Практическое применение поверхностных явлений и дисперсных систем

 

Планета Земля, её атмосфера, гидросфера, литосфера, биосфера – гигантские по своим масштабам дисперсные системы. Растения, животные (включая человека), микробы – сложнейшие коллоидные системы. Строительные материалы, медицинские препараты, продукты питания в значительной степени представлены дисперсными системами.

В технологических процессах используют поверхностные явления и дисперсные системы: катализаторы, адсорбенты, эмульсии и суспензии в полимеризации. Промышленное производство муки, крахмала, паст, кремов, мыла, стирального порошка, лекарственных препаратов и других дисперсных материалов осуществляется в громадных масштабах.

Широко используются коагуляционные структуры. К ним относятся гели – структурированные твердообразные дисперсные системы, в каркасе которых содержится жидкая дисперсионная среда. Высушенный гель, из которого удалена дисперсионная среда, переходит в состояние ксерогеля. Уголь, торф, картон, древесина, бумага, ткани, кожа, глина и многие другие материалы относятся к гелям или ксерогелям.

Конденсационно-кристаллизационные структуры образуются в результате химического взаимодействия частиц дисперсной фазы. Твердение воздушных и гидравлических вяжущих веществ завершается кристаллизационным структурообразованием. Например, смешение порошка строительного гипса с водой вызывает формирование на воздухе гидратированной ионной кристаллической структуры CaSO₄×2H₂O(т) в результате реакции:

CaSO₄×0.5H₂O(т) + 1.5H₂O(ж) ® CaSO₄×2H₂O(т).

Кристаллическая структура бетона формируется при замешивании цемента с песком и водой.

Ниже будут рассмотрены микрогетерогенные дисперсные системы: аэрозоли, порошки, суспензии, эмульсии, пены, сплавы и композиционные материалы, свойства которых широко используются в практической деятельности человека.

 

Получение дисперсных систем

Природные дисперсные системы, такие, как пыль, дым, туман, донный ил, мутная вода, снег, кварцевый песок, образуются в результате испарения, трения, конденсации и других физико-химических процессов, происходящих на планете.

Искусственные дисперсные системы получают двумя путями: диспергационным методом – измельчением твердых и жидких тел в дисперсионной среде и конденсационным методом – образованием в гомогенной среде новой фазы.

Диспергационные методы

Диспергационные методы – способы дробления вещества для получения высоко-, средне- и грубодисперсных систем. Они включают механическое, ультразвуковое и электрическое дробление. Механическое диспергирование осуществляется в дробилках и мельницах путем истирания, удара, дробления или комбинации этих действий (рис. 39, а). Ультразвуковое диспергирование происходит при воздействии ультразвуковых колебаний на смесь нерастворимых друг в друге жидкостей или смеси твердого тела с жидкостью. При прохождении ультразвуковой волны в смеси веществ возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения, вызываюшие разрушение частиц вещества.

Электрическое диспергирование позволяет получать высокодисперсные системы (золи). Для получения золей металлов к металлическим электродам, опущенным в воду, подводят постоянный электрический ток, сближают электроды до образования электрической дуги. Так получают, например, золь золота (рис. 39, б).

Рис. 39. Схемы диспергаторов: а) механическое диспергирование; б) электрическое диспергирование

 

Конденсационные методы

Объединение молекул или ионов в частицы дисперсной фазы и превращение гомогенной в гетерогенную систему происходит в результате физической или химической конденсации. При физической конденсации в газе частицы дисперсной фазы формируются в результате понижения температуры. Так происходит образование частиц твердого углекислого газа при работе углекислотного огнетушителя. Газ, выбрасываемый через форсунку огнетушителя, мгновенно расширяется и охлаждается в воздухе до температур ниже –78^оС (адиабатический процесс), превращаясь в аэрозоль.

В случае химической конденсации для получения дисперсных систем используют разнообразные химические реакции, в которых образуются нерастворимые в жидкости частицы (например, частицы AgI) или взвешенные частицы (NH₄Cl) в газе:

AgNO₃(р-р) + KI(р-р) ® AgI(т)¯ + KNO₃(р-р)

NH₃(г) + HCl(г) ® NH₄Cl(т) ¯

 

Аэрозоли

Аэрозоли – средне- и грубодисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой (Т/Г или Ж/Г). Это свободнодисперсные системы. Диаметр (d) твердых частиц или капель жидкости в газе изменяется в диапазоне от 10^-9 до 10^-5 м и более. Например:

пыль (d > 10^-5 м),

туман (d = 10^-5 – 10^-7 м),

дым (d = 10^-5 – 10^-9 м).

Появление тумана (Ж/Г), дыма, пыли (Т/Г) свидетельствуют о том, что атмосфера насыщена аэрозолями. Смена времен года сопровождается выпадением дождя или снега, которые представляют собой дисперсную фазу. Выхлопные газы авто- и авиатранспорта, тепловых электростанций выбрасываются в воздух в виде аэрозолей.

Табачный дым, попадающий в легкие человека, имеет размеры частиц, лежащие в интервале 10^-7 – 10^-6 м. Он содержит вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Оседая в легких, твердые обуглившиеся частицы табачного дыма представляют серьезную опасность для здоровья (они способны вызвать рак легких). За годы курения розовые легкие курящего человека становятся серыми и никакие фильтры не избавляют их от осадка вредных веществ.

Защита атмосферного воздуха от выбросов аэрозолей промышленных предприятий осуществляется главным образом с помощью центробежных отделителей (циклонов) или электрофильтров (рис. 40, а,б).

Рис. 40. Системы улавливания пыли: а) в циклоне; б) в электрофильтре; 1, 2 – входной и выходной патрубки; 3 – пылевой бункер: 4 – корпус

 

При очистке газа с помощью циклона (рис. 40, а), насыщенный пылью газ поступает по входному патрубку (1) в корпус циклона (4) и движется со все возрастающей скоростью от периферии к центру. Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенке и падают в бункер (3), а чистый воздух по внутренней восходящей спирали выходит наружу через выходной патрубок (2).

Улавливание пыли с помощью электрофильтра (рис. 40, б) осуществляется следующим образом. Дым пропускают между электродами с высокой разностью потенциалов, обеспечивающих при коронном разряде большой поток электронов от катода к аноду. Ионизация молекул газа сопровождается адсорбцией отрицательно заряженных ионов на частицах пыли. Частицы осаждаются на аноде и, потеряв заряд, оседают в бункере.

Аэрозоли широко применяются в быту в виде баллончиков, содержащих готовые к распылению лаки и краски, а также пены для бритья, дезодоранты, духи, одеколоны, туалетную воду. В медицине используются ингаляторы для распыления капель лекарства в период приступа удушья у астматиков, а также при заболеваниях носа и горла.

Для пожаротушения используют аэрозольные баллоны, содержащие порошок или углекислый газ. При работе названных устройств аэрозоль образуется в момент применения порошкового или углекислотного огнетушителя.

 

Порошки

Порошки –средне- и грубодисперсные системы с высокой концентрацией твердой дисперсной фазы в газе (Т/Г). К порошкам относятся песчаные карьеры, грунтовые дороги, сугробы снега, все сыпучие материалы (табл. 3).

Т а б л и ц а 3