Практическое применение эмульсий

Эмульсии имеют чрезвычайно широкое применение, причем.не только созданные руками человека, но иприродные, среди которых в первую очередь следует выделить молоко, предназначенное природой для вскармливания потомства и содержащее все необходимое для растущего организма, желток яйца, играющего аналогичную роль, млечный сок растений и т. д. Значение этих природных эмульсий трудно переоценить. Человек научился использовать их непосредственно, перерабатывать, получая из них массу продуктов и изделий. Но, вероятно, более важным является то, что человек, разобравшись в преимуществах эмульгированного состояния, смог искусственно получать эмульсии и использовать их в различных областях. Отметим основные из них.

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Многие пищевые продукты являются эмульсиями. Это, в первую очередь, связано с тем, что жиры, являясь необходимой составной частью питания, нерастворимы в водной среде, поэтому они усваиваются организмом только в эмульгированном состоянии. Если же жир попадает в организм не в виде эмульсии, например, съели кусок свиного сала, то организм сам, растопив жир, проводит процесс эмульгирования, который происходит вначале в желудке, а затем – в двенадцатиперстной кишке, куда поступает желчь, содержащая холеные кислоты, являющиеся исключительно хорошими эмульгаторами. Понятно, что все это требует от организма дополнительной затраты энергии, избежать которой можно, используя в пищу эмульсии: сливочное масло, майонез, соусы и т. д.

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Многие лекарства готовят в виде эмульсий, причем, как правило, внутрь принимают эмульсии М/В, а наружные средства представляют собой обратные эмульсии (В/М).

ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

С эмульсиями имеют дело при проведении различных синтезов, эмульсии образуются также в экстракционных аппаратах, при процессах перемешивания. Эмульсии применяют для получения пористых органических сорбентов, мембран, пленок.

К современным направлениям химической технологии относится эмульсионная полимеризация – полимеризация в каплях дисперсной фазы – основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилхлорида, поливинилацетата, полиметилметакрилата и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эмульсии – это микрогетерогенные системы, состоящие из двух нерастворимых или ограниченно растворимых жидкостей (Ж/Ж).

В зависимости от природы дисперсной фазы и дисперсионной среды эмульсии подразделяются на прямые (М/В) и обратные (В/М). Определить тип эмульсии можно исходя из того, что в первом случае непрерывной средой является вода, а во втором случае – масло, а это резко сказывается на электропроводности, природе растворяемых красителей и других свойствах.

Большинство эмульсий относятся к лиофобным системам и являются термодинамически неустойчивыми. Для их стабилизации используются специальные вещества – эмульгаторы. В качестве эмульгаторов применяют неорганические электролиты, коллоидные ПАВ, ВМС, высокодисперсные порошки.

Устойчивость эмульсий зависит от межфазового поверхностного натяжения. В тех случаях, когда по тем или иным причинам поверхностное натяжение мало, эмульсия образуется самопроизвольно (без эмульгатора) и является термодинамически устойчивой.

От природы эмульгатора зависит не только устойчивость, но и тип образующейся эмульсии. При изменении природы эмульгатора может происходить обращение фаз эмульсии (переход М/В В/М или обратно).

В зависимости от концентрации дисперсной фазы эмульсии делятся на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.

Разбавленные эмульсии по своим свойствам близки к лиофобным золям:

• вследствие малых размеров частиц они седиментационно устойчивы;

• проявляются молекулярно – кинетические свойства – броуновское

движение, диффузия;

• рассеивают падающий свет;

• коагулируют (коалесцируют) под действием электролитов в соответствии с правилом Шульце – Гарди. Концентрированные эмульсии седиментационно неустойчивы – вследствие высокой концентрации капли находятся в контакте и легко наступает коалесценция. Устойчивость таких эмульсий зависит только от эмульгатора.

Высококонцентрированные эмульсии – по своим свойствам сходны со структурированными коллоидными системами – гелями.

Для разрушения эмульсий применяются седиментация, коалесценция, химические, термические, электрические методы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие системы называются эмульсиями? Как они классифицируются?

2. Какие факторы агрегативной устойчивости эмульсии

вы знаете?

3. Какие вы знаете типы эмульгаторов? Какие факторы устойчивости

играют главную роль в случае разных эмульгаторов?

4. Сформулируйте правило Банкрофта.

5. Как определить тип эмульсии?

6. Что называется обращением фаз эмульсии?

7. Какие существуют методы разрушения эмульсии?

8. Перечислите области практического использования эмульсий.

9. Почему лекарственные препараты, предназначенные для наружного

применения, готовят в виде обратных эмульсий, а принимаемые внутрь

– в виде прямых эмульсий?

Изучив содержание главы 16, вы должны знать:

•классификацию эмульсий;

• свойства разбавленных, концентрированных и высококонцентрирован –

ных эмульсий;

• типы эмульгаторов и основные факторы устойчивости;

• способы получения и разрушения эмульсий.

ГЛАВА 17

ПЕНЫ

Пены – это грубодисперсные высококонцентрированные системы, в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсионной средой – жидкость в виде тонких пленок.

Условно пены обозначаются в виде дроби: Г/Ж. В приведенном выше определении термин «грубодисперсные» обозначает, что пузырьки газа могут иметь и макроразмеры вплоть до 10 см. Слово «высококонцентрированная* означает, что в системе концентрация пузырьков газа (c_d) должна быть больше, чем 74% (объемных). В этом случае пузырьки газа имеют не сферическую форму, а форму многогранников. Если пена монодисперсна, т. е. все пузырьки газа имеют одинаковые размеры, то каждый пузырек газа имеет форму правильного пентагонального додекаэдра – двенадцатигранника, любая сторона которого представляет собой правильный пятиугольник (рис. 17.1).

Многогранные пузырьки газа разделены тонкими прослойками жидкой дисперсионной среды. В зона соприкосновения трех пленок, принадлежащих трем соприкасающимся пузырькам, образуется канал Плато (по имени известного бельгийского ученого Ж. Плато, занимавшегося исследованием устойчивости дисперсных систем), В плоскости рисунка (рис. 17.2) канал имеет форму зазора между тремя соприкасающимися цилиндрами – пузырьками газа.

Так как натяжение пленок = 2 ( – поверхностное натяжение жидкости) одинаково, силы натяжения их в одной плоскости уравновешиваются только при одинаковых углах (120°) между пленками (первое правило Плато).

В каждой вершине многогранника (ячейки) сходятся четыре канала, образуя угол, равный 109°28' (второе правило Плато). Место пересечения каналов называется узлом. Каналы пронизывают всю структуру пены, представляя собой цельную систему. Получается пространственная конструкция, в разрезе похожая на пчелиные соты. Такая пена характеризуется минимальной поверхностной энергией, следовательно, она наиболее устойчива.

Если же пена полидисперсна (пузырьки газа имеют разные размеры), форма правильного пентагонального додекаэдра нарушается, что приводит к снижению устойчивости.

Следует отметить, что если бы концентрация дисперсной фазы была меньше 74% (объемных) – пузырьки газа имели бы сферическую форму, и толщина жидких прослоек была бы соизмерима с размерами газовых пузырьков, мы имели бы систему, называемую газовой эмульсией. Примерами газовых эмульсий являются газированная вода, шампанское в бокале и т. д. Газовые эмульсии, в отличие от пен, являются бесструктурными системами.

Несмотря на то, что пузырьки газа могут иметь макроразмеры, пена является микрогетерогенной системой. Это обусловлено тем, что дисперсионная среда (жидкость) хотя и является непрерывной, представляет собой тонкие пленки, имеющие микроразмеры (пленки часто обнаруживают интерференцию – радужную окраску, что показывает, что толщина пленки соизмерима с длиной световой волны). Это дало основание П. А. Ребиндеру определить пены как пластинчато – диспергированную жидкость в газе.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕН

Классификация пен часто основывается на такой важной характеристике как кратность пены:

где V – объем пены, V – объем жидкости, которая использована для получения пены. Оба объема легко измерить.

ГОСТ определяет условия, при которых следует определять кратность пены. В градуированный цилиндр емкостью 1000 см³ следует налить 98 см³ воды и 2 см³ пенообразователя, закрыть пробкой и встряхивать в течение 30 с (двумя руками держать с торцов в горизонтальном положении и встряхивать вдоль оси цилиндра). Поставить на стол, вынуть пробку, измерить объем пены. Отношение объема пены к объему раствора (100 см³) и есть кратность иены.

Таким образом, кратность пены показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидкости. Если кратность пены 10, пены называют жидкими, а если в пределах 10 1000 – сухими.

В строительстве и производстве стройматериалов используют пены с от 5 до 10, в прачечных – с кратностью 10 20, Для пожаротушения применяют пены с от 70 до 90. Известны также пены с кратностью до 1000,

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕН

Установлено, что образование сколько – нибудь устойчивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену можно получить только в присутствии специального вещества стабилизатора, часто называемого пенообразователем.

Основные стадии образования пены можно проследить на примере поведения нескольких пузырьков газа, всплывающих в воде, содержащей пенообразователь. В качестве пенообразователя возьмем ПАВ. Как только в таком растворе появятся пузырьки газа, на их поверхности начнут адсорбироваться молекулы ПАВ и образуют евоеобразную «шубу», состоящую из одного слоя молекул. Всплывая, каждый пузырек достигает поверхности жидкости, давит на нее, растягивает и образует полусферический купол. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к растущей поверхности, адсорбируются на ней, предотвращал разрыв пленки жидкости. Таким образом, пузырек оказывается окруженным оболочкой уже из двух монослоев пенообразователя, между которыми находится пленка жидкости.

Адсорбционные слои ПАВ обеспечивают длительное существование возникающих пленок. Увеличение числа пузырьков на поверхности раствора приводит к их сближению, при этом форма пузырьков постепенно переходит из сферической в многогранную, а толщина жидких перегородок уменьшается, возникают тонкие жидкие пленки. В результате на поверхности раствора сначала образуется монослой газовых пузырьков, затем формируются последующие слои, что приводит к возникновению объемной пены, В результате вся жидкость превращается в пену.

Пену, как любую дисперсную систему, можно получить двумя путями: из грубодисперсных систем, используя диспергационные методы, и из истинных растворов с помощью конденсационных методов.

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Эти методы основаны на дроблении газа на пузырьки при подаче его в раствор пенообразователя. Обычно небольшие порции газа вводят в раствор и дробят их до мелких пузырьков. Легче всего этого добиться, продувая газ через трубку, опущенную в жидкость.

В промышленности обычно используют следующие принципы.

1. Прохождение струй газа через жидкость в аэрационных и барботажных установках, в аппаратах с «пенным слоем», в пеногенераторах с сеткой, орошаемой раствором пенообразователя.

2. Действием движущихся устройств на жидкость или движущейся жидкости на преграду (в технических аппаратах с быстроходными мешалками; при взбивании, встряхивании, переливании растворов).

3. Эжектирование (франц. `еjection – выбрасывание) воздуха движущейся струей раствора в пеногенераторах.

В настоящее время в технике пены готовят, в основном, диспергационными методами. Во всем мире непрерывно ведется разработка более эффективного оборудования.

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

В этих случаях будущая газовая фаза вначале присутствует в виде отдельных молекул, из которых затем образуются пузырьки. Конденсационный способ пенообразования можно осуществить четырьмя путями.

Первый путь – изменить параметры физического состояния системы:

• понижая давление пара над раствором;

• повышая температуру раствора.

Этот метод почти мгновенного вспенивания служит наглядной иллюстрацией закона: растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и понижении температуры. Если снизить давление и увеличить температуру, газ, растворенный в жидкости, сразу начнет выделяться из нее и, если жидкость содержит пенообразователь, образуется пена. Стойкость пены зависит от свойств и концентрации пенообразователя. Так, лимонад почти не содержит веществ, которые могут играть роль пенообразователей, поэтому, когда мы наливаем его из бутылки в стакан, возникающая на поверхности жидкости пена почти мгновенно разрушается. Другое дело пиво, которое содержит много пенообразователей.

Аналогичная картина наблюдается при кипячении жидкостей. Если кипящая жидкость содержит пенообразователь, то на ее поверхности образуется пена, объем и стойкость которой зависят от природы и концентрации пенообразователя. Достаточно сравнить кипящую воду и кипящее молоко – обильная пена, возникающая над последним, переливается через край кастрюли, попадает на раскаленную плиту и превращается в аэрозоль, который образуется из продуктов горения пены.

Второй путь – провести химическую реакцию, сопровождающуюся выделением газа. Примерами могут служить взаимодействие соды с кислотой, пероксида водорода с перманганатом калия, разложение карбоната аммония. Этот путь используется при приготовлении пресного теста, когда в качестве разрыхлителя используют питьевую соду NаНСО₃ или карбонат аммония (NH₄)₂CO₃

2NaHCO₃ + 2Н⁺ = Na₂CO₃ + Н₂О + CO₂.

(NH₄)₂CO₃ + 2Н⁺ = 2NH₃ + H₂O + CO₂.

Эти реакции протекают в кислой среде, поэтому в муку добавляют лимонную кислоту или смешивают с ней разрыхлитель, готовя так называемый пекарский порошок.

Третий путь – использовать микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением газов, чаще всего СО₂.,

Таким путем получают дрожжевое тесто – под действием дрожжей идет спиртовое брожение гексоз:

С₆Н₁₂О₆2СО₂ – +2С₂Н₅ОН.

Выделяющийся углекислый газ обусловливает разрыхление теста, оно увеличивается в объеме в несколько раз. При производстве пива углекислый газ также образуется в результате микробиологического процесса.

Четвертый путь связан с электрохимическими процессами. При электролизе воды на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. За счет пузырьков газа в присутствии ПАВ, вводимого в раствор, образуется пена. Этот метод используется при электрофлотации.

Конденсационные методы широко применяются в пищевой промышленности, при производстве пенопласт – масс, в бытовых огнетушителях, в технологии производства пенобетона.