Объясните причину неустойчивости эмульсий кратко
Обновлено: 05.07.2024
Причины неустойчивости в эмульсияхуказав на явления, которые предшествуют распаду эмульсии, давайте, системно, перечислим главные причины неустойчивости. • использование неподходящей смеси эмульгаторов.• неправильное соотношение между двумя фазами (количество и плотность).• несовместимая связь между компонентами эмульсии.• присутствие электролитов.• неправильный метод производства (недостаточное колебание, перегрев или охлаждение, поглощение воздуха, недостаточная или чрезмерная дисперсия).• присутствие грубых частиц в фазе рассеивания.• недостаточная вязкость.• неподходящая упаковка.• причины другого характера
а) лишнее дистилерованная вода,т.к. соли,кислоты и щёлочи-это классы неорганических веществ.б) лишнее hcl,т.к. это безкислородная кислота или же лишнее так же hcl,т.к. это одноосновная кислота,а остальные двухосновные.
Неустойчивые эмульсии , транспортируемые по промысловым трубопроводам с раствором реагента-деэмульгатора, могут разрушаться в турбулентном потоке в результате коалесценции капель пластовой воды, при этом в нижней части трубопровода может появляться свободная вода. Накопление пластовой воды в пониженных участках трубопровода, как правило, существенно усиливает процессы их коррозии или повышает интенсивность отложения солей. Поэтому с технологической точки зрения важно уметь создавать такие режимы транспортирования неустойчивых эмульсий, при которых вода будет находиться в диспергированном состоянии [13], тем более, что такие режимы выгодны и с гидродинамической точки зрения. [1]
Неустойчивая эмульсия - это двухфазная дисперсная система, состоящая из двух взаимно нерастворимых жидкостей, так что одна из них распределена в другой в виде капелек, на поверхности которых отсутствуют прочные стабилизирующие оболочки. Неустойчивая эмульсия образуется при турбулентном перемешивании жидкостей и может существовать лишь в турбулентном потоке. На поверхности раздела фаз неустойчивой эмульсии могут быть мономолекулярные слои поверхностно-активных веществ, не препятствующие дроблению или слиянию капель. При установившемся движении неустойчивых эмульсий достигается динамическое равновесие между процессами коалесценции и дробления, которому соответствует определенный средний диаметр капель. Изменение режима движения приводит к сдвигу динамического равновесия и соответствующему изменению дисперсности неустойчивой эмульсии. При переходе к ламинарному режиму течения или остановке происходит расслоение составляющих эмульсию жидкостей. [2]
Неустойчивые эмульсии грубодисперсны, поэтому электровязкостные эффекты в них незначительны [32] и их влияние на TO не учитывалось. [3]
Такие неустойчивые эмульсии быстро разделяются на два сплошных слоя, располагающихся один под другим ( водный - снизу. [4]
Если неустойчивая эмульсия содержит окклюдированный газ ( газированная эмульсия), то точка инверсии фаз может смещаться в зависимости от содержания газа. Пузырьки газа, выполняя роль дисперсной фазы, способствуют тесному прижатию капелек дисперсной фазы неустойчивой эмульсии при меньшем их содержании. Поэтому присутствие газовой фазы смещает точку инверсии фаз в сторону уменьшения содержания жидкости. [5]
Транспортировка неустойчивых эмульсий осуществляется зачастую на значительные расстояния, достигающие 100 км. [6]
Размер капель неустойчивой эмульсии превышает внутренний масштаб турбулентных пульсаций дисперсионной среды, и неустойчивая эмульсия не ведет себя подобно однородной жидкости. Так как в указанных процессах плотности дисперсионной среды рс и дисперсной фазы рф близки друг к другу, то роль инерционных эффектов при диспергировании незначительна. [7]
Влияние капель неустойчивой эмульсии на путь смешения проявляется в уменьшении длины пути смешения с ростом содержания дисперсной фазы. [8]
Размер капелек воды неустойчивой эмульсии , образуемой турбулентным режимом движения, превышает амплитуду пульсации в дисперсионной среде, что приводит к некоторому гашению турбулентности. [9]
На поверхности капель неустойчивых эмульсий отсутствуют бронирующие асфальтово-смолистые оболочки, которые в стойких эмульсиях могут вызывать частичную агрегацию капель и неньютоновское поведение эмульсии, тем не менее, как это будет показано ниже, неустойчивые эмульсии тоже проявляют при определенных условиях неньютоновские свойства. Однако о природе неньютоновского поведения неустойчивых эмульсий сведений в литературе не имеется. [10]
В турбулентном потоке неустойчивой эмульсии с равномерно распределенными по потоку каплями дисперсной фазы при К10 относительное движение фаз незначительно и истинное содержание дисперсной фазы можно считать равным расходному. [11]
Если в диспергированном nojoKe неустойчивой эмульсии относительная вязкость жидкостей ццл / Цт не оказывает существен ного влияния на процесс движения, то при расслоении потока ц является параметром, определяющим профиль расслоения скоростей и положение границы раздела фаз. [12]
Для получения реологического уравнения плотных неустойчивых эмульсий используем принцип суперпозиции: полное напряжение сдвига определим суммированием напряжения, затрачиваемого на преодоление вязкости эмульсии и дополнительного напряжения, вызываемого деформацией капель. [13]
В пробковом газоэмульсионном потоке капли неустойчивой эмульсии дробятся под действием турбулентных пульсаций дисперсионной среды и макротурбулентных пульсаций, вызываемых относительным движением отдельных газовых включений. Результаты измерений дисперсности неустойчивой эмульсии в потоке двух взаимно нерастворимых жидкостей подтвердили гипотезу (1.44) о влиянии капель неустойчивой эмульсии на длину пути смешения и показали, что с ростом содержания дисперсной фазы в эмульсии диаметр ее капель возрастает вследствие проявляющегося эффекта гашения турбулентности дисперсионной среды. Таким образом, сопоставление измерений дисперсности неустойчивой эмульсии в газоэмульсионном потоке с данными о дисперсности эмульсии при отсутствии газа позволяет оценить вклад макротурбулентных пульсаций в процесс дробления капель. [15]
Эмульсия - это коллоидная дисперсная система двух несмешивающихся жидкостей, таких как масло и вода, в которой одна жидкость диспергирована в другой.
Эмульсию получают в процессе, когда две несмешивающиеся жидкости подвергают процессу эмульгирования.[1] Этот процесс состоит в том, что смесь механически встряхивают, разбивают особыми лопастными мешалками или продавливают через узкие щели жидкости.
На практике, где имеется большое число механизмов, диспергирование осуществляется благодаря простому разбиванию относительно больших капель на более мелкие, или растяжением жидкости в пленку, потому что, когда она разрывается, происходит образование целой массы мелких капелек.
Термодинамика эмульсий: эмульсии, которые получены из чистых жидкостей являются очень неустойчивыми. Из-за того, что капельки при соприкосновении друг с другом сливаются, и дисперсная система постепенно расслаивается на две жидкости, которые не смешиваются между собой. Неустойчивость эмульсий можно объяснить тем, что в них имеется избыточный запас свободной поверхности на границе фаз, что выражается большим поверхностным натяжением.[2]
Процесс расслоения эмульсии протекает самопроизвольно, потому что при этом система наибольшей степени дисперсности с большей свободной поверхностной энергией переходит в мелкодисперсную систему, которая уменьшает поверхностное натяжение.
Коалесценцией называется процесс самопроизвольного слияния жидких капель, которые, в конечном счете заканчивается расслоением эмульсии на составляющие ее жидкости.
Классификацию эмульсий можно представить следующим образом:
1) разбавленные (концентрация дисперсной фазы менее 0,1 %);
2) концентрированные (концентрация дисперсной фазы менее 74 %);
3) высококонцентрированные (концентрация дисперсной фазы более 74 %).
Разбавленные эмульсии характеризуют устойчивостью в отсутствие эмульгатора, вероятность столкновения капелек дисперсной фазы очень мала.
Можно сделать вывод, что такие системы ведут себя аналогично лиофобным золям. Относительная устойчивость эмульсионных систем определяется существованием на поверхности капелек ДЭС.
В отличие от разбавленных, в концентрированных эмульсиях слияние капелек происходит с большей скоростью, и тогда эмульсия за короткий промежуток времени разделяется на два слоя. Важно то, что получение устойчивых концентрированных эмульсий возможно только в присутствии специальных эмульгаторов.
Стабилизация и разрушение эмульсий
Стабильность эмульсий определяется многими параметрами, такими как pH, ионная сила, соотношение фаза/объем, вязкость и температура. Однако наиболее важным параметром является размер капли. Следовательно, можно моделировать многие параметры, когда желательно замедлить физико-химические явления, ответственные за расслоение фаз.
Агрегативная эмульсионная устойчивость может обусловливаться различными факторами устойчивости, для них характерно и самопроизвольное диспергирование при определенных условиях. Они могут самопроизвольно образовываться в гетерогенной двухкомпонентной системе без эмульгатора при такой температуре смешения, которая близка к критической. Гетерогенная система, например, вода-фенол самопроизвольно переходит в устойчивую термодинамически эмульсию при температуре, которая незначительно ниже критической, потому что в этих условиях межфазное натяжение настолько мало (примерно ), что оно полностью компенсируется энтропийным фактором. Известно, что таким свойством еще обладают коллоидные ПАВ и растворы ВМС.[3] Очень сильное понижение поверхностного натяжения при добавлении ПАВ как третьего компонента в систему позволяет получить устойчивые термодинамически и образующиеся самопроизвольно эмульсии не только при критических температурах смешения, но и в обычных условиях. Эмульсии, которые являются устойчивые термодинамически и образующиеся самопроизвольно, имеют частицы очень высокой дисперсности, в то время как большинство же эмульсий являются неустойчивыми термодинамическими системами и микрогетерогенными. При длительном хранении в таких системах может происходить коагуляция, а затем коалесценция.
Агрегативная эмульсионная устойчивость количественно характеризуется скоростью их расслоения, или же временем жизни отдельных капель при контакте с другими, в большинстве случаев используют первую характеристику. Ее определяют путем измерения высоты или объема отслоившейся фазы через определенные промежутки времени. Устойчивость эмульсий без эмульгатора будет считаться минимальной. Существуют следующие способы стабилизации эмульсий с помощью порошков, ВМС и ПАВ. Так же как и при стабилизации золей, с помощью ПАВ стабилизация эмульсий обеспечивается благодаря адсорбции и определенной ориентации молекул этих ПАВ, что и вызывает снижение поверхностного натяжения. В то время как ориентирование молекул ПАВ в эмульсиях подчиняется правилу уравнивания полярностей Ребиндера, которое звучит следующим образом: к полярной фазе обращены полярные группы ПАВ, а к неполярной фазе – неполярные радикалы. В зависимости от типа ПАВ: ионогенные или неионогенные, капли эмульсии приобретают соответствующий заряд или на их поверхности образуются адсорбционно-сольватные слои. Несомненно, что электрические и адсорбционно-сольватные слои должны быть образованы со стороны дисперсионной среды.
Стабилизация с помощью ПАВ не ограничивается факторами, которые обеспечивают уменьшение поверхностного натяжения. ПАВ с длинными радикалами, на поверхности капель эмульсии могут образовать пленки значительной вязкости (структурно-механический фактор), а также обеспечить энтропийное отталкивание из-за участия радикалов в молекулярно-кинетическом движении. В свою очередь, структурно-механический и энтропийный факторы значительны, когда для стабилизации применяют поверхностно-активные высокомолекулярные соединения типа полиэлектролитов. Структурно-механическим фактором является образование структурированной и предельно сольватированной дисперсионной средой адсорбционной пленки. Этот фактор имеет большое значение для стабилизации высококонцентрированных и концентрированных эмульсий, учитывая, что тонкие, но при этом структурированные прослойки между капельками высококонцентрированной эмульсии придают системе выраженные твердообразные свойства.
Рассмотрим вероятность стабилизации эмульсий с использованием высокодисперсных порошков, где механизм воздействия аналогичен механизму воздействия ПАВ. Порошки с высокой гидрофильной поверхностью, например, глина или кремнезем стабилизируют прямые эмульсии. Гидрофобные порошки, например, сажа способны к стабилизации обратных эмульсий и частицы этих порошков на поверхности капелек эмульсий расположены так, что большая часть их поверхности находится в дисперсионной среде. Для обеспечения устойчивости эмульсии нужно плотное покрытие порошком поверхности частицы, если смачивание частиц порошка-стабилизатора средой и дисперсной фазой будет сильно отличаться, то стабилизации не произойдет, и весь порошок будет находиться в объеме фазы, которая его хорошо смачивает.
Выявлено, что стабилизации микрогетерогенных эмульсий способствует самопроизвольное образование микроэмульсий (ультрамикрогетерогенных эмульсий) вокруг частиц. Микроэмульсии образовались естественным образом, когда две несмешивающиеся водная и масляная фазы с чрезвычайно низкой межфазной энергией составлены как одна. Микроэмульсии термодинамически стабильны (в отличие от стабильных эмульсий) и имеют диаметр дисперсной фазы менее 10 нм. Небольшой размер капель указывает на то, что микроэмульсии представляют собой прозрачный и полупрозрачный раствор. Также время от времени эмульсии распадаются на отдельные водную и масляную фазы.[5]
Но в промышленности часто возникает необходимость разрушить данную эмульсию. Прямые эмульсии, которые стабилизированы ионогенными эмульгаторами, можно разрушить при добавлении электролитов с поливалентными ионами, потому что такие электролиты не только сжимают ДЭС, но и переводят эмульгатор в малорастворимую в воде форму. Также эмульгатор можно нейтрализовать другим эмульгатором, которые способны к образованию эмульсий обратного типа, еще можно добавить вещество более поверхностно-активное, чем сам эмульгатор, которое само по себе не образует прочных пленок, например, амиловый спирт вытесняет эмульгаторы и растворяет их пленки и способствует коалесценции капелек эмульсии. К тому же эмульсию часто можно разрушить с помощью повышения температуры, электрическими методами, центрифугированием, фильтрованием через пористые материалы, которые смачиваются дисперсионной средой, но не смачиваются веществом дисперсной фазы и др.
Оценка стабильности эмульсии: стабильность эмульсии представляет собой сочетание физической (без разделения фаз) и химической (без химической реакции) стабильности . Также все виды эмульсий являются термодинамически неустойчивыми системами и требуют введения стабилизатора, природные свойства которого будут обеспечивать защиту от коалесценции.
Список используемой литературы:
1) Мухачева Е. С., Оробейко Е. С., Егоров С. В. Коллоидная химия. Шпаргалка: Научная книга, 2009. 310 с.
4) Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): учебник для вузов - М.: Химия, 1982. 400 с.
5) Клейменова Т.В., Вихрева В.А. Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс] : метод. указания к выполнению лаб. работ, 2013. 31 с.
Эмульсии - особый вид дисперсных систем, дисперсная фаза и дисперсионная среда являются взаимонерастворимыми жидкостями, это системы Ж/Ж.
Свойства эмульсий
В зависимости от состава дисперсной фазы и дисперсионной среды могут быть прямые и обратные эмульсии.
Прямые эмульсии типа М/В - дисперсия масла в воде.
Обратные эмульсии типа В/М - дисперсия воды в масле. Пример прямой эмульсии - молоко, пример обратной эмульсии - маргарин, нефть.
В зависимости от концентрации раздробленной фазы эмульсии могут быть разбавленными (0,1%), концентрированными (0,1% - 75%), высококонцентрированными (свыше 75 %).
В разбавленных эмульсиях концентрация дисперсной фазы невелика, поэтому их свойства не отличаются от свойств дисперсионной среды.
Стремление поверхностной энергии к минимуму, вследствие подвижности жидкой границы раздела, приводит к самопроизвольному снижению поверхности раздела фаз. По этой причине капли разбавленных и концентрированных эмульсий приобретают шарообразную форму.
При концентрации дисперсной фазы свыше 75% наблюдается деформация жидкости, обрамляющей капли дисперсной фазы, ее сферичность нарушается, а эмульсия приобретает новые свойства. Подобные эмульсии образуют структуру - маргарин.
Устойчивость эмульсий
Эмульсии могут быть лиофильными и лиофобные. Лиофильные - термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно путем диспергирования массы жидкости до капель.
Большинство эмульсий относится к лиофобным системам - они термодинамически неустойчивы, не могут образовываться самопроизвольно, существовать длительное время, нуждаются в стабилизации. Разрушение и потеря агрегативной устойчивости происходит в несколько стадий. Первая - контакт по крайней мере двух капель. Вторая - образование агрегатов.
Устойчивость эмульсий зависит от ряда причин : поверхностного натяжения, свойств и структуры граничных слоев.
Повышения устойчивости лиофобных эмульсий достигают введением веществ эмульгаторов, способных стабилизировать эмульсии.
Эмульгаторы могут быть гидрофобные и гидрофильные.
Гидрофильные эмульгаторы - ПАВ. Стабилизируют прямые эмульсии. Полярные радикалы образующегося на границе раздела фаз адсорбционного слоя ПАВ находятся на наружной стороне капель масла, препятствуя их сближению (рис. 14.1, а)
Рис.14.1. Адсорбция молекул ПАВ в прямых (а) и обратных (б) эмульсиях.
Эти же вещества в эмульсиях обратного типа адсорбируются на внутренней поверхности капель воды (14.1, б), образующийся адсорбционный слой не является препятствием для слипания капель. Поэтому стабилизацию обратных эмульсий нужно производить с помощью ПАВ, которые лучше растворяются в масле, чем в воде.
Ориентация адсорбционного слоя ПАВ происходит в соответствии с правилом уравнивания полярности Ребиндера:
полярная группа молекул ПАВ обращена к полярной жидкости, а неполярный радикал - к неполярной.
Соотношением между гидрофильными и гидрофобными частями молекул ПАВ определяется:
1.Эффективность эмульгатора. Гидрофильные свойства определяются взаимодействием полярных групп молекул ПАВ с водой. Гидрофобный радикал обуславливает взаимодействие между неполярной цепью ПАВ и маслом. Лиофильное взаимодействие ПАВ и масла будет гидрофобным по отношению к воде.
2.Поверхностная активность. Для короткоцепочечных ПАВ преобладает гидрофильное взаимодействие, в результате которого молекулы втягиваются в воду. Длинноцепочечные молекулы ПАВ - гидрофобное взаимодействие.
Уравновешивание гидрофильного и лиофильного взаимодействий называется гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ). То есть определенное оптимальное соотношение действия воды и масла на молекулы ПАВ определяет условия образования адсорбционного слоя на границе раздела двух жидкостей.
ГЛБ - эмпирическая безразмерная величина:
ГЛБ = ( b + y n )/а (14.1)
где n - число групп СН2 в углеводородном радикале, y - свободная энергия взаимодействия в расчете на одну СН2 группу, b - безразмерный параметр, зависящий от природы ПАВ, а - сродство полярной группы молекулы ПАВ к воде.
Действие адсорбционных слоев ПАВ, экранирующих границу раздела фаз, зависит от свойств ПАВ и жидкостей, образующих эмульсию. Прочные адсорбционные слои образуют белки, углеводы, имеющие слабую поверхностную активность.
Роль эмульгаторов могут выполнять порошки. Действие порошков эмульгаторов обеспечивается особым положением частиц порошка на границе раздела двух жидких фаз.
Получение и разрушение эмульсий
Эмульсии могут образовываться самопроизвольно или получаться искусственно в результате диспергирования или гомогенизации.
Самопроизвольное эмульгирование характерно для лиофильных систем и определяется минимальным значением межфазового поверхностного натяжения.
Механическое диспергирование жидкостей достигается перемешиванием, встряхиванием или вибрацией. Эффективность повышается в присутствии эмульгаторов.
Для получения и стабилизации эмульсий используют гомогенизацию - продавливание жидкостей через отверстия.
Разрушение эмульсий происходит самопроизвольно или под действием деэмульгаторов. Самопроизвольное разрушение характерно для лиофобных эмульсий. Деэмульгирование происходит в результате фазового перехода дисперсионной среды или дисперсной фазы. Например, при нагревании капли дисперсной фазы могут испариться и эмульсия перейдет в пену.
Способ разрушения эмульсий - обращение фаз, то есть, например, превращение прямой эмульсии в обратную. Обращение фаз осуществляется при определенных условиях: наличие высококонцентрированных эмульсий, механическое воздействие, присутствие эмульгаторов.
Применение эмульсий
1.Производство продуктов питания.
2.Производство фармацевтических препаратов.
3.Строительство (битумные эмульсии)
4.Синтез различных веществ.
5.Получение пористых органических сорбентов, мембран, покрытий.
Свойства и особенности пен
Пены - дисперсные системы типа Г/Ж, дисперсная фаза - газ или пар, дисперсионная среда - жидкость. Пены - высококонцентрированные дисперсные системы. Разбавленные системы типа Г/Ж - газовые эмульсии. В разбавленных системах происходит обратная седиментация - всплывание пузырьков газа.
В отличие от других дисперсных систем, которые характеризуются концентрацией дисперсной фазы, пены характеризуются содержанием дисперсной фазы. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро меняются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены b , которая показывает, во сколько раз объем пены V п превышает объем жидкости V ж, необходимой для ее формирования:
где V п, V г, V ж - объемы пены, газовой дисперсной фазы, жидкой дисперсионной среды.
Относительная доля воздуха в пенах:
Классификация пен
полусухие 10 b 100.
С увеличением кратности пены растет диаметр пузырьков.
Межфазовое поверхностное натяжение пен определяется свойствами жидкости и газовой среды. Если эти свойства не изменяются, то поверхностное натяжение будет величиной постоянной. При уменьшении энергии Гиббса начинается самопроизвольное разрушение пен.
В пене происходит контакт пузырьков, разделенных слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков.
Пленки жидкости между пузырьками, образуют треугольники Плато (рис.14.2)
Рис.14.2.Треугольник Плато:1 - пленки жидкости, 2 - канал.
В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120 0 . В местах стыков пленок образуются утолщения - каналы. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы.
Разрушению пены способствует укрупнение пузырьков пены. Этот процесс происходит в результате диффузии газов из мелких пор в более крупные и за счет прорыва слоя жидкости между пузырьками.
Коллоидно-химические и физико-химические свойства пен
1.Электроосмос и потенциал течения.
2.Поглощение и рассеяние света.
3.Капиллярное давление внутри пузырьков.
Устойчивость и получение пен
Пены - термодинамические неустойчивые лиофобные дисперсные системы. Избыточная поверхностная энергия вызывает процессы, которые ведут к увеличению размеров пузырьков, уменьшению дисперсности пены и ее разрушению и определяют агрегативную неустойчивость пен.
Основной параметр, характеризующий агрегативную устойчивость пен, является скорость уменьшения в единице объема пены удельной поверхности или увеличение размера пузырьков.
На практике оценку агрегативной и седиментационной устойчивости пен проводят при помощи коэффициента устойчивости Ку:
V п - первоначальный объем пены, t р - время разрушения пены.
Коэффициент устойчивости определяют по времени жизни столбика пены высотой 3- 5 см .
Пенам придают устойчивость ПАВ.
Для получения пен и для придания им устойчивости применяют пенообразователи. Два типа пенообразователей:
1.Дают малоустойчивые пены - спирты, ПАВ, не обладающие моющим действием.
2.Мыла и синтетические ПАВ.
Факторы, определяющие устойчивость пен :
На практике иногда нужно исключить пенообразование. Для разрушения образующейся пены применяют механические, физические и химические способы.
Механические - струя воздуха. Физические - термическое воздействие. Химические - применение веществ-пеногасителей (жиры, масла).
АЭРОЗОЛИ
Аэрозоли - дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии. Дисперсионная среда - газ, дисперсная фазы - твердая.(Т/Г).
Читайте также: