Время коагуляции, с О 1 4 10

В качестве заключения отметим, что устойчивость диспе ных систем зависит от многих факторов. В реальных система следует рассматривать эти факторы в совокупности, поэто» проблема оценки устойчивости реальных систем является вычайно сложной.

2. Рассчитать среднее время половинной коагуляции 8_С для высокодисперсной суспензии коалина с учетом следующих данных:

105 255 420 3,90 2,92 2,26

Время коагуляции, с 0

Численная концентрация, 19⁴ м~³ 5,0 Из уравнения (10.16) следует

в s i)₄' т/(\)_ч° - \>

2.92-10^14 255

й 3,9-10"-103 ⁶¹⁰⁵" ЙОЗДЦ?

2,2610^й-420

В

372-f 358^346

3. Определить константу скорости коагуляции золя иодида серебра Agl, если его начальная численная концентрация составляет 3,2 • 19⁴м~³, а время половинной коагуляции в ■= 11.5 с.

По формуле (10.13) находим

9v; ll,53,2.10¹⁴ "'

4. Определить вид коагуляции (быстрая или медленная) путем сопоставления констант скорости коагуляции, полученных расчётным и экспериментальным путем, для золя серы, коагулируемого раствором хлорида алюминия (при Т»

Время коагуляции, с О 1 4 10

Численная концентрация, 19⁷м³ 16,0 1,78 0,50 0,20

По формуле (10.19) рассчитываем тооретическое значение константы скорости коагуляции:

 

Упражнения

1. Определить скорость оседания частиц радиусом Юмкм, образующихся i помола зерен кофе в воде (г\ ^я 1,0-1О~³ Пас) и в воздухе (г\ = 1,811(F П$ плотность кофе р** 1,1-19 кг/м³, воды и воздуха при 293 К V19 кг/м³ и 1,205 кг/м соответственно.

Из формулы (10.8) следует

²

Согласно формуле (10.16) к

(16,0-1,78)

Vjvjc

в водной среде

в воздушной среде (р₀ ^в 0)

2-3J4(1010^)'U10³9,8

М/с

,_OV/C.

*э*с < ^лтеор» ^те- выполняется условие (10.20), соответствующее медленной коагуляции.

5. Как изменится порог коагуляции золя As^j, если для коагуляции 10- 10~⁶ м³ золя потребуется, 1,2>10~⁶м³ раствора NaCl концентрацией 0,5 кмоль/м³? Определите порог коагуляции под действием раствора MgCl₂, концентрацией 0,036 кмоль/м³. (его потребуется 0,4- 10~⁶ м³ на 10- 10~⁶ м³ золя) и раствора А1С1₃, концентрацией 0,01 кмоль/м³ (его потребуется 0,1 • 10~⁶ м? на 10 • 10~⁶ м³ золя). Проверить выполнение условия (10.41).

Воспользуемся формулой (10.42) с_ПК=—.

= 610^акмощ,/м';

1010"* C^a:C^a2:C^h =610-²:1,4410"³:10"⁴ =1:0,024:0,0017.

Из полученных данных следует, что условие (10.41) удовлетворительно выполняется.

Глава 11

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Свойства дисперсных систем определяются числом частиц дисперсной фазы. Если частиц много, между ними возникают контакт и взаимодействие, образуется структура, которая сооб­щает системе прочность. Дисперсные системы приобретают спо­собность сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. В определенных условиях может происходить течение этих систем. Подобные системы изучаются при помощи мето­дов реологии — науки о деформации и течении тел.

Закономерности структурообразования, совокупность меха­нических и реологических свойств, к которым относятся вязкость, упругость, пластичность и прочность, объединены общим тер­мином — структурно-механические свойства дисперсных систем. Эти свойства изучает физико-химическая механика, которая представляет один из разделов коллоидной химии. Физико-хи­мическая механика — пограничная область науки, возникшая на стыке физической химии, физики твердого тела и механики

материалов; основные ее положения были разработаны акаде­миком П.А.Ребиндером.

Следует различать структурно-механические свойства упру-говязкопластических тел (теста, битума, асфальта) и сыпучих материалов (муки, крупы, цемента, бетона и др.)

Методы физико-химической механики позволяют регулиро­вать эти свойства и создавать продукцию требуемой структуры.

Образование, особенности и разрушение структурированных систем

Свойства дисперсных систем помимо других факторов зависят от числа частиц дисперсной фазы, т.е. от численной концентра­ции. Если взаимодействие между частицами практически исклю­чено и частицы способны к взаимному перемещению, то положе-ение их в дисперсной системе не фиксируется, и под действием внешних факторов (например, гравитации) частицы могут дви­гаться. Такие системы называют свободнодисперсными.

Свободнодисперсные системы — это системы, в которых час­тицы дисперсной фазы в состоянии свободно перемещаться по всему объему системы. Такие системы возникают тогда, когда между частицами отсутствует контакт (рис. 11.1, а). Свободно-дисперсные системы текут подобно любой жидкости или газу. Наличие частиц дисперсной фазы приводит лищь к некоторому росту вязкости системы по сравнению с вязкостью дисперсион­ной среды.

При увеличении числа частиц и сил взаимодействия между ними дисперсная система образует структуру (см. рис. 11.1, б), которая представляет собой пространственный каркас, состоя­щий из частиц дисперсной фазы и заполненный дисперсионной средой.

Различают упорядоченную и неупорядоченную структуры: в первом случае частицы, составляющие структуру, находятся в определенном порядке, а во втором частицы в структуре располо­жены хаотически. Еще раз подчеркнем, что отличительный при­знак пространственной структуры — непосредственная связь меж­ду частицами.

Системы, в которых частицы дисперсной фазы связаны между собой и не способны перемещаться относительно друг друга, называют связнодысперсными. Связнодисперсные системы образу­ют кондитерские массы, кирпич, бетонные изделия и др. Связно-дисперсные системы в отличие от свободнодисперсных обладают новым качеством — прочностью. Они способны, подобно твердо­му телу, противодействовать в определенных условиях внешнему

усилию. Если под действием внешней нагрузки, например давле­ния, свободнодисперсные системы текут, то связнодисперсные системы могут сохранять свою форму. Связнодисперсные системы обладают определенными механическими свойствами, к которым помимо прочности относятся упругость, вязкость и пластичность. Совокупность механических свойств, обусловленных структурой, называют структурно-механическими.

Между частицами связнодисперсных систем существует не­посредственный контакт (рис. 11.2) и возникает связь. В зависи­мости от природы связи различают коагуляционные и конден-сационно-кристаллизационные контакты. Взаимодействие час­тиц в коагуляционных контактах может происходить непосред­ственно (а) или через прослойку жидкости (б). Граница раздела фаз между частицами сохраняется. Связь частиц в коагуляцион­ных контактах структуры осуществляется, в частности, за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Эти силы определяют­ся по формуле (10.23), а сам контакт локализуется на небольшой поверхности (точечный контакт). Коагуляционные структуры яв­ляются тиксотропными, после разрушения они способны само­произвольно восстанавливаться с течением времени. Таким об­разом, тиксотропия — это способность структурированных сис­тем восстанавливаться после разрушения.

Аморфные частицы в некоторых условиях могут образовывать конденсационные, а кристаллические частицы — кристаллизационные контакты, которые называют фазовыми контактами. В конденсационно-кристаллизационных контактах и структурах между частицами образуются мостики; возможно даже срастание частиц (см. рис. 11.2, в). В фазовых контактах взаимодействие между частицами вызвано когезионными силами на

Рис. 11.1. Свободнодисперсная (а) и связнодисперсная (б)

Системы

Рис. 11.2. Контакты между частицами:

а, б — коагуляционные: непосредственный (а) и через прослойку жидкости (б); в — конденсационно-кристаллизационный

Значительной площади, соизмеримой с размерами частиц. Связь между частицами значительно превышает межмолекулярное взаимодействие коагуляционных структур. Конденсационно-кристаллизационные структуры не обладают тиксотропией — после разрушения такие структуры неспособны самопроизвольно восстанавливаться.

Сила взаимодействия двух частиц радиусом 1 мкм для коагуляционных контактов составляет 10~⁹—10~⁷ Н; в случае конденсационно-кристаллизационных контактов эта сила может увеличиваться до 10~³Н, т.е. на несколько порядков.

В процессе термообработки при выпечке хлебобулочных изделий, например печенья, галет и крекера, возникают конденсационные структуры. Измельчение сахара-песка для превращения его в сахарную пудру сопровождается разрушением необратимых кристаллизационных структур. При переработке какао-бобов происходит их измельчение, перемешивание с какао-маслом и образование коагуляционных структур. После охлаждения и получения готовых шоколадных изделий образуются преимущественно конденсационно-кристаллизационные структуры.

Структурированные системы способны к деформации, про­стейшие виды которой растяжение (рис. 11.3, а) и сдвиг (рис. 11.3, б). Деформация определяется безразмерной величиной у. Она равна отношению Ах/х: при растяжении — удлинению Ах образца, а при сдвиге — перемещению Ах, отнесенному к первоначальному раз­меру образца х, т.е. у = Ах/х иу= Ах/х (см. рис. 11.3, а и б — соответственно).

Рис. 11.3. Виды деформации: а — растяжение; б — сдвиг Рис. 11.4. Зависимость приложенной от нагрузки деформации

Деформация у зависит от приложенного к телу напряже­ния, измеряемого в Па и рав­ного внешней силе на единице поверхности тела, к которому приложена эта сила. Эта зави­симость при­ведена на рис. 11.4. Сначала *~ (участок I) имеет место прямо про­порциональная зависи­мость между Р и у, что ха­рактерно для упругой де­формации.

Вязкость, Пас 35,6 1,7 8 0,11 0,03

Из приведенных данных следует, что вязкость подсолнечного масла может изменяться в 10⁴ раз.

Изменение вязкости широко используется на практике. Для перекачки связнодисперсных систем необходимо создать такую скорость, которая соответствовала бы минимальной вязкости. Это позволит осуществлять транспортировку продукта по трубопроводу с минимальными затратами внешнего усилия. При перевозке в емкости, наоборот, требуется, чтобы продукт был структурированным и имел максимальную вязкость.

Некоторые связнодисперсные сыпучие материалы, обладающие повышенной аутогезией, не подчиняются двучленному закону трения. Для подобных материалов соотношение между сопротивлением сдвига и давлением выражается не прямой, а выпуклой кривой линией.

При помощи двучленного закона трения можно определить состояние сыпучих материалов. Прямая 2 на рис. 11.7 является своеобразной разграничительной линией, которая позволяет характеризовать состояние сыпучих материалов. Когда точки, характеризующие зависимость между F^x и Р_вд, находятся ниже этой линии, то сыпучий материал образует одну сплошную мас­су. Внешнее усилие не в состоянии преодолеть аутогезию и тре- | ние. Перемещения частиц внутри сыпучего материала не проис* ходит, что соответствует статическому состоянию этого матери­ала. Зависимость между F]^ и Р_вд, которая выражается прямой 2, соответствует началу течения сыпучего материала. Выше этой | прямой сыпучий материал находится в состоянии движения.

Движение сыпучего материала может быть вызвано внешней силой, направленной тангенциально относительно плоскости пере­мещения F\^ (см. рис. 11.6). Начало движения сыпучего материала и его течение связаны с перемещением одного слоя частиц относи­тельно другого {аутогезионный процесс движения) и относительно твердой поверхности (адгезионный процесс движения). Протекание адгезионного или аутогезионного процесса зависит от соотношения между силами адгезии, аутогезии, внешнего воздействия и трения.

Адгезионное перемещение означает движение сыпучего ма­териала параллельно поверхности по линии АА (см. рис. 11.6, в) и выполняется при условии

(11.18)

С > F^x > С.

Аут отр а

Аутогезионное перемещение осуществляется по линии ББ (см. рис, 11.6, в) при соблюдении следующего неравенства:

С_а>^_тр>С_аут. (11.19)

В условиях (11.18) и (11.19) вместо сил адгезии и аутогезии функционирует сцепление, которое в соответствии с уравнени­ями (11.16) и (11.17) включает в себя параметры не только адге­зии и аутогезии, но и трения.

Если аутогезия и адгезия соизмеримы (прямые 2' и 3' на рис. 11.2) между собой, то возможно смешанное адгезионно-ауто-гезионное перемещение сыпучего материала. Подобное переме­щение наблюдается также на шероховатых поверхностях.

Начало и процесс движения сыпучего материала с учетом ад­гезии, аутогезии и трения характеризуется двучленным законом трения, который можно представить аналитически [см. формулы (11.14) и (11.15)] и графически (см. прямые 2п Зна рис. 11.7).

Движение сыпучей массы можно представить следующим образом. Если аутогезия превышает адгезию, то соблюдается условие (11.18), и в начале движения преодолевается относитель­но слабое адгезионное взаимодействие. Сыпучий материал бу­дет перемещаться по поверхности, что соответствует линии АА на рис. 11.6, в.

Когда адгезия (прямая 3 на рис. 11.7) больше аутогезии (пря­мая 2) и реализуется условие (11.19), то произойдет нарушение более слабой аутогезионной связи, и движение будет происхо­дить, внутри сыпучего материала, т.е. по линии ББ (см. рис. 11.6). На поверхности в результате повышенной адгезии образуется слой прилипших частиц. В случае равенства адгезии и аутогезии воз­можно одновременное перемещение сыпучего материала по по­верхности и относительно прилипшего слоя.

Так, например, для пшеничной муки при движении ее по стальной поверхности прямые 2' и J¹ на рис. 11.7 совпадают. Подобное совпадение означает, что сцепление, вызванное адгезией С_ш и аугогезией С_аут, одно и то же. Условия (11.18) и (11.19) не соблюдаются, и в связи с этим возможен смешанный адгезионно-аутогезионный отрыв и соответствующее перемещение муки. Часть муки может прилипнуть к стальной поверхности, а остальная часть будет свободна. Прилипший слой впоследствии может уплотниться и превратиться в монолит. Это обстоятельство приводит к затруднению движения муки, ухудшает условия истечения ее и может служить одной из причин сводообразования.

Для предотвращения адгезии муки и создания условий движения ее только по поверхности необходимо обеспечить соблюдение неравенства (11.18). Этого можно достигнуть путем снижения адгезии, а следовательно, и сцепления С_а.

Таблица 11.1

Все способы борьбы со слеживанием можно условно разделить на две большие группы: активные и пассивные. Активными они называются потому, что предотвращают слеживание. Они воздействуют на сыпучий материал до начала слеживания; без применения этих способов продукт неизбежно слежался бы. Для пассивных способов характерны возврат уже слежавшемуся продукту исходной текучести или снижение отрицательного влияния слеживания.

К активным методам борьбы со слеживанием следует отнести гранулирование (укрупнение размеров частиц) за счет образования гранул или

Структурно-механические свойства сыпучих материалов, находящихся в бункере, соотношение между адгезией и аутогезией могут изменяться в зависимости от времени хранения, наличия влаги, внешнего давления и других факторов. Все это характеризует сложность и неоднозначность процесса слеживания даже в одних и тех же условиях.

В зависимости от практических требований, свойств сыпучих материалов и условий производства можно изменять соотношения между адгезией и аутогезией частиц и тем самым регулировать структурно-механические свойства этих масс, а также их статическое и динамическое состояния. Основные направления подобной регулировки сводятся к следующим: подбор поверхностей, отличающихся различной адгезионной способностью; изменение аутогезии путем укрупнения частиц и введения наполнителей; варьирование внешними условиями и физико-химическими свойствами продуктов; применение ПАВ.

Упражнения

1. Определите вязкость водной суспензии при 293 К, если концентрация частиц
дисперсной системы составляет 5% от объема дисперсной системы (считать, что
частицы имеют сферическую форму, а вязкость воды равна 1,005-10~³ Пас).

Воспользуемся формулой Эйнштейна (11.7):

Л = ЛоО + *v_o6) = 1,ОО51О-³(1 + 2,5-0,05) = 1,33 10³ Пас.

2. Вязкость сливочного масла при 293 К и содержании влаги 1% составляет
9,510⁵ Па- с, а модуль Юнга — 19-10* Па. Мясной фарш при содержании влаги
70% имеет модуль Юнга 6,8 10* Па, а вязкость — 0,75-10⁵ Па- с. Определить к
какой группе структурированных пищевых масс относятся сливочное масло и мясной
фарш.

Найдем отношение х\/Е; которое равно для сливочного масла х\/Е = (9,5 -W)/(191(P) = 50 с; для мясного фарша ц/Е = (0,75-10⁵) / (6,810³) = 11 с. В соответстви с табл 11.1 сливочное масло и мясной фарш относятся к связнодисперсным системам (10 < ц/Е < 100).

3. Коэффициент внешнего трения речного песка, принадлежащего к
свободнодисперсным материалам, при движении по стали составляет 0,43, по
бетону — 0,58. Определите изменение внешнего усилия, необходимого для
перемещения одной и той же массы продукта при одинаковом внешнем воздействии
на различных поверхностях.

Согласно закону трения Амонтона [формула (11.13)] можно записать

0,43

' '

Усилие сдвига, необходимое для преодоления аутогезии, незначительно, оно всего в 1.25 раза превышает усилия для преодоления адгезии. Поэтому можно предположить адгезионный (адгезия меньше аутогезии) или адгезионно-аутогезионный характер движения муки.

Г л а в а 12

ПОЛУЧЕНИЕ И ОЧИСТКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

В любой отрасли промышленности специалист сталкивается с проблемой получения дисперсных систем. Для этой цели ис­пользуют различные методы, но все они сводятся либо к дробле­нию крупных кусков вещества до требуемой дисперсности, либо к объединению молекул или ионов в агрегаты дисперсной фазы. В соответствии с этим следует рассмотреть методы получения систем путем диспергирования и конденсации.

В основе этих методов лежат два противоположных процес­са, приводящих к одному и тому же результату — образованию дисперсных систем.

Условие (12.3) лежит в основе всех процессов диспергирования, в том числе и технологии многих отраслей агропромышленного комплекса (мукомольная, крупяная, комбикормовая, крахмалопа-точная и др.), связанных с получением исходных продуктов.

Соотношения (12.1)—(12.3) характеризуют условия диспер­гирования, однако эти условия являются необходимыми, но не всегда достаточными. В некоторых случаях на границе раздела фаз могут образовываться адсорбционные слои, которые снижа­ют (иногда существенно) затраты энергии на диспергирование лиофобных систем.

Диспергирование

В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы дис­пергирование достигается измельчением, распиливанием и бар-ботажем. Характеристика основных способов диспергирования, применяемых в промышленности, приведена в табл. 12.1.

Измельчение является основным технологическим процессом мукомольного производства. Измельчение вымытого картофеля — один из важнейших циклов картофельно-крахмального производства. В процессе измельчения происходят вскрытие клеток картофельного клубня и освобождение зерен крахмала.

Измельчение часто осуществляется постадийно, т.е. сначала одним способом получают крупные частицы, а затем другим дробят их на более мелкие.

Кроме способов, перечисленых в табл. 12.1, диспергирование осуществляется с помощью акустических в том числе и ультразву­ковых и электрических установок. Ультразвуковые способы реа­лизуются с помощью аппаратов,оснащенных магнитострйкцион-ными преобразователями, свистками и другими генераторами ультразвука. Действие ультразвукового поля по диспергированию основано на явлении кавитации-образовании заполненных газом полостей, захлопывании их и возникновении упругой волны. Электрические аппараты сообщают избыток электрических заря­дов распыляемой жидкости, что приводит к отталкиванию одно­именных зарядов и дроблению жидкости на капли.

Диспергирование характеризуется степенью диспергирования. Она определяется отношением размеров исходного продукт^ и частиц дисперсной фазы полученной системы. Степень дис­пергирования можно выразить следующим образом:

где d_H; d_K; В_н; 2?_к; V_H; V_K — соответственно диаметр, площадь поверхности* объем частиц до и после диспергирования.

Таким образом, степень диспергирования может быть выра­жена в единицах размера (ос,), площади поверхности (а₂) иди объема (а₃) частиц дисперсной фазы, т.е. может быть линейной, поверхностной или объемной.

Соотношение между ними можно показать на следующем примере. В ре­зультате измельчения сахара-песка с размером частиц й_щ - 10 мм в сахарную пудру с размером частиц eL = 10 мкм получаются следующие значения степени диспергирования: а, = 10* а₂ = 10^би otj = 10⁹. Степень диспергирования а₃, которая применительно к картофельно-крахмальному производству характе­ризуется как отношение объема вскрытых клеток крахмала к общему объему крахмала в картофеле, колеблется в пределах 80—100.

Для коллоидной химии как науки о поверхностных явлениях большее значение имеет степень диспергирования, выраженная через поверхность раздела дисперсной фазы с дисперсионной средой, — а₂.

Работа W, необходимая для диспергирования твердого тела или жидкости, затрачивается на деформирование тела W_R и на образование новой поверхности раздела фаз W_a, которая изме­ряется работой адгезии. Деформирование является необходимой

 

предпосылкой разрушения тела. Согласно ПА.Ребиндеру рабо­та диспергирования определяется по формуле;

V, (12.5)

где о* — величина, пропорциональная или равная поверхностному натяжению на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой; АВ — увеличение поверхности раздела фаз в результате диспергирования; К— объем исходного тела до диспергирования; к — коэффициент, эквивалентный работе деформирования единицы объема тела.

При дроблении одного килограмма сахара в пудру величина Д2? равна 500 — 5 = 495 м², а а* = 400 мДж/м². Рассчитанная по формуле (12.5) работа образования новой поверхности после диспергирования W равна 198 Дж/м²; это примерно соответствует энергии, необходимой для испарения 0,1 кг воды. При учете огромных масштабов производства и широкого применений дис­пергирования неудивительным становится тот факт, что на получение дисперсных систем расходуется примерно 5% от общего потребления энергии в промышленности.

При помощи методов коллоидной химии можно в некоторых случаях существенно (до 50%) снижать затраты энергии, необхо­димые для диспергидрвания. К числу таких методов относится адсорбционное понижение прочности (см. параграф 6.3). В резуль­тате адсорбции ПАВ на поверхности твердого тела снижается меж­фазовое поверхностное натяжение [величина а* в формуле (12.5)], облегчается деформирование твердого тела (уменьшается коэффи­циент к этой формулы). По этой причине небольшие добавки ПАВ, всего до 0,1% по отношению к массе продукта, позволяют значи­тельно снизить расход энергии на диспергирование.

Снижение энергии диспергирования достигается за счет со­четания различных методов (например, помбл с одновременной вибрацией), проведения процесса в жидкой Среде с использова­нием ударной силы потока жидкости, а таюке за счет способов, о которых речь шла ранее.

Условие (12.11) аналогично условию (12.8) с той лишь разницей, что в них значения химического потенциала имеют неодинаковый физический смысл. Идентичность этих условий по форме свидетельствует об универсальности химического потенциала как фактора интенсивности любого физико-химического процесса.

Возможность изотермической перегонки следует также из тех процессов, которые характеризуют давление насыщенного пара над выпуклой поверхностью [см. рис. 2.6, формулу (2.26)]. Давление насыщенных паров, а следовательно и их концентрация над мелкими каплями будут значительно больше по сравнению с давлением и концентрацией паров над крупными. Избыток паров будет перемещаться в сторону крупных капель и конденсироваться на них. Пополнение пара над мелкими каплями происходит в результате их дальнейшего испарения вплоть до окончательного исчезновения. По этой причине изотермическая перегонка является разновидностью конденсационных методов.

В заключение отметим, что в отличие от диспергирования конденсационные методы позволяют получать дисперсные сис­темы, состоящие из мелких частиц дисперсной фазы. Поэтому высокодисперсные системы, в том числе и кбллоидные pactbo-ры, чаще получают методами конденсации.

В технике применяют полимерные, ионообменные, ядерные, жидкие и динамические мембраны. В качестве материалов для мембран используют полимеры: полиуретан, поливиниловый спирт, поливинилкарбонат, полиамид, полиэтилен, сложные эфиры целлюлозы и др. Кроме того, мембраны могут быть изготовлены из пористого стекла.

Один из способов длительного хранения фруктов и овощей основан на применении газоселективных мембран. Такие мембраны ограничивают поступление кислорода в емкость, но пропускают диоксид углерода. Содержание кислорода в емкости снижается с 21 до 2%, а диоксида углерода — увеличивается с 0,03 до 3,5%. Под таким своеобразным наркозом фрукты могут храниться несколько месяцев. Газоселективные мембраны монтируются в полиэтиленовые мешки, крышки тары, трубы буртов и в различные емкости с продукцией.

Диализ и электродиализ применяют в промышленности для очистки различных веществ,например, при производстве искусственных волокон (отделение отмываемой щелочи от гемицеллюлозы), для очистки желатина, а так же при изготовлении лекарственных препаратов.

Ионообменные мембраны представляют собой композиции из высокодисперсного порошка и эластичного инертного наполнителя, который служит для фиксации порошка. Сама момбрана является дисперсной системой типа Т/Т. Ионит в мембране обеспечивает униполярную, т.е. по одному из видов иона — катиона или аниона, — проводимость мембраны. Такая мембрана обладает уникальной способностью избирательного извлечения ионов.

Динамические мембраны образуются при осаждении высокодисперсных раздробленных материалов (крахмал, желатин) на пористых перегородках, например из ацетата целлюлозы. Без высокодисперсных материалов перегородки не обладали бы свойствами мембран.

Жидкие мембраны составляют не смешивающуюся с водой органическую фазу, которая разделяет два водных раствора. Собственно органическая фаза и выполняет функцию мембраны. В качестве этой фазы могут быть полярные (нитробензол, хлороформ) и неполярные (бензол, предельные углеводороды керосин) жидкости.

В последнее время с использованием ядерной технологии можно получить ядерные фильтры — мембраны нового поколения. Ускорение, получаемое тяжелыми ионами, масса которых превышает массу ядра гелия, может быть использовано для изготовления калиброванных сит. Своеобразные микроиглы проходят сквозь пленку облучаемого вещества (слюда, стекло, полимер) и образуют каналы. Размеры их могут быть от 0,1 до 5 нм в зависимости от толщины пленки. Полученные таким образом мембраны называют ядерными фильтрами. При помощи ядерных фильтров можно получать сверхчистые вещества.

С помощью биологических мембран можно установить причины возникновения некоторых сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний и разработать методы их лечения, а так же совершенствовать технологию создания искусственных органов в трансплантологии, иммунологии, эмбриологии и др.; биологические мембраны способствуют развитию таких направлений как биоэнергетика и использование солнечной энергии.

Мембранный катализ основан на избирательном переносе через мембрану как катализатор вещества,участвующего в реакции. Он позволяет перейти к непрерывным и малостадийным процессам при производстве химических реактивов, душистых веществ, лекарственных препаратов и других продуктов высокой чистоты; при этом устраняются потери ценных метериалов, уменьшается число технологических операций и количество отходов.

Ультрафильтрация позволяет удалить избыток воды из фруктовых соков, сиропов и экстрактов; выход фруктовых соков из исходного продукта увеличивается до 95—99%. В молочной промышленности ультрафйльтрация дает возможность получать молочные концентраты и очищать их от примесей, ускорять процесс выделки сыров и улучшать их вкусовые качества. Ультрафильтрация широко применяется для получения творога, кисломолочных продуктов, молочных каш детского питания и других подобных продуктов. В пивоваренной промышленности при помощи ультрафильтрации извлекают из пива бактерии и ВМС.

В процессе приготовления виноградных вин при использовании обратного осмоса через мембрану проходят вода и этиловый спирт, а ионы калия и винная кислота остаются в концентрате, из которого выпадает осадок примеси — винного камня. После удаления винного камня смешивают фильтрат и концентрат, что повышает стабильность продукта и увеличивает срок его. хранения: В результате применения обратного осмоса происходит концентрирование яичного белка без денатурирования в нем протеинов, т.е. при сохранении необходимых качеств продукта с содержанием протеинов до 30%. Мембраны в пищевой промышленности используют для стабилизации соков биологических сред, выделения белка, очистки воды.

Мембранная технология — одно из ведущих направлений научно-технического прогресса.

Упражнения

1. Чему будет равна работа адгезии для самопроизвольного диспергирования одного вещества в другом, если работа когезии W_K диспергируемого вещества равна 120 мДж/м²?

В случае самопроизвольного диспергирования AS > О, а работа адгезии согласно равенству (12.2) составит W_a > 120 мДж/м², т.е. должна превышать работу когезии.

Определите линейную, поверхностную и объемную степени диспергирования при получении муки из зерна, считая, что размер частиц муки и зерна приведен к эквивалентному диаметру, равному 38 шкм и 2,27 мм соответственно. Согласно условию (12.4) находим

Раздел третий

Виды

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

 

Степень диспергирования равна: линейная — 59,7; поверхностная — 3,518-10³; объемная - 2,13210⁵.

3. Определите давление, необходимое для обратного осмоса через мембрану раствора глюкозы концентрацией 0,5 кмоль/м, если перепад давления Ар составляет 4-10^s Па. Размер молекул глюкозы равен 1 нм, а ее плотность 1,2- 1(Р кг/м² при температуре 293 К.

Из условия (12,13} следует, что р = Д/> + я.

Осмотическое давление [см. формулу (9.13)] вычисляется так:

3-0,5-10³ -8,314-297. ₅

I 4-3,14(10-⁹)³-U-10³-6,022-10*

Р = 410⁵ + 4,08 10⁵ = 8,0810⁵ Па.

Несмотря на общность, которая изложена в первых двух раз­делах и присуща всем дисперсным системам, каждая из диспер­сных систем имеет свои особенности. Эти особенности опреде­ляются, во-первых, различным агрегатным состоянием диспер­сной фазы и дисперсионной среды (классификация подобных систем приведена в табл. 1.1.), а, во-вторых, размерами частиц дисперсной фазы (см. табл. 1.3). Специфические коллоидно-химические свойства характерны для высокомолекулярных со­единений (ВМС), к числу которых относятся и белки, а так же для коллоидных ПАВ.

Материал предыдущих разделов позволяет обобщить спосо­бы определения размера частиц, важнейшего количественного параметра дисперсных систем, и изложить характерные особен­ности различных типов этих систем.

Содержание раздела позволяет:

? уяснить, суть интегральных и дифференциальных кривых
распределения частиц по размерам [рис. 13.1 и 13.2, фор­
мулы (13.1)— (13.5)], способы приведения размера частиц
неправильной формы к среднему и эквивалентному раз­
меру [рис. 13.3, формулы (13.2)—(13.5)], особенности оп­
тических методов дисперсионного анализа [микроскопи­
ей, ультрамикроскопией, нефелометрией и турбидиметри-
ей; рис. 13.4—13.6, формулы (13.7)—(13.17)], а так же се­
диментацией [рис. 13.7, формулы (13.18)—(13.20)];

? представить отличительные признаки золей и суспензий
[рис. 14, формула (14.1)];

? рассмотреть эмульсии, а имейно: типы (рис. 15.1), выра­
жение для концентрации дисперсной фазы [формула (15.1)],
условия адсорбции ПАВ на границе M-4J [рис. 15.3, фор­
мула (15.5)], критерии устойчивости [формулы (15.2)—
(15.4)], устойчивость за счет ПАВ [рис. 15.2 и 15.3, форму­
ла (15.5)] и порошков (рис. 15.4), обращение фаз (рис. 15.5)
и гомогенизацию;