Файл: Конспект подготовлен студентами, не проходил проф. Редактуру и может содержать ошибки. Следите за обновлениями на vk. Comteachinmsu.pdf

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Но в некоторых случаях необходимо разрушение пен: при производстве антибио- тиков, бумаги, сахара, дрожжей, пива, томатного сока, при очистке сточных вод и т.д.). Разрушение пен возможно
1) механическое
2) термическое
3) химическое (пеногасители, антивспениватели – природные жиры и масла,
4) органические кислоты, с пирты и т.д.)
5) акустическое (с помощью ультразвука)
6) электрическое
Системы с газообразной дисперсионной средой
Аэрозоли – ультрамикрогетерогенные (реже - микрогетерогенные) свободнодис- персные системы, в которых частицы дисперсной фазы (твердой или жидкой) рас- пределены (взвешены) в газе.
Аэрозоли по агрегатному состоянию делятся на :
ˆ Туман (Ж/Г)
ˆ Дым, пыль (Т/Г)
ˆ Смог ((Ж+Т)/Г)
По размеру (диаметру) частиц дисперсной фазы
ˆ Пыль (???? > 10
−5
м)
ˆ Туман (???? = 10
−5
÷ 10
−7
м)
ˆ Дым (???? = 10
−5
÷ 10
−9
м
По способу получения (образования) аэрозоли бывают конденсационные и диспер- гационные. Конденсационные методы получения аэрозолей:
ˆ адиабатическое расширение газа (облака)
ˆ смешение газов и паров, имеющих различные температуры (туман)
ˆ охлаждение газовой смеси, содержащей пар
ˆ газовые реакции с образованием нелетучих продуктов
Диспергационные методы:
ˆ измельчение (распыление) твердых (жидких) тел в газовой фазе
98
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ˆ перевод порошков во взвешенное состояние при действии воздушных потоков
Аэрозоли обладают следующими особенностями:
ˆ Оптические: способность к поглощению (черный дым), отражению (белый дым), рассеянию (сизый дым).
ˆ Поверхностные: высокоразвитая поверхность (интенсивные процессы адсорб- ции, горения и т.д.; гигроскопичность).
ˆ Молекулярно-кинетические: движение частиц ДФ в аэрозолях происходит ин- тенсивнее, чем в лиозолях. При ???? > 10
−6
м (????
????????????
>> ????
????????????
) быстрая седиментация частиц; ???? > 10
−8
м (????
????????????
<< ????
????????????
) интенсивная диффузия, вследствие чего про- исходит оседание частиц на стенках сосуда и слипание частиц друг с другом.
ˆ Электрические: ДЭС нет; заряд на частицах возникает за счет неизбиратель- ной адсорбции ионов и носит случайный характер, при этом во времени заряд частиц может изменяться как по величине, так и по знаку.
Разрушение аэрозолей возможно методом осаждения, к которому относятся: инер- ционное осаждение (циклоны), мокрое осаждение (пылеулавливатели, скрубберы,
мокрые циклоны),электростатическое осаждение (пропускание аэрозоля между элек- тродами, создающими поля высокого напряжения) и конденсационный метод пы- леулавливания (коагуляция, седиментация, диффузия к стенкам сосуда и т.д.).
Порошки
Порошки – высококонцентрированные дисперсные системы типа Т/Г. Порошки различаются:
ˆ По форме частиц: равноосные, волокнистые, плоские.
ˆ По межчастичному взаимодействию: связнодисперсные, свободнодисперсные.
ˆ По размерам частиц :песок (10
−5
< ???? < 10
−3
м), пыль (10
−6
< ???? < 10
−5
м),
пудра (???? < 10 6
м) .
К методам получения порошков относят высушивание суспензий, седиментация аэрозолей, измельчение макрообъектов, и конденсация истинного раствора.
Уменьшение радиуса частиц порошка (рост удельной поверхности) приводит к изменению его свойств, таких как:
ˆ интенсификации процессов (растворение, хим. реакция и т.д.)
ˆ усилению яркости окраски материалов.
ˆ повышению качества (функциональных свойств) композиционных материа- лов.
ˆ улучшению вкусовых качеств пищевых продуктов.
99
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ˆ увеличению (интенсификации) слеживаемости.
ˆ уменьшению текучести (сыпучести).
ˆ увеличению прилипаемости к стенкам.
Характерными свойствами порошков являются их способность к течению и рас- пылению, флуидизация (псевдоожижение) и гранулирование Грубодисперсные по- рошки обладают более высокой текучестью, чем высокодисперсные
Особенности распыляемости:
ˆ гидрофобные порошки распыляются лучше гидрофильных (влажная атмо- сфера).
ˆ твердые распыляются лучше мягких.
ˆ монодисперсные распыляются лучше полидисперсных.
Псевдожижение – превращение под влиянием восходящего газового потока слоя порошка в систему, частицы которой находятся во взвешенном состоянии, на- поминающем жидкость («псевдожиженный слой», «кипящий слой»). По мере роста скорости газа (????) толщина слоя порошка начинает возрастать; когда сила гидравли- ческого сопротивления слоя восходящему потоку становится равной весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние.
Линейная скорость роста ожижающего агента, при которой порошок переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения или первой критической скоростью ????
????1
(???? < 10
−3
м,????
????1
∼ ????
; ???? > 10
−3
м, ????
????1
∼
√
????
) При дальнейшем возрастании скорости агента слой разрушается и начинается интен- сивный вынос порошка из аппарата. ????
????2
– скорость уноса или вторая критическая скорость псевдоожижения (????
????2
=10 * ????
????1
. Данная технология реализована в пнев- мотранспорте.
Гранулирование (грануляция) – формирование твердых частиц (гранул) опре- деленной формы и размеров (процесс, обратный флуидизации и распылению).Существует три типа гранулирования:
ˆ сухое гранулирование (обкатывание, окатывание)
ˆ мокрое гранулирование (слеживание с образованием комочков-агрегатов, да- лее – уплотнение агломератов в слое материала)
ˆ прессование
Слеживание порошков является распространенной технологической проблемой. Для предотвращения слеживания в производстве используют следующие технологии:
ˆ гидрофобизация гидрофильных порошков, модификация их с помощью ПАВ
ˆ введение водопоглощающих добавок (хлорид натрия + цеолит)
ˆ гранулирование
100
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ˆ герметизация емкостей
Порошки широко используются в тушении пожаров. В основном порошки ис- пользуемые в пожаротушении, должны выделять углекислый газ при нагревании,
что позволяет эффективно тушить очаги возгорания.
Системы с твердой дисперсионной средой.
Твердые пены представляют собой грубодисперсные высококонцентрированные системы, в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсионной средой является твердое тело; в отличие от жидких пен обладают прочностью и способны противостоять внешнему усилию. Кратность твердых пен определяется аналогично кратности жидких пен: ???? =
????
Γ
+ ????
????
????
????
Пенопласты – пены с изолиро- ванными ячейками. Поропласты – пены с сообщающимися ячейками. Поропласты проницаемы для воды и газов, имеют по сравнению с пенопластами худшие тепло- и электроизоляционные свойства; в то же время обладают высокой звуко- и вибро- изоляционной способностью.
В последнее время увеличивается исследование и применение твердых металличе- ских пен. Чаще всего в качестве металла - пенообразователя используют алюминий,
однако возможно использование и других металлов, таких как титан и тантал.
Металлическая пена отличается следующими свойствами:
ˆ Обладает высокой пористостью
ˆ Очень небольшая масса (75-95 процентов объема составляют ячейки)
ˆ Высокая прочность на сжатие в сочетании с хорошими характеристиками по- глощения энергии
ˆ Относительно высокая эффективная теплопроводность
ˆ Сопротивляемость к высоким давлениям, температурам, влаге и износу
ˆ Низкое удельное сопротивление
Основные области применения таких пен:
ˆ Автомобильная промышленность. Шумоподавление, снижение массы кузова,
улучшение характеристик кузова в плане поглощения энергии
ˆ Авиационно-космическая отрасль
ˆ Судостроение
ˆ Строительство
ˆ Экспериментальное протезирование (костная ткань встаивается в поры, что позволяет со временем полностью восстановить функциональность сустава)
101
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Есть два способа создания таких пен. Первый вариант называется соленая пле- сень: берется крупнозернистая соль, заливается в форму, система нагревается и подвергается давлению. Расплавленный металл заливается в форму и заполняет пространство между зернами соли, и последним этапом заготовку погружают в воду, растворяя соль и оставляя только механическую пену. Другой способ имеет название гипсовая форма: берется пенопласт с открытыми порами, пена заполня- ется растворимой штукатуркой, образуя пластиковые балки, после форма нагрева- ется, при этом пластик расплавляется. Следующим шагом расплавленный металл вдавливается в гипсовую форму различными методами. И последним шагом форму растворяют в воде. Кроме металлических пен, в последнее время широко исследу- ются угольные пены (рис. 81).
Углеродный вспененный материал на основе угля является конструкционным ма- териалом , который является легким, огнестойким поглощающим удары и может быть теплоизоляционным и проводящим конструктом.
Структура таких пен представляет собой жесткие пористые материалы, состоя- щие из взаимосвязанной сети связок. Они могут иметь открытую клеточную струк- туру в которой поры связаны друг с другом, или закрытую структуру, в которой поры изолированы друг от друга .
Рис. 81. Строение углеродных пен
Прекурсором для синтеза углеродных пен с аморфной структурой являются в ос- новном термореактивные смолы, такие как полиуретан. Также возможно создание и стеклоуглеродных пен. Угольные пены получают вспениванием угольных сус- пензий, последующим нагреванием и добавлением смеси оксидов железа и цинка.
Угольные пены являются перспективным материалом в электронике, в связи с ши- роким интервалом изменения электропроводности.
102
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Лекция 12. Коллоидные системы.
Газовые дисперсии. Газовые пузырьки.
Сонолюминесценция
Первые наблюдение и описание поведения газовых дисперсий было проведено еще
Леонардо-Да-Винчи. Он заметил, что пузырьки воздуха в воде с радиусом, больше некоторого значения поднимаются не прямо, а по спирали.
Одним из интереснейших явлений при рассмотрении газовых дисперсий является сонолюминесценция :открытое в начале 20 века явление образование пузырей и их последующее схлопывание в водной среде под воздействием мощной ультразвуковой волны. При этом выделяется большое количество энергии в виде света и тепла.
Рассмотрим механизм данного процесса.
На первой стадии наблюдения волна находится в фазе разрежения, вследствие чего происходит локальное понижение давления, что ведет к образованию пузырь- ка водяного пара. Пузырь растет вплоть до наступления фазы сжатия, во время которой давление резко повышается, что в свою очередь ведет к очень быстрому схлопыванию пузырька и выделению энергии (рис. 82).
Рис. 82. Сонолюминесценция
Примечательным является тот факт, что температуры пузырьков доходят до зна- чений 10 5
????
, что может найти применение во многих сферах производства и наука,
в частности в проведении локальных химических превращений (резкое повышение температуры в очень малом объеме позволяет проводить реакции в условиях, недо- стижимых другими способами).
Кавитация
В большей части случаев кавитацию (образование пузырей в жидкой фазе) воз- можно, видеть в различных областях науки и жизни: в поведении у раков-щелкунов,
103

ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
при использовании струной печати в ультразвуковой диагностике, в некоторых тех- нологиях доставки лекарств, и нанофлюидике.
Кавитация так же происходит в процессе вращении гребных винтов. Высокая
Рис. 83. Кавитация на греном винте энергия образующихся пузырьков, разрушает материал винтов, что является про- блемой, при эксплуатации водного транспорта (рис.83).
Кавитация происходит при струйной печати.Перепад давления на сопле и быст- рая скорость подачи являются инициаторами образования пузырьков, которые мо- гут забить капилляр и вывести конструкцию из строя.
Рис. 84. Газовый пузырь, образовавшийся в сопле принтера
Данное явление является причиной достаточно частого выхода из строя струйных принтеров и постепенного перехода от них к принтерам лазерного типа(рис. 84).
Пузырьки, образующиеся в жидких средах, являются высокоэнергетическими объектами. Например, их энергии достаточно, чтобы прожигать металл, что позво- ляет технологически создавать сито с отверстиями очень маленьких размеров.
При анализе поведения пузырьков мы можем видеть различие в поведении в за- висимости от их размеров. Например, если капли имеют размер порядка 400 мик- рон, то коагуляции не наблюдается, а при размере уже в 200 микрон они довольно активно объединяются в более крупные капли (рис. 86).
104
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТВИЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
Рис. 85. Поведение пузырей при разных размерах
После многочисленного анализа данного процесса было выведено уравнения Рэллея-
Плесета, описывающее поведение пузырьков в жидкости:
????
????
2
????
????????
2
+
3 2
(︂ ????????
????????
)︂
2
+
4????
????
????????
????????
+
2????
????
????
????
+
∆???? (????)
????
????
= 0
(156)
Газовые пузырьки сверхмалых размеров являются перспективным явлением в нано- технологии. С помощью них можно менять поверхность объектов, и кардинально менять поведение и поверхностные свойства частиц. Например, при пропускании пузырьков через среду (гелеобразную систему) поверхность геля модифицируется,
становясь более гидрофобной. Этот эффект может найти применение при создании уникальных гидрофобных поверхностей с заданными свойствами (рис.87).
Рис. 86. Модификация поверхностей кавитацией
Технологии позволяют с помощью накачки энергии (например, лазером) созда- вать пузыри в любой точке среды. Были проведены наблюдения поведения пузыря рядом со стенкой резервуара. В начальный промежуток времени, образовавшийся пузырь растет, но после определенного размера он начинает взаимодействовать со стенкой, буквально расплющиваясь на ней, и выделяя всю накопленную энергию.
Данный эффекты в будущем возможно использовать в технологии прямой достав- ки лекарств в организм. С помощью ультразвука наводится пузырь который разру-
105
ВОЛЬНОЕ ДЕЛО
ФОНД