
Diszperziók típusai
Diszpergáltfázis
Diszperziós közeg
Név Példák
folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray
szilárd gáz szilárd aeroszol füst
gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab
folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém
szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta
gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab
folyadék szilárd szilárd emulzió opál
szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek
3Szőri Milán: Kolloidkémia
Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban
Diszperziók típusai
Diszpergáltfázis
Diszperziós közeg
Név Példák
folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray
szilárd gáz szilárd aeroszol füst
gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab
folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém
szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta
gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab
folyadék szilárd szilárd emulzió opál
szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek
4Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek
• Köd: Légnemű közegben folyadékcseppek
• Füst: Légnemű közegben szilárd részecskék
Szilárd részecskék nagy felülettel rendelkeznek (folyadékkondenzáció)
Kevert folyadék szilárd mikrofázis is kialakulhat
• Aerodiszperz rendszerek (méretük szerint):• Mikroszkópikus
• Szubmikroszkópikus (aeroszolok)
https://allaboutaerosol.com/aerosol-in-the-atmosphere/5Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek előállítása I.
• Ködök:• Mechanikai diszpergálás: a folyadékot szívó- vagy nyomóerővel vékony csövön
vagy résen kényszerítik át• Ultrahangos diszpergálás: kavitációs elven
• Füstök és porok:• Szárazőrlés + szétoszlatás:
• Probléma: • csak meghatározott méretig • aprítás vs. aggregáció (aprítási ellenállás)• Antiadhezív (trietanol-amin, Ca-sztearát)
• Kondenzáció: • Góchatás (elektromos tér, nagy fajlagos felület)• „chemtrail”
http://bonairshop.hu/boneco-7131kek-ultrahangos-hidegparasito-feher-vagy-kek/46https://en.wikipedia.org/wiki/Triethanolaminehttp://kardialgut.de/faqs.23.1.htmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Chemtrail_conspiracy_theory
Ultrahangos hidegpárásító (2,4 MHz)
Ca-sztearát
Trietanol-amin
6Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek élettani hatása I.
• „Aerosolum” gyógyszerkészítmények:3,0 μm > d > 0,5 μm részecskék 50%-a felszívódik a nyálkahártyán keresztül
Chauvin, Panthenol aerosolum 130.0http://shop-8041.ecom20.com/panthenol-aerosolum-130-0.3804.pd?l=en
The Lancet, 2011, 377, 1032–1045 7Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek élettani hatása II.
Kémiai összetétel fontos!Mérgező komponensek gyors felszívódása a tüdő nyálkahártyáján !!!
Pl.: Cd-, Hg-tartalomhttp://www.mhhe.com/biosci/genbio/tlw3/eBridge/Chp29/animations/ch29/1_nitrogen_cycle.swf
Aerodinamikai átmérő
PM10 ≤10 µm
PM2.5 ≤2,5 µm
PM1 ≤1 µm
UFP ≤0,1 µm
PM10PM2.5
PM1
8
• Szálló por mint környezetszennyező:
Szőri Milán: Kolloidkémia
Szálló por mérése
9
kalibráló (SONIMIX 6000C2)
PM10/PM2.5 (PM101M)
PM10: 10 μm-nél kisebb szálló porrészecskék koncentrációja PM2.5: 2,5 μm-nél kisebb szálló porrészecskék koncentrációja
Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek állandósága
• Ülepedés sebessége (Stokes-Cunningham-összefüggés):
𝑣ü𝑙𝑒𝑝𝑒𝑑é𝑠 =2𝑟2 ρ𝑆 − ρ𝐺
9η𝐺(1 + 𝐴
λ
𝑟)
• Az eloszl(at)ás állandósága kicsi, mert:• η𝐺 kicsi
• ρ𝑆 − ρ𝐺 nagy
• Nem akkora gond, mert jellemzően az aeroszolok megszüntetése a cél.
10Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek megszüntetése I.
• Mechanikai leválasztók:• Porkamrák:
• Lassú áramoltatás• Nagy helyigény• Durva méretű porok leválasztása (d>50 μm)• Hatásfok < 50%• Elő-leválasztóként használják
• Ciklonok:• Nagy sebesség • Részecskék spirál alakban áramolnak,
falhoz ütközve kiválnak
• Multiciklonok:• Párhuzamosan kapcsolt ciklonok
multiciklonhttp://www.aircontrolsystemsindia.com/multi-cyclone-fans.htmlhttp://www.metso.com/products/separation/cyclonic-air-classifiers/https://en.wikipedia.org/wiki/Dust_collector
11Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek megszüntetése II.
• Nedves mosók:• Porok mellett gázszennyezők eltávolítására (kohászat & vegyipar)
• Porszemcséket folyadékkal nedvesítik és a mosófolyadékkal távoznak
• Technikák:• Átbuborékoltatással
• Vízgőzön kondenzálással
• Folyadékcseppekkel ütközve
• Sorosan kötve egyéb gáztisztítóval
http://jacobsairwater.com/jaws-chemical-scrubber-systems/http://www.spray-nozzle.co.uk/spray-nozzles-by-industry/pollution-control/gas-scrubbing
12Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek megszüntetése III.
• Szűrőberendezések:• Pórusos anyagon vezetik át a tisztítandó
ipari gázt
• Anyaga: szövet, rostos, ömlesztett vagy zsugorított anyagok
• Portalanítási hatásfok > 95% (!)
• Leválasztás akár 1 μm>d>0,001 μm
• Korlátozott hőmérséklet tartomány
• Rövid élettartam
https://camfilapc.com/uploads/ckeditor/attachments/316/hemipleat-nano.pdf
13Szőri Milán: Kolloidkémia
Aerodiszperz rendszerek megszüntetése IV.
• Elektromos (és akusztikai) berendezések:• Elektromos erőtérben (U=10 000V)
porrészecskék feltöltődnek
• Elektródok között ionizálódnak
• Kollektoron felhalmozódnak
• A porrészecskék elválasztása (periodikus rázás, áramkikapcsolás)
• Koagulátorként is működtethetőek
http://www.uas-inc.at/shhttps://de.wikipedia.org/wiki/Elektrofilter
14Szőri Milán: Kolloidkémia
Ipari gáztisztítási eljárások összehasonlítása
http://www.particles.org.uk/particle_technology_book/chapter_14.pdf
15Szőri Milán: Kolloidkémia
Házi gáztisztítási eljárások (porszívók)
16Szőri Milán: Kolloidkémia
Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban
Diszperziók típusai
Diszpergáltfázis
Diszperziós közeg
Név Példák
folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray
szilárd gáz szilárd aeroszol füst
gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab
folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém
szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta
gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab
folyadék szilárd szilárd emulzió opál
szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek
17Szőri Milán: Kolloidkémia
Gázdiszperziók és habok
• Gázdiszperzió: durva diszperz rendszerek, amelyek folyékony közegében diszpergált állapotú gáz található
• Hab: gázra nézve tömény gázdiszperzió, ahol a közeg folyadék hártyaként jelenik meg (gömbhab/poliéderes hab)
Europhys. Lett., 2006, 76, 683–689.18Szőri Milán: Kolloidkémia
Gázdiszperziók és habok előállítása I.
• Diszpergálással:• Buborékoltató módszer:
a buborékoláshoz szükséges nyomás (küszöbnyomás):
𝑝 =2𝛾𝐿𝑟
• A egységnyi felületen lévő pórusok száma (r a kapilláris sugár)
• Felületi feszültség (kapilláraktív anyagok)
• Keverő módszer:• Keveréssel rázással áramoltatással diszpergálunk
• Kombinálhatóak
http://www.szeretlekmagyarorszag.hu/millionyi-szappanbuborek-szallt-a-szigeten/19Szőri Milán: Kolloidkémia
Gázdiszperziók és habok előállítása II.
• Kondenzációval:• Fizikai kondenzáció:
• Pl. csapból kiengedett víz (menza@ME)
• Kémiai kondenzáció:• Pl. gázfejlődéssel járó reakciók
• Pl. hő hatására folyadékban gáz keletkezik tűzálló felületaktív anyagokból hab képződik (tűzoltóhab)Habbal oltó: Na-alkil-szulfát, perfluoro-oktánsav(PFOA), perfluoro-oktánszulfonát (PFOS)
https://en.wikipedia.org/wiki/Perfluorooctanoic_acidhttp://www.crccare.com/knowledge-sharing/pfos-and-pfoa-guidelines
Aqueous film forming foams (AFFF)20Szőri Milán: Kolloidkémia
Gázdiszperziók és habok állandósága
• A gázdiszperziók termodinamikailag instabilak• Kolloidállandóságuk is kismértékű:
• Koaguláció: buborékok egyesülnek• Disszolúció: gáz feloldódik a folyadékban• Tiszta folyadékban stabilis habot nem lehet létrehozni
• Stabilizálás (vö. DLVO):• Tenzidek:
• Anionos felületaktív anyagok (pl.: alkáliszappan) + glicerin• Makromolekulák:
• Fehérjék (protein és fluoroprotein oltóhabok)• Finomszemcsés szilárd anyagok:
• Grafit• Szénpor• Fém-szulfidok
21
glicerin
Felületaktív anyagok csoportjai:
https://hu.wikipedia.org/wiki/Glicerinhttp://knowledge.ulprospector.com/3106/pc-surface-active-agents-surfactants/
Szőri Milán: Kolloidkémia
Habok jellemzése
• Habkiadósság: megadja, hogy egy bizonyos mennyiségű habképző anyagot tartalmazó oldatból milyen térfogatú hab képződött. • Nehézhab: ha a habkiadósság 5-20• Középhab: ha a habkiadósság 20-200• Könnyűhab: ha a habkiadósság 200-1500
• Habállandóság: a habtérfogat idővel csökken 𝑉 𝑡 = 𝑉0𝑒
−𝑘𝑡
𝑡1/2 = 𝑙𝑛2/𝑘• Befolyásoló tényezők:
• Folyadék felületi feszültsége• Folyadék viszkozitása (maximum görbe)• Folyadékhártya szerkezete• Hab előállítási módja is befolyásolja:
• Statikus habállandóság: nincs habképzés mechanikai hatással• Dinamikus habállandóság: habképzés folyamatos
22http://braukaiser.com/blog/wp-content/uploads/2012/06/pitching_rate_tasting-1.jpghttp://www.ventor.hu/rendszerek/habbal-oltok/
Szőri Milán: Kolloidkémia
Habok megszüntetése
• Hab megjelenése káros is lehet. Pl.:• Gombatörzsek oxigénellátását zavarja a penicillingyártásakor• A nyers cukorlé tisztítás során cukoriparban
• Habzásgátló (később HLB):• Habképzőkkel nem habképző vegyületek képzése:
Na-, K-szappanok + Al2O3
nyers cukorlé + T + égetett mész/mésztej (koagulálás + lecsapás)• Erősen felületaktív, nem habképzők adagolása:
• leszorítják habképzőket a felületről:• Hosszú szénláncú alkoholok, karbonsavak vizes diszperziói• alkil-polisziloxánok (szilikonok)
• poliakil-glikolok (PAG): polietilén glikol és polipropilén glikol kopolimerek
• Alkil-poliakrilátok
• Kombináltan is lehet23
polialkil-glikol (PAG)
Szilikonos
Al2O3
http://www.water-treatmentchemical.com/sale-7651454-al2o3-30-poly-aluminum-chloride-powder-settling-flocculant-chemicals.htmlhttp://olaszsped.com/index.php?main_page=product_info&products_id=493
polidimetilsziloxán
Szőri Milán: Kolloidkémia
Habok gyakorlatban I.
• Flotálás:• Szennyvíztisztás
• Ércfeldolgozás• Cél: buborékokból képződő hab (gyűjtőanyag) az őrléssel előkészített kőzetből minél több
értékes anyagot vigyen magával
• Adszorpció a három határfázisú élen játszódik le, ehhez trifil molekulára van szükség
• Xanátok:
24https://www.youtube.com/watch?v=6kFONdchY0U
Nátrium-etil-xanát
levegő
oldat
kőzet
Szőri Milán: Kolloidkémia
Habok gyakorlatban II.
• Olajipari felhasználás:• Kőolajtelepek harmadlagos kitermelése
• Csökkenjen a felületi feszültség (kapillárisnyomás) és nőjön az olaj mobilitása:• Szerves savat tartalmazó olajokba szappanképzőket injektálnak
• Vízoldható polimerek növelik a lepréselt víz viszkozitását
• Szulfonátok vagy biológiai eredetű felületaktív anyagok (ramnolipidek) lesajtolása
25ramnolipidJournal of Surfactants and Detergents, 2015, 18, 887–893.http://epa.oszk.hu/00000/00028/00055/pdf/EPA00028_msz_2014_63_26-33.pdf
Szőri Milán: Kolloidkémia
Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban
Diszperziók típusai
Diszpergáltfázis
Diszperziós közeg
Név Példák
folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray
szilárd gáz szilárd aeroszol füst
gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab
folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém
szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta
gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab
folyadék szilárd szilárd emulzió opál
szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek
26Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulziók és típusaik
• Mind a diszpergált anyag, mind a diszperzió közeg az adott hőmérsékleten folyadék halmazállapotú
• Csoportosítás méret szerint:
• Fázisok jelölése emulzió típusok:
O: lipofil V/W: hidrofil
27O/V V/O V/O/V O/V/O
Chem. Commun., 2014, 50, 11871—11874.J. Sci. Technol., 2014, 36, 651-661.http://www.keywordpictures.com/keyword/microemulsion/
μE
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulziók előállítása I.
• Diszpergálás (emulgeálás):• A folyadék-folyadék határréteg feszültsége
ellen kell munkát végezni:• Rázás• Keverés • Dörzsölés• Homogenizátorok• Kolloidmalmok• Ultrahanggal• Hőenergiával• Elektromos energiával
• Kondenzáció:• Weimarn-féle oldószercsere
28https://dspace.lboro.ac.uk/dspace-jspui/handle/2134/10605
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulziók előállítása II.
• Emulzió jellege, típusa a külső megjelenés alapján nem határozható meg (nem a fázisarány határozza meg):• Hígítási próba
• Emulziócsepp csak a diszperzióközeggel folyik össze
• Megfestés• V: metilénkék
• O: szudánvörös
• Vezetőképesség-mérés
29Food Hydrocolloids 2015, 48, 17-26.
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulgeátorok I.
• Megfelelő töménységű és állandóságú emulziókat csak stabilizátor (emulgeátorok) segítségével nyerhetünk (csökkentik a határréteg feszültségét)
• Az emulgeátorok befolyásolják döntően az emulzió típusát:• Bancroft-szabály: az lesz a diszperzióközeg
amelyben az emulgeátor jobban oldódik
• Hidrofil-lipofil egyensúly (HLB)• Davies módszer
• Griffin módszer
30
Habzásgátló (2-3)
V/O emulgeálószer (3-6)
Nedvesítőszer (7-9)
O/V emulgeálószer (8-16)
Mosószer (13-15)
Szolubilizálószer (15-18)
Hidrofil(vízoldható)
Lipofil
Diszperzió vízben
HLB skála Alkalmazási területVízoldhatóság
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrophilic-lipophilic_balanceSzőri Milán: Kolloidkémia
Az emulzióhoz megfelelő optimális HLB érték
• Griffin módszer (tenzidkeverék HLB-je):
𝐻𝐿𝐵 =(𝐻𝐿𝐵𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙𝑎,𝑖∙ 𝑤𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙𝑎,𝑖)
• Adott HLB tenzidkeverék:
𝑤1% = 100%𝐻𝐿𝐵𝑘𝑒𝑣𝑒𝑟é𝑘 − 𝐻𝐿𝐵𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑑,2𝐻𝐿𝐵𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑑,1 − 𝐻𝐿𝐵𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑑,2
Szőri Milán: Kolloidkémia 31
http://www.firp.ula.ve/archivos/historicos/76_Book_HLB_ICI.pdf
http://www.al-nasir.com/www/PharmCalc/exec_calc.php?ID=hlb
A táblázat tapaszatlaton alapszik:csak keverővel, <20 w% O fázisHLB bizonytalansága 1 HLB egység
Emulgeátorok II.
• Emulziós szám:
𝐸𝑠𝑧 =𝑉𝐸 − 𝑉0𝑉𝐸
100%
• Centrifugálással felgyorsítható a fázisszétválást (külön emulziós szám)
32
VE: emulgeált olaj térfogataV0: adott idő után elkülönült olaj térfogata
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulgeátorok (vö. DLVO)
• Tenzidek:• Anionos:
• zsírsav és fémionok hozzáadásával in situ• Fémion hozzáadásával in situ (ha O fázisban már van zsírsav)
• Kationos:• alkil.-ammónium és alkil-piridinium sók
• Nemionos :• Zsíralkoholok• Részben észterezett alkoholok
• Makromolekulás anyagok:• Polimer szénhidrátok (pektinek, alginátok)• Cellulózszármazékok (metil-cellulóz)• Proteinek (kazein, albumin)• Szintetikus (PVC)
• Szilárd őrlemények (Pickering emulziók)• Keverékemulgeátorok
33
Lecitin (O/V)
Koleszterin (V/O)
Arahidil-alkohol (O/V)
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 2013. 439, 23–34.
Szilárd részecskék
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulzió átcsapása
• Emulzió átcsapása (Fázisinverzió): • emulgeátor liofilitását megváltoztatjuk
• Na-szappan stabilizált emulzió + BaCl2 → Ba-szappan inverz emulzió
34http://biomedfrontiers.org/infection-2013-11-51/Soft Matter, 2011, 7, 2297–2316https://butterysaltedcaramel.wordpress.com/2016/05/31/water-ganache/
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulziók állandósága I.
35http://soft-matter.seas.harvard.edu/index.php/Emulsions
Érés (öregedés)
( )közegdiszperzió
közegdiszperziócseppcsepp
ülepedés
grv
9
22
−=
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulziók állandósága II.
• FázisdiagramEmulzió stabilitás emulgeátor koncentrációjától maximumgörbe szerint változik
36http://mathmodelingfall2007.pbworks.com/w/page/20545446/Week%20Two%20QuestionsJ. Agric. Food Chem. 2013, 61, 2130−2139
Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulziók megszüntetése (demulgeálás)
• Fontos: tej →vaj
• Mechanikai demulgeálás:• Szűrés:
• O/V esetén: poláris szűrő (kvarc, agyag)• V/O esetén: apoláris szűrő (gumi)
• Centrifugálás (centrifugák, szeparátorok)• Ultrahang
• Kémiai demulgeálás:• Többértékű ionok hozzáadásával (Al3+, Fe3+)
• Külső állapotjelzők megváltoztatásával:• T emelése• Elektromos áram)
37Szőri Milán: Kolloidkémia
Emulziók gyakorlati szerepe• Bőripar:
• Bőr impregnálása: O/V emulzió stabilizálnak a bőrfelületen
• Kozmetikai ipar:• V/O: zsíros krémek• O/V: száraz vagy nappali krémek
• Papíripar:• Gyanta és paraffin emulziók behatolnak a cellulózrostok közé Al3+-os koaguláció, így szilárdabb és vízhatlanabb papírt állítanak elő
• Lakk és festékipar:• Filmképző makromolekulás gyanta emulgeált formában van jelen
• Gépipar és autógyártás:• CNC fúróknál emulzió: kenés + nagy hőkapacitás• Motorolajok
• Növényvédőszerek:• Hatóanyagot szerves oldószerben oldják + tenzid (felhasználás előtt vízzel hígítják)
• Gyógyszeripar• …
• Élelmiszeripar:• Tej: O/V emulzió (kazein az emulgeátor)
• Idővel a pH-ja csökken pH=4,7-nél a koagulál → aludttej• Tej fölöződés → tejföl (V/O)• Tej fölöződés szeparátorok segítségével → vaj (V/O) 38
Food Hydrocolloids 2010, 24, 259–265.
Szőri Milán: Kolloidkémia
39Szőri Milán: Kolloidkémia