Что такое эмульсии типы эмульсий способы разрушения эмульсий

Лекция №14.

План лекции:

ЭМУЛЬСИИ

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)

SHAPE \* MERGEFORMAT

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 К_у:

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).

Источник

7.2.6. Разрушение эмульсий

Разрушение эмульсий происходит в результате нарушения строения адсорбционных слоев стабилизатора или при снижении их стабилизирующей способности. Часто разрушение эмульсии происходит в результате недостаточной кинетической устойчивости, связанной с размером капелек. В последнем случае разрушение происходит в два этапа.

На первом этапе эмульсия разделяется на две – концентрированную и разбавленную. Концентрированная эмульсия (сливки) всплывает или осаждается в зависимости от плотности дисперсной фазы, если размер капель достаточно велик, чтобы преодолеть броуновское движение.

На втором этапе крупные капли при сближении проявляют ван-дер-ваальсово притяжение, часто преодолевающее структурно-механический барьер стабилизирующего слоя. В результате этого происходит коалесценция. Таков механизм самопроизвольного разрушения эмульсий.

Преднамеренное разрушение эмульсий связано, как правило, с разрушением адсорбционных слоев стабилизатора, в результате чего исчезает препятствие, сдерживающее коагуляцию (коалесценцию).

На практике используют следующие методы:

1. Деэмульгирование. В эмульсию вводят такое вещество, которое обладает высокой поверхностной активностью и вытесняет молекулы стабилизатора с поверхности раздела фаз, но неспособное к образованию механически прочного гелеобразного слоя. В результате при столкновении капель происходит разрушение такого слоя и слияние капель. К деэмульгаторам относят вещества с неразвитым углеводородным радикалом и маленькой полярной частью — например, низшие спирты или их эфиры с окисью этилена. Этот метод часто используют для удаления воды из нефти.

2. Химическое разрушение связано с химическим изменением стабилизатора, например, при введении кислот. Образующийся продукт не способен служить стабилизатором и поэтому эмульсия становится неустойчивой.

3. Тепловое разрушение эмульсии основано на понижении адсорбционной способности стабилизатора и прочности тиксотропной структуры адсорбционного слоя при повышении температуры.

4. Электрофорез. Если капли эмульсии стабилизированы за счет образования двойного ионного слоя, то такую эмульсию можно разрушить с помощью электрического тока. Происходит электрофорез, капли разряжаются на соответствующем электроде, что приводит к их коалесценции.

5. Механическое воздействие – сепарация, центрифугирование, ультразвук – связано с механическим удалением адсорбционного стабилизирующего слоя и коалесценции лишенных защиты капель или с приданием каплям такой кинетической энергии, которая превышает потенциальный барьер коалесценции.

6. Разрушение эмульсий с помощью фильтров, хорошо смачивающихся дисперсионной средой, но не смачивающихся внутренней – дисперсной фазой, остающейся на фильтре.

7. Инверсия фаз. Введение веществ, изменяющих растворимость стабилизатора, способствует переходу его молекул с поверхности раздела в объем фаз. Например, добавлением солей щелочноземельных металлов к эмульсиям прямого типа, стабилизированным солями жирных кислот щелочных металлов, можно изменить устойчивость эмульсии. При этом увеличивается растворимость стабилизатора в углеводородной жидкости и происходит разрушение эмульсии. Однако если добавить значительное количество ионов щелочноземельных металлов, то может произойти переход от эмульсии прямого типа к эмульсии типа «вода в масле». Это явление, так же, как и в случае изменения типа эмульсии при повышении температуры, если эмульсия стабилизирована неионогенным стабилизатором, носит название инверсии фаз и может наблюдаться по электропроводимости или по вязкости.

Источник

Эмульсия

Эму́льсия(новолат. emulsio, от лат. emulgeo — дою, выдаиваю) — дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.

Эмульсии являются обычно грубодисперсными системами, у которых капельки дисперсной фазы имеют размеры от 1 до 50 мкм. Эмульсии состоят из несмешиваемых жидкостей, причем если одна из жидкостей является полярной (например, вода), то вторая — неполярная или малополярная (например, органическая жидкость). Например, молоко — одна из первых изученных эмульсий, в нём капельки жира распределены в водной среде. Эмульсии низкой концентрации — неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии — структурированные системы.

Содержание

Основные типы эмульсий

Тип и эмульсии зависит от состава и соотношения ее жидких фаз, от количества и химической природы эмульгатора, от способа эмульгирования и некоторых других факторов.

• Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»)

Для эмульсих типа м/в хорошими эмульгаторами могут служить растворимые в воде мыла (натриевые и калиевые соли жирных кислот). Молекулы этих соединений, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, не только снижают поверхностное натяжение на ней, но благодаря закономерной ориентации в поверхностном слое создают в нем пленку, обладающую механической прочностью и защищающей эмульсию от разрушения.

• Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»)

Для эмульсии типа в/м хорошими эмульгаторами могут быть нерастворимые в воде мыла (кальциевые, магниевые и алюминиевые соли жирных кислот).

Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную или наоборот.

Тип эмульсии	Дисперсная фаза	Дисперсионная среда
Прямая	Вода	Масло
Обратная	Масло	Вода

Так же эмульсии разделяются на лиофильные и лиофобные:

• Лиофильные эмульсии образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. К ним относятся т. н. критические эмульсии, образующиеся вблизи критической температуры смешения двух жидких фаз, а также некоторые смазочно-охлаждающие жидкости.
• Лиофобные эмульсии возникают при механическом, акустическом или электрическом эмульгировании (диспергировании), а также вследствие конденсационного образования капель дисперсной фазы в пересыщенных растворах или расплавах. Они термодинамически неустойчивы и длительно существуют лишь в присутствии эмульгаторов — веществ, облегчающих диспергирование и препятствующих коалесценции (слипанию). Эффективные эмульгаторы — мицеллообразующиеПАВ, растворимые высокомолекулярные вещества, некоторые высокодисперсные твёрдые тела.

Получение эмульсий

Эмульсии образуются двумя путями:

Этот метод осуществляется путём медленного прибавления диспергируемого вещества в дисперсную систему в присутствии эмульгатора при непрерывном и сильном перемешивании. Главными факторами, от которых зависит степень дисперсности частиц получаемой эмульсии и её устойчивость, является скорость перемешивания, скорость введения диспергируемого вещества, его количество, природа эмульгатора и его концентрация, температура и pH среды.

• путём образования плёнок и их разрыва на мелкие капли.

Механизм образования состоит в следующем. Жидкость, образующая дисперсную фазу (например, масло), при медленном прибавлении к дисперсионной среде образует плёнку. Эта плёнка разрывается пузырьками воздуха, выходящими из отверстия трубки, которые находятся на дне сосуда. Образуются мелкие единичные капли. Одновременно пузырьки воздуха энергично размешивают всю жидкость и этим самым способствуют дальнейшему эмульгированию. В настоящее время для получения концентрированной эмульсии масла с водой её подвергают действию ультразвука.

Разрушение эмульсий

Эмульсии со временем самопроизвольно разрушаются. На практике иногда возникает необходимость ускорить процесс разрушения эмульсий (в случаях когда наличие эмульсии затрудняет дальнейшую обработку или применение материала). Ускорить процесс разрушения эмульсии можно различными способами:

• Химическое разрушение защитных пленок эмульгатора соответствующим реагентом. Основой метода химического расщепления является нейтрализация отрицательного заряда . На этом принципе основано действие органических деэмульгаторов.
• Прибавление эмульгатора, способного вызвать обращение фаз эмульсии и снижающего этим прочность защитной пленки (стабилизированная натриевым мылом эмульсия типа в/м — при введении солей кальция — будет находится в менее стойком состоянии);
• Адсорбционное замещение эмульгатора более поверхностно-активным веществом, не обладающим способностью образовывать достаточно прочные пленки;
• Термическое разрушение (Расслоение эмульсий нагреванием);
• Механическое воздействие (Отделение сливок от обрата с помощью сепаратора);
• Действие электрического тока или электролитов (Разрушение эмульсий, стабилизированных электрическим зарядом частиц — эмульсии типа вода/ нефть).

Применение эмульсий

Эмульсии широко используют в различных отраслях промышленности:

• Пищевая промышленность (сливочное масло, маргарин);
• Мыловарение;
• Переработка натурального каучука;
• Строительная промышленность (битумные материалы, пропиточные композиции);
• Автомобильная промышленность (получение смазочно-охлаждающих жидкостей);
• Сельское хозяйство (пестицидные препараты);
• Медицина (производство лекарственных и косметических средств);
• Живопись.

Источник