Даниловская Л. П. / Лекция 19. Эмульсии

Лекция 19 КХ21.

Тема лекции: «Микро-гетерогенные системы. Свойства эмульсий»

Содержание лекции: Прямые и обратные эмульсии. Роль эмульгатора. Концентрация и методы получения эмульсий. Техника деэмульгирования. Примеры.

Эмульсии

- это дисперсные системы, состоящие из двух несмешивающихся или ограниченно смешивающихся жидкостей, одна из которых диспергирована в другой в виде весьма мелких капелек (радиус от 0,1 до 10 мкм).

Чаще всего, одна из жидких фаз – вода, а другая – органическая неполярная жидкость, которая называется в общем случае маслом. Масло – это, например, жидкий жир, нефть, бензол, керосин, бензин и т.д.

Одна из первых изученных эмульсий — молоко. В нём капли молочного жира распределены в водной среде.

Эмульсии относятся обычно к грубодисперсным системам, поскольку капельки дисперсной фазы имеют размеры от 1 до 50 мкм. Эмульсии низкой концентрации — неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии — структурированные системы.

В зависимости от соотношения объемов жидких фаз и физических условий встречаются эмульсии: прямые – «м/в» и обратные - «в/м».

Как следует из рисунка, в прямых эмульсиях капельки неполярной жидкости (масла) распределены в полярной жидкости (воде). В обратных эмульсиях дисперсионная среда неполярна, а дисперсная фаза – капельки воды – полярны.

Всякая устойчивая эмульсия содержит третий компонент, придающий ей агрегативную устойчивость. Он называется эмульгатором. Наиболее распространенными эмульгаторами являются неорганические электролиты, ПАВ, высокомолекулярные соединения или высокодисперсные порошки, частицы которых различным образом смачиваются водой и маслом.

Как видно из рисунка, (см. выше) в качестве стабилизатора – эмульгатора использовано ПАВ, молекулы которого, как известно, имеют полярную и неполярную части. Они адсорбированы на границе раздела фаз «вода – масло» так, что полярная часть молекулы обращена к полярным молекулам воды, а неполярная часть – к неполярным молекулам масла. Таким образом, капли дисперсной фазы обволакиваются молекулами ПАВ и при этом (в соответствие с природой ПАВ) уменьшается межфазовое поверхностное натяжение. Стабильность капель повышается.

Эмульсия в результате приобретает агрегативную устойчивость, так как капли в присутствии ПАВ не слипаются друг с другом.

По концентрации дисперсной фазы С_ф в общем объеме эмульсии

различают эмульсии:

- обычные (или разбавленные) - С_ф менее 0,1% ;

- концентрированные – С_ф менее 74% ;

- высоконцентрированные - С_ф более 74%.

Частицы дисперсной фазы разбавленных эмульсий имеют сферическую форму и поэтому разбавленные эмульсии относительно устойчивы. Вероятность столкновения капель в них незначительна. Однако, при увеличении концентрации дисперсной фазы свыше 74% наблюдается деформация тонких пленок жидкости, обрамляющих капли дисперсной фазы. Сферичность капель нарушается, и они превращаются в многогранники. Искажение формы вызвано тем, что многогранники могут быть плотнее упакованы, чем сферы. (Для шаров одинакового размера плотная упаковка дает 74% общего объема системы, а 26% - это промежутки между сферами, т.е. дисперсионная среда.)

Высококонцентрированные эмульсии могут содержать до 99% частиц дисперсной фазы, они имеют плотную консистенцию и способны сохранять определенную форму. Например, мази содержат в качестве дисперсной фазы вазелин или ланолин, а дисперсионной средой являются водные растворы лекарственных препаратов. Иногда в растворы вводят лекарственный порошок. Так получают сложные системы типа: « ж/ж, т».

Эмульсии образуются двумя путями:

• путём дробления капель.

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.

Рассмотрим примеры, при которых важным фактором является процесс стабилизации эмульсий.

1. Относительная устойчивость эмульсий молока и сливок объясняется экранированием наружной поверхности жировых частиц адсорбционными слоями молекул белков, которые играют роль эмульгаторов.

2. В организме человека происходит диспергирование растительных масел и животных жиров, которые, в отличие от молока, сметаны и сливочного масла не являются эмульсиями. Животные жиры особенно трудно перевариваются организмом. При механическом перемешивании жирной пищи в желудке и в кишечнике образуются высокодисперсные эмульсии типа «м/в». Эти процессы протекают в присутствии эмульгатора – холевой кислоты, которую в организме вырабатывает желчь. Затем эмульсия поступает в кровь и лимфу, далее она усваивается организмом.

3. Моющее действие мыла обусловлено его способностью стабилизировать дисперсную систему с гидрофобными частицами загрязнений. Все синтетические моющие средства (СМС) содержат вещества, подобные стеарату натрия, который является ПАВ. Водные растворы ПАВ обладают моющим действием, которое может быть представлено как совокупность процессов, приводящих к удалению загрязнений с различных поверхностей.

Упрощенно стадии моющего действия можно представить так: при адсорбции ПАВ уменьшается поверхностное натяжение и улучшается смачиваемость поверхности загрязнений. В результате загрязнения теряют связь с поверхностью – они отмываются. Далее в процессе дробления загрязнений при стирке образуются мелкие частицы грязи, которые переходят в раствор. При этом молекулы ПАВ окружают частицы грязи, придают им заряд и стабилизируют тем самым образовавшуюся эмульсию (или суспензию). Так происходит удержание частиц грязи в моющем растворе и предотвращение их оседания на отмываемую поверхность.

4. Одним из наиболее эффективных методов рассеивания крупных разливов нефти

в воду является диспергирование нефти – создание эмульсий.

При растекании нефти по поверхности воды образуется неустойчивая прямая эмульсия, в которой капельки нефти находятся в морской воде.

Для ускорения диспергирования нефти с борта судна или с воздуха наносят специальные высокоэффективные ПАВ (диспергаторы), резко снижающие поверхностное натяжение на границе вода-нефть. При этом происходит почти самопроизвольное образование очень мелкодисперсных эмульсий с диаметром капель около 1 мкм. Только такие эмульсии обеспечивают неприлипаемость к перьям птиц, к гальке и другим предметам. Чем меньше капельки нефти, тем быстрее они рассеиваются в толще морской воды и окисляются там биологически.

Процессы деэмульгирования – это методы разрушения эмульсий.

Разрушение эмульсий может быть достигнуто двумя путями: седиментацией и коалесценцией.

Коалесценция — слияние частиц (например, капель или пузырей) внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности тела. Коалесценция сопровождается укрупнением капель (пузырей) и обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения. Это самопроизвольный процесс.

Коалесценция эмульсий – полное их разрушение, когда отдельные компоненты выделяются в чистом виде.

Техника разрушения 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 плёнок эмульгатора соответствующим реагентом. Основой химического метода является нейтрализация отрицательного заряда. На этом принципе основано действие органических деэмульгаторов;

• Адсорбционное замещение эмульгатора  другим, более активным ПАВ, но не обладающим способностью образовывать достаточно прочные плёнки;

• Термическое разрушение (расслоение эмульсий нагреванием);

• Механическое воздействие (отделение сливок молока от обрата с помощью сепаратора - в поле действия центробежных сил);

• Действие электрического тока или электролитов (разрушение эмульсий, стабилизированных электрическим зарядом частиц — эмульсии типа вода/ нефть).

Рассмотрим примеры деэмульгирования в технике.

1. При транспортировке нефти в танках нефтеналивных судов - после опорожнения танка на его стенках остается часть нефти (на крупном танкере до 500 тонн). Ранее нефть смывали струей воды, а смесь выливали в море. Очевидны потери нефти и вредное воздействие ее на морские водоемы. Для предотвращения этих последствий поверхность танка с оставшейся нефтяной пленкой обрабатывается водным раствором моющего ПАВ (0,1%), что способствует более эффективному смыванию нефти. Образуется неустойчивая прямая эмульсия «в/м», точнее, «раствор ПАВ + нефть». Такую эмульсию разрушают добавками специальных деэмульгаторов. Далее эмульсию отстаивают, а образовавшийся в результате седиментации слой нефти используют по назначению. Так регенерируют сотни тонн нефти.

2. Высокая устойчивость сырой (обводненной) нефти обусловлена наличием природных эмульгаторов – смол и асфальтенов, содержащихся в нефти. Такая обратная эмульсия (в/м) создается в результате смешивания глубоко под землей пластовой воды и относительно вязкой нефти. Одна из первых стадий при переработке обводненной нефти – ее обезвоживание, т.е. разрушение эмульсии, отделение и удаление воды.

Химические методы основаны на использовании деэмульгаторов. К ним относятся поверхностно-активные вещества, которые адсорбируются на поверхности капель воды и образуют адсорбционный слой со значительно меньшей механической прочностью. Это облегчает слияние капель – коалесценцию и способствует разрушению нефтяных эмульсий. Эффект деэмульгирования зависит от интенсивности перемешивания деэмульгатора с эмульсией и от температуры смеси.

Деэмульгатор должен: быть высокоактивным при малых удельных его расходах; хорошо растворяться в воде или нефти; быть дешевым и транспортабельным; не ухудшать качества нефти; не менять своих свойств при изменении температуры.

Для обезвоживания нефти используют также седиментацию (гравитационный отстой) и электрический метод, осуществляемый в специальных аппаратах.

3. Сточные воды различных промышленных предприятий являются часто одновременно и суспензиями, и эмульсиями. Состав токсичной дисперсной фазы и присутствующие эмульгаторы при этом весьма разнообразны. Сложность проблемы очистки сточных вод состоит в подборе эффективного, дешевого и нетоксичного деэмульгатора. Такого, который позволил бы быстро и достаточно полно отделить конкретные загрязнения от сточной воды.

Применение эмульсий

Эмульсии широко используют в различных отраслях промышленности:

• Пищевая промышленность (сливочное масло, маргарин, майонез);

• Производство каучука из латекса;

• Строительная промышленность (битумные материалы, пропиточные композиции);

• Металлообработка (смазочно-охлаждающие жидкости);

• Сельское хозяйство (пестицидные препараты, млечный сок растений);

• Медицина (производство лекарственных и косметических средств – микстуры, кремы, мази, и др.)

Вопросы 1-10 для самоконтроля к лекции 19 КХ по теме: «Микро-гетерогенные системы. Свойства эмульсий»

1. Какие системы называются эмульсиями, как они классифицируются?

2. В чем отличие прямых эмульсий от обратных? Какой третий компонент обязателен для агрегативно-устойчивой эмульсии?

3. Как ориентированы молекулы ПАВ на границе раздела фаз в устойчивой эмульсии? Поверхностное натяжение при этом увеличивается или уменьшается?

4. Как различается форма капель в высококонцентрированных и в разбавленных эмульсиях? Какие из них являются структурированными системами?

5. Опишите некоторые из методов получения эмульсий.

6. Приведите 2-3 примера процессов, при которых важно обеспечить стабильность эмульсии.

7. Какие процессы происходят при разрушении эмульсий? Определите термин: коалесценция. Чем она отличается от коагуляции?

8. Назовите методы ускорения процесса разрушения эмульсий.

9. Приведите примеры технических процессов, где используют деэмульгаторы.

10. Перечислите широко используемые эмульсии.