Характеристика дисперсной фазы

Свойства дисперсных систем в значительной степени опре­деляются концентрацией и диапазоном размеров частиц диспер­сной фазы. Остановимся на характеристике трехмерной диспер­сной фазы. Различают численную v₄, объемную v_o6 и массовую v_m концентрации дисперсной фазы.

Численная (иногда ее называют счетной или частичной) кон­центрация определяется числом частиц N дисперсной фазы в единице объема К_дс дисперсной системы. Она показывает число частиц в I м³:

, м-³. (1.8)

Массовая концентрация характеризует массу дисперсной фазы М_дф в единице объема дисперсной системы:

v_m = М_д. / V _с, кг/м³. (1-9)

Объемная концентрация — величина безразмерная, она по­казывает, какая часть объема дисперсной системы К _с занимает объем дисперсной фазы К_дф:

*<*= К.ф./Ко ^или v_o6=(K₄₎/K_c) 100%. (1.10)

В зависимости от условий и свойств дисперсных систем для выражения концентрации дисперсной фазы используют различные величины. Содержа­ние пыли в воздухе, например, выражают в виде численной или массовой кон­центрации. Численная концентрация мучной пыли может составлять 10³ — 10⁴ частиц на 1 см³, или 10⁹—10¹⁰ частиц на 1 м³. Массовая концентрация частиц мучной пыли диаметром 10 мкм колеблется в пределах 10~⁵ — 10~⁴ кг/м³, или 10—100 мг/м³. Содержание дисперсной фазы в эмульсиях представляют в виде объемной концентрации, которая может колебаться от 0,01 до 99%.

Для перевода численной концентрации в массовую можно воспользовать­ся следующим выражением:

п_м = К,рп_ч, (1.11)

где V., р —объем одной частицы и плотность материала частиц соответственно. В зависимости от концентрации и условий взаимодействия между собой частиц дисперсной фазы различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы. В свободнодисперсных системах частицы способны свободно пере­мещаться друг относительно друга. Связнодисперсные высококонцентрирован­ные системы в отличие от свободнодисперсных образуют структуру и обладают определенной прочностью; подробнее см. гл. 11. В отношении двухмерных пористых систем разработана своя специфическая классификация (см. пара­граф 6.1).

Различают монодисперсные и полидисперсные системы. Моно­дисперсные системы состоят из частиц одного размера. Подоб­ные системы встречаются крайне редко. Можно говорить лишь о системах, близких к монодисперсным. Подавляющее большин­ство дисперсных систем относятся к полидисперсным. Они со­стоят из частиц различного размера.

Системы, дисперсные фазы которых двухмерны или одно­мерны, также могут быть полидисперсными и монодисперсны­ми. Для одномерных систем полидисперсность характеризуется неодинаковой толщиной мембран или пленок (см.рис. 1.3, в), для двухмерных — диаметром капилляра, нити или волокон (см. рис. 1.3, б). Форма нитей, волокон и капилляров, относящихся к двухмерным системам, может отличаться от цилиндрической, а их размеры — изменяться по длине.

Следует подчеркнуть, что монодисперсные системы, которые характеризуются одинаковым размером всех частиц, принадле­жат только к одному классу дисперсных систем (см. табл. 1.3).

Дисперсные системы имеют еще ряд особенностей. Эти осо­бенности заключаются, во-первых, в наличии более двух фаз у некоторых систем и многокомпонентности самих фаз; во-вто­рых, в том, что в процессе получения конечного продукта из сырья происходит изменение агрегатного состояния фаз дисперсных си­стем и типа самой системы.

Так, грунт можно рассматривать как твердую многокомпонентную дисперс­ную систему, включающую образования в виде газа и жидкости с растворен-

ными в ней веществами, т.е. систему Ж,Г/Т. В воздухе находятся жидкие и твердые аэрозольные частицы различного состава, формы и размера; они об­разуют дисперсную систему типа Т,Ж/Г. В естественных водоемах могут воз­никать газовые пузырьки и находиться взвешенные различные твердые и жид­кие частицы, образующие систему Т,Ж,Г/Ж.

При производстве сухого молока распыляют жидкость, которая превраща­ется в твердые частички. В определенный период в воздушной среде могут одновременно находиться раздробленные твердые и жидкие частицы, т.е. об­разуется система типа Т, Ж/Г.

Тесто после замеса представляет собой сложную дисперсную систему, со­стоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. Ее можно представить как систему типа Т, Г, Ж/Т. Зерна крахмала, частички оболочек зерна и набухшие нерастворимые белки составляют твердую фазу. В несвязанной воде находятся в виде растворов минеральные и органические вещества (водорастворимые белки, декстрины, сахара, соли и др.). Часть белков образует коллоидные ра­створы, способные к набуханию. Жир, вносимый в тесто, может находиться в виде капель. Газообразная фаза образуется за счет захвата пузырьков воздуха при замесе и процесса брожения. В результате технологических процессов при производстве продуктов питания может изменяться вид дисперсной системы. Подобное изменение можно проследить на примере выпечки хлеба. Техноло­гический цикл хлебопекарного производства с учетом изменений агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды можно представить сле­дующей схемой:

Мука (Т/Г) -» Тесто (Т, Г, Ж/Т) -> Хлеб (Г/Т).

В случае производства сахара этот цикл выглядит следующим образом: Сахарная свекла (Т, Г/Т) —> Диффузный сок (Т/Ж) —> Сахар-песок (Т/Г).

В такой последовательности изменяется вид дисперсной системы при ок­раске изделий:

Краска (Т, Ж/Ж) —> Образовавшееся покрытие (Т/Т).

В ходе изучения курса мы неоднократно убедимся в том, что дисперсные системы обладают самыми разнообразными свойствами.

Упражнения

1. В соусах диаметр капель эмульсии масла зависит от способа приготовле­ния и при ручном взбалтывании составляет 20 мкм, а при машинном перемешива­нии — 4 мкм. Определить дисперсность, удельную поверхность дисперсной фазы, а. также отношение этих величин, если плотность масла равна 1,1410³ кг/м³.

В соответствии с формулой (1.6) дисперсность определим по уравнениям

/>маш = \1а = 1/(410— ⁶) = 2,5-10⁵м~';

£>рп₌ l/(20-10-⁶) = 5- 10⁴ м-¹. Из формулы (1.7) находим

6 6

_т = 13,6310² м²/кг;

Яр 4,10-1,1-10 28

 

220 1,1 10

Z)^Mam 13,63-10^2

7 = 272,7 м7 кг;

= 5

- = 5.

5-Ю^4

272,7

2. На пакетах молока указано, что содержание жира составляет 3,2%. Оп­ределить объем дисперсной фазы в упаковке вместимостью 1 л и численную кон­центрацию дисперсной фазы, если диаметр жировых капель равен 85 мкм. Чему равна численная концентрация в расчете на 1 м³?

Объем дисперсной фазы (жира) согласно формуле (1.10) составит 32- 10~³ л, или 32-1O-⁶ м³.

3-32 1

Число жировых частиц N_xe 1 л молока можно определить так: N^V^/V^ — объем одной частицы, равный (4/3) лг³, г — радиус частицы. Тогда

= 9,5-10⁷.

4 • 3,14(42,5 10~⁶)

Численная концентрация определяется по формуле (1.8) v = NA0² = 9,9510⁷: 1 = 9,95-10⁷ м~\

ч 1 ' '

3. Массовая концентрация пыли в воздухе рабочих зон помещений составляет 4,2 мг/м³. Определить численную концентрацию пыли, если средний диаметр ча­стиц составляет 3,7 мкм, а их плотность 1,110³ кг/м³.

3-4,2

По формуле (1.11), учитывая, что V_t = (4/3) яг³, находим.

- = l,4410V³.

В 1 м³ воздуха содержится 144 млн. частиц, или в 1 см³ — 144 частиц.

4. Рассчитать удельную поверхность одномерной, двухмерной и трехмерной дисперсной фазы, если диаметр частиц и цилиндра, а так же толщина пленки составляет 10 мкм, а плотность вещества дисперсной фазы — 1,5- 10³ кг/м².

Удельная поверхность равна:

— для одномерной системы (частицы) согласно формуле (1.4)

B_v=— =-------- £------- - = 400 м²/кг,

^ул а-р 10 10"⁶ 1,5 10³

— для двухмерной системы (цилиндра) в соответствии с формулой (1.7, а)

4 4 -,

B_S11 =------ =-------- т------- г = 267 м/ кг,

^у атр 10 10^е 1,5 10³

— для трехмерной системы (пленки) согласно формуле (1.7, б)

B_wl =------ =----------------- г- = 67 м²/ кг.

^у а«р 10-10"⁶ -1,5 10³

При данных условиях максимальная удельная поверхность характерна для трехмерных систем, а минимальная — для одномерных.

Глава 2

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Поверхностными называются явления, которые связаны с особенностями поверхности раздела фаз. Они обусловлены по­верхностной энергией и особыми свойствами дисперсных сис­тем. Поверхностная энергия является избыточной по сравнению с энергией в объеме и сосредоточена на границе раздела фаз. Увеличение поверхности раздела в результате раздробленности дисперсной фазы приводит к росту поверхностной энергии, ко­торая в свою очередь служит причиной интенсификации повер­хностных явлений. Высокие значения поверхностной энергии и поверхностные явления.— это то общее, что объединяет много­численные дисперсные системы.

Поверхностную энергию можно определить на основе тех представлений, которые рассматривались в курсе физической химии, используя понятия о термодинамических функциях со­стояния, в частности об энергии Гиббса и Гельмгольца, о хими­ческом потенциале и некоторые другие.

Поверхностные явления вызваны самопроизвольным сниже­нием поверхностной энергии за счет уменьшения поверхност­ного натяжения и границы раздела фаз.