Способом получения эмульсий является

7.2.3. Методы получения эмульсий

Все методы получения эмульсий, как и любой другой дисперсной системы, можно разделить на конденсационные и диспергационные. Конденсационные методы связаны с образованием капелек эмульсии из отдельных молекул. Таким образом получаются критические эмульсии при выделении капель новой фазы из раствора вблизи критической температуры смешения.

В промышленности и лабораторной практике эмульсии получают диспергированием одной жидкости в другой. В свою очередь, диспергационные методы можно разделить на методы, в основе которых лежит взбалтывание, и методы перемешивания. Диспергирование взбалтыванием производится при возвратно-поступа­тельном движении либо сосуда, в котором находится смесь жидкостей, либо специального приспособления, например, спиральной пружины, находящейся внутри жидкости. Методы перемешивания основаны на использовании лопастных или пропеллерных мешалок. Иногда для приготовления эмульсии используют коллоидные мельницы.

Общим для приготовления любой эмульсии является очередность смешения фаз. Всегда к жидкости, которая должна стать дисперсионной средой, постепенно прибавляется вторая жидкость. Для получения устойчивой эмульсии во внешней фазе уже должен присутствовать стабилизатор. Для облегчения диспергирования следует вводить эмульгатор, причем его можно растворять как в масляной, так и в водной фазе.

Наиболее частой ошибкой при получении эмульсий является неправильный выбор интенсивности механического воздействия. Часто считают, что эмульгирование происходит тем лучше, чем сильнее перемешивается (взбалтывается) смесь жидкостей. В действительности существует некоторая оптимальная интенсивность механического воздействия, выше которой происходит не диспергирование, а наоборот – коалесценция.

Связано это с тем, что, как мы видели выше, устойчивые эмульсии получаются только в присутствии стабилизатора на поверхности капелек и выше определенной критической степени насыщения адсорбционного слоя. Адсорбция, как известно, происходит не мгновенно и для формирования адсорбционного слоя требуется определенный промежуток времени. Если поверхность капель не успевает адсорбировать стабилизатор, то при столкновении капель происходит их слияние. Таким образом, интенсивное перемешивание, сопровождающееся образованием новой поверхности, не имеющей адсорбционного слоя, не способствует эмульгированию. Кроме того, при интенсивном перемешивании возможно разрушение образовавшегося адсорбционного слоя и, следовательно, снижение потенциального барьера коалесценции, в то время как кинетическая энергия капель растет. Все это необходимо учитывать для приготовления устойчивой эмульсии.

Прямые эмульсии из неструктированных — ньютоновских жидкостей, например, бензола или толуола, можно получить путем ритмичного встряхивания их с водными раствором эмульгатора в закрытом сосуде или способом, основанным на возвратно-поступательном движении спирали в смеси жидкостей. Таким путем можно получить даже высококонцентрированные — предельные эмульсии. Предельные эмульсии этих жидкостей с использованием лопастных мешалок получить практически невозможно. Зато этот способ, при умеренной скорости вращения мешалок (80-100 оборотов в минуту) может с успехом применяться для приготовления эмульсий неструктурированных высоковязких жидкостей, например, смол или высокомолекулярных кремнийорганических жидкостей.

При малых градиентах скорости потока усилие передается всем капелькам, они ориентируются вдоль потока, постепенно вытягиваются и деформируются, после чего происходит разрыв с образованием капель меньшего размера. Постепенное образование новой поверхности способствует насыщению адсорбционного слоя, препятствующего слиянию капель. Крупные капли при этом диспергируются до более мелких с образованием практически монодисперсной эмульсии.

Приготовленную механическим путем грубую эмульсию часто подвергают гомогенизации, для чего ее облучают ультразвуком или продавливают под большим давлением через малые отверстия, пропускают через гомогенизатор, работающий по принципу парового свистка. При гомогенизации получают эмульсию с однородными по величине каплями мелкого размера, обладающую высокой кинетической устойчивостью. При гомогенизации также следует выбирать оптимальные условия, иначе можно разрушить эмульсию.

В последнее время пристальное внимание привлекает самопроизвольное эмульгирование в результате массопереноса эмульгатора через поверхность раздела макрофаз. В этом случае используется такой эмульгатор, который обладает растворимостью в обеих жидкостях, но лучше растворим во внешней фазе. Готовится раствор эмульгатора в той жидкости, которая предполагается к эмульгированию, и затем раствор приводится в соприкосновение с внешней фазой. Эмульгатор диффундирует через границу раздела фаз, захватывая мелкие капли внутренней фазы. Получаются очень устойчивые мелкодисперсные или ультрамикроскопические эмульсии. Подобные эмульсии получаются также при изменении температуры эмульсий, стабилизированных неионогенными ПАВ. При низкой температуре эти вещества лучше растворяются в воде и стабилизируют прямые эмульсии, а при высокой температуре их растворимость в углеводороде выше и они стабилизируют обратные эмульсии. Существует определенная температура, зависящая от строения неионогенного ПАВ, выше которой образуется обратная эмульсия, а ниже – прямая. Изменением температуры, таким образом, можно вызвать миграцию стабилизатора из одной фазы в другую, что приведет к образованию ультрамикроэмульсии. Граничная температура носит название температуры инверсии или обращения фаз. При многократной инверсии фаз можно получить многократные эмульсии, когда капли одной фазы будут включать в себя более мелкие капли другой, а те, в свою очередь, могут содержать еще более мелкие капли. Известны, например, пятикратные эмульсии. Такие многократные эмульсии используют для экстракции ценных веществ из мелких капель, например, сточных вод в крупные капли чистой воды через масляную пленку в эмульсиях типа «вода-масло-вода» (в/м/в).

Источник

Эмульсия, свойства и характеристики, типы, получение и разрушение

Эмульсия, свойства и характеристики, типы, получение и разрушение.

Эмульсия – это дисперсная система, т.е. смесь из некоторого количества фаз (тел), не способных раствориться в друг друге или взаимодействовать на уровне химических процессов, а потому сохраняющихся в виде мельчайших капель.

Эмульсия:

Эмульсия, что в переводе с латинского означает «доить», «выдаивать» – это смесь, включающая две или более жидкостей, которые не смешиваются между собой.

Если выражаться научным языком, то эмульсия – это дисперсная система, т.е. смесь из некоторого количества фаз (тел), не способных раствориться в друг друге или взаимодействовать на уровне химических процессов, а потому сохраняющихся в виде мельчайших капель. В классической, двухфазной эмульсии, присутствуют дисперсные:

– фаза – мельчайшие частички определенного жидкого вещества;

– среда – жидкости, в которой эта фаза равномерно распределена.

Чаще всего смеси представляют собой соединение воды и веществ, основанных молекулами со слабой полярностью (липиды, углеводы). Так, ярким классическим примером эмульсии служит молоко – смесь из воды и молочного жира, равномерно распределенного в ней.

Смеси в основном являются дисперсными системами грубого характера, т.к. размер капель, представляющих фазу, колеблется в пределах от 1 до 50 микрометров. Если их концентрация низкая – это говорит о неструктурированном характере, высокая – о наличии четкой структурированной системы.

Свойства и характеристики эмульсий:

Кроме концентрации и непосредственно дисперсности, еще одной ключевой характеристикой эмульсии является ее устойчивость во времени, а также агрегативная устойчивость и наличие эмульгаторов. Все эти факторы позволяют оценить ее конечные свойства.

Дисперсность эмульсии:

Дисперсность эмульсии измеряется в размерах частиц ее фазы, выражается в микрометрах и обычно представляется в виде гистограммы.

Устойчивость эмульсии во времени:

Этот параметр – устойчивость во времени – может быть выражен двумя формами:

– скоростью, с какой эмульсия расслаивается. Смесь оставляют на определенное время и после появления двух разных слоев измеряют высоту либо объем слабополимерной фазы;

– временем, которое «живут» отдельные капли. Используется метод наблюдения под микроскопом, где капля слабополимерной жидкости помещается на самую границу составляющих, а после фиксируется время, требующееся для их слияния.

На практике чаще используется первый метод, как менее затратный и более простой.

Концентрация эмульсии:

Концентрация – это один из основных параметров, определяющих итоговое свойство эмульсии, на котором основана дальнейшая классификация смесей. Соответственно эмульсии могут быть:

– разбавленные;

– концентрированные;

– высококонцентрированные.

Агрегативная устойчивость эмульсии:

Агрегативная устойчивость эмульсии – еще одно свойство, указывающее на способность сохранять во временном промежутке первичные размеры капель, из которых состоит дисперсная фаза. Соответственно различают три вида эмульсии:

– электростатическая эмульсия. Соответствующее поле образуется вокруг капель, составляющих эмульсию, в результате чего появляется энергетическая преграда, которая не позволяет частицам сближаться до того момента, пока сила притяжения превысит электростатическое отталкивание;

– адсорбционно-сольватная эмульсия. Поверхностное натяжение, возникающее на границе среды и фазы, уменьшается благодаря эмульгаторам, которые адсорбируются на поверхности капель, что делает смесь более устойчивой;

– структурно-механическая эмульсия. В этом случае молекулы эмульгатора образуют достаточно плотный слой на поверхности нерастворяющихся капель, что препятствует их слиянию со средой благодаря повышающейся вязкости и упругости.

Чаще всего один из этих видов является основным, а остальные – вспомогательными.

Наличие эмульгаторов:

Устойчивость также зависит от выбора эмульгатора, чья основная задача уменьшить или свести к минимуму энергию , присутствующую на границе раздела среды и фазы, и того, насколько плотно покрыта поверхность эмульсии эмульгаторами.

Эмульгаторы – вещества, обеспечивающие создание эмульсий из несмешивающихся жидкостей. Их наличие необходимо для придания устойчивости концентрированным смесям. Ими могут быть:

– коллоидные поверхностно-активные вещества;

– тонкоизмельченные нерастворимые порошки.

Типы и виды эмульсий:

Основное разделение смесей на типы характеризуется таким параметром, как полярность дисперсных фазы и среды. Это:

– прямые («масло-вода») эмульсии, I рода, где неполярная масса (обычно липидная) распределена в воде;

– обратные («вода-масло») эмульсии, II рода, где вода представляет собой фазу, распределенную в неполярной среде (масляной).

При определении типа эмульсии используют правило Банкрофта – дисперсной средой является та жидкость, входящая в состав эмульсии, которая лучше растворяет эмульгатор или лучше его смачивает, в случае, если это порошок. Однако есть исключение – на 100% это правило работает лишь в случае, когда смесь имеет не более двух компонентов.

В остальных ситуациях используют экспериментальные методики определения типа эмульсии:

1. 1. Разбавление. Капля эмульсии помещается в емкость с водой: если она не распределяется в пробирке, это говорит о типе «вода-масло».
2. 2. Смачивание гидрофобной поверхности. При нанесении капли эмульсии на пластину из парафина при типе «вода-масло» капля начнет растекаться.
3. 3. Определение непрерывной фазы. Рядом с каплей помещают кристаллы водорастворимых красителей и соединяют вещества – при наличии смеси типа «масло-вода» она не окрасится. Для подтверждения результатов проводится повторный опыт с жирорастворимыми красителями.
4. 4. Измерение электропроводности. В смесь помещают электроды и неоновую лампу – если последняя загорится, значит, тип эмульсии – «масло-вода», т.к. вода обладает большей электропроводностью, чем масло .

Также смеси делятся на:

– лиофильные – те, что образуются самостоятельно и имеют устойчивость к термическому воздействию. Обычно это так называемые критические эмульсии, возникающие в местах, где при высоких (критических) температурах смешиваются жидкие дисперсные фазы;

– лиофобные – образующиеся при распаде твердых частиц на мелкие составляющие (эмульгировании) под воздействием механических, акустических или электрических факторов либо как результат конденсации в растворах и сплавах высокой насыщенности.

Отличительная черта лиофобных эмульсий – отсутствие устойчивости к термическому воздействию и возможность длительно существовать исключительно при наличии в составе эмульгаторов.

Способы и методы получения эмульсий:

Любая смесь, включающая в себя две несмешиваемых жидкости, находится в состоянии, устойчивом к воздействию термодинамических сил, но лишь до того момента, пока обе представляют собой сплошной слой: более легкий вверху и более тяжелый – внизу. В тот момент, когда один из этих слоев начинают подвергать дроблению, увеличивается межфазный слой, состоящий из смеси двух жидкостей, что приводит к уменьшению термодинамической устойчивости. При этом чем больше энергии будет затрачено на получение эмульсии (смешивание слоев), тем менее устойчивой она станет. Для того, чтобы повысить последний параметр и используют эмульгаторы, присутствующие во всех смесях, кроме тех, что образуются самостоятельно. Следовательно, практически любая эмульсия – это трехкомпонентная жидкость , одна их которых представлена каплями.

Для получения каждой определенной эмульсии капли должны быть определенных размеров, а их получение проводится двумя методами:

– конденсационным – когда капли выращивают из малых размеров до нужных;

– диспергационным – дроблением больших капель на малые.

Конденсационные способы и методы получения эмульсий:

Конденсация из пара. Пар жидкости, которая станет дисперсной фазой, впрыскивается под поверхность другой, образующей в будущем дисперсную среду. В результате пар насыщается молекулами второй жидкости и в виде конденсата нужных размеров стабилизируется в среде при помощи эмульгатора.

В зависимости от того, с каким давлением будет подаваться пар, а также размера выпускного сопла (диаметра) и выбранного стабилизатора, появится возможность получить капли от 1 до 20 микрометров.

Замена растворителя. Вещество, выбранное в качестве фазы будущей эмульсии, подвергают растворению в определенном растворителе («хорошем»), что позволяет получить истинный раствор . При попытке ввести в получившуюся смесь другой растворитель, не взаимодействующий с первым и портящий его, получится обратный эффект – ранее растворенное вещество снова станет «собираться» в капли.

Диспергационные способы и методы получения эмульсий:

Механический метод. Заключается в непосредственном воздействии на выбранные жидкости для их равномерного смешивания путем дробления более крупных частиц на мелкие. Это может быть классическое смешивание, энергичное встряхивание, гомогенизация и прочее.

Встряхивание обычно не требует применения специальных устройств, т.к. используется для получения небольших объемов и проводится вручную: емкость или пробирку берут в руки и энергично трясут (например, для химических опытов). Смешивание же допустимо и для значительных объемов смесей (в промышленности), поэтому для получения некоторых их них используют специальные аппараты и механизмы. Гомогенизация – это полноценный технологический процесс, требующий наличия специального оборудования . В нем эмульгирование проводится путем пропуска смешанных жидкостей через мелкие отверстия при помощи высокого давления.

Применение ультразвука. Методика заключается в воздействии на смеси высоких частот (20-50 кГц), поэтому подразумевает наличие специализированного оборудования.

Электрические методики. Сложный, но наиболее часто применяемый метод, обладающий рядом преимуществ. При его использовании вещество, подлежащее дроблению, помещается в специальный сосуд, который венчает капиллярная воронка. Последняя соединяется с источником тока (положительный заряд). Сам сосуд подлежит заземлению при помощи помещения в колбу с круглым дном, где присутствует заземленный электрод. В колбу помещается жидкость, которая в будущей эмульсии будет выступать дисперсной средой, а сама смесь образуется методом соединения капель, истекающих из воронки, под воздействием электрического тока.

Размеры частиц в этом методе регулируются величиной зазора между воронкой и жидкостью и, непосредственно, величиной напряжения, и могут достигать 1-10 микрометров. Для повышения устойчивости в эмульсию можно вводить эмульгатор, но большого его количества не требуется. В этом и состоит главный плюс метода – возможность получать сравнительно устойчивые эмульсии обоих типов с высокой монодисперсностью. Из недостатков выделяют невозможность введения эмульгатора в слишком вязкие смеси.

Самопроизвольное эмульгирование. Подразумевает самостоятельное образование смесей, не требующее энергетических затрат, поступающих извне, например, при попадании двух веществ в зону критической температуры.

Методы разрушения эмульсий:

Деэмульгирование – такой же важный процесс, как и создание самой эмульсии. Разрушение полученных смесей достигается двумя методами: сидементацией (осаждением) и коалесценцией.

Сидементация (осаждение):

В реальных эмульсиях окончательного, завершенного разрушения не возникает, а создаются две отдельные эмульсии, причем в одной содержание дисперсной фазы высокое, а в другой – низкое. Более крупные и тяжелые капли фазы опускаются на дно более легкой среды (осаживаются). Для того, чтобы данный процесс прошел быстрее, на предприятиях используют центрифуги.

Коалесценция:

Коалесценция представляет собой процесс, при котором смесь разделяется на отдельные чистые жидкости. Происходит разделение в два этапа:

1. 1. флокуляция – процесс, при котором вещество, представляющее фазу, превращается в рыхлые, хлопковые частицы, легко растворяемые даже при слабом перемешивании эмульсии;
2. 2. непосредственно разделение – образованные на первом этапе частицы превращаются в крупные капли, легко выделяемые в отдельное вещество. При этом разрушить полученные агрегаты и вернуть эмульсии первоначальное состояние практически невозможно, для этого требуется весьма интенсивное перемешивание.

Способы разрушения эмульсий:

Существует несколько техник разрушения эмульсий, при чем использоваться они могут как индивидуально, так и комбинированно.

Химическое разрушение:

Выполняется двумя способами:

– удаление барьеров, своеобразных пленок между слоями смеси, которые препятствуют их смешиванию. Применение специальных химических веществ позволяет нейтрализовать подобную защиту, буквально растворить пленочные барьеры;

– обращение эмульсии. Применение вещества, считающегося обратным помещенному в эмульсию эмульгатору, нейтрализует действие последнего.

Термическое разрушение:

Осуществляется двумя противоположными способами:

– повышение температуры – заключается в доведении эмульсии до ее критически высокой температуры (у каждой смеси она своя) и последующего отстаивания. Метод основан на том, что химические реакции некоторых веществ усиливаются, что влияет на вязкость смеси и состав ее барьерного слоя;

– понижение температуры – в этом случае при замерзании водная часть эмульсии превращается в кристаллы, а масляная – сжимается. Если в искомой жидкости содержаться соли, они тоже могут превратиться в кристаллы, которые, вместе с водяными, «разрывают» защитные пленки , не позволяющие основным компонентам смешиваться.

Осаждение с применением физических сил:

Основано на действии силы тяжести и центробежной силы:

– отстаивание – смеси, состоящие из крупных, грубых масляных фаз, помещают в специальные отстойники не менее, чем на 1 час, при этом более мелкие и мягкие частицы продолжают находиться во взвешенном состоянии;

– использование центрифуг – при стремительном вращении составляющие, обладающие большей тяжестью, смещаются (отталкиваются) к периферии, в то время как более легкие компоненты сосредотачиваются в центре. Методика более распространенная, т.к. дает возможность взаимодействовать с большими объемами эмульсий за краткий период времени – результат достигается в течение нескольких минут.

Электрические способы:

Данные способы эффективны лишь для двух видов эмульсий:

– тех, что содержат в себе заряженные частицы;

– электронейтральных, но способных приобрести дополнительный дипольный момент, который индуцируется в электрическом поле.

Данный способ требует наличия и применения специализированной техники, поэтому используются редко.

Применение эмульсий:

Эмульсия – довольно сложное химическое соединение, но она нашла применение практически во всех современных отраслях промышленности. В первую очередь, это продукты питания – майонез, различные соусы, сливочное масло, и косметика – шампуни, средства для снятия макияжа и ухода за кожей – все это разновидности эмульсий. Незаменимы эмульсии в автомобильной и строительной отраслях – моторные масла, охлаждающие и тормозные жидкости, пропитки и битумные материалы. Также стоит отметить фармацевтику – многие лекарственные препараты, призванные укреплять здоровье и спасать жизнь человека представляют собой эмульсии, о чем большинство людей даже не задумывается.

Источник