Классификация способов получения дисперсных систем

•; Дисперсные системы могут быть созданы самой природой или получены искусственно в результате различных процессов.

Дисперсные системы, составляющие весь растительный и жи­вотный мир, возникают при его зарождении. Грунт формирует­ся в результате тысячелетних процессов, которые происходили при образовании планеты Земля.

В некоторых отраслях промышленности дисперсные систе­мы создаются искусственно. Получение дисперсных систем орга­нически входит в технологический цикл производства.

Образование дисперсных систем может осуществляться без изменения поверхностной энергии, когда уже раздробленная дисперсная фаза одной системы смешивается с дисперсной фа­зой другой. Подобный процесс, например, имеет место при приготовлении продукции из смеси различных компонентов комбикормов, детского питания, цемента, бетона и др.

В большинстве случаев для получения дисперсных систем необходимы затраты внешней энергии. Классификация спосо­бов получения подобных систем приведена на рис. 12.1.

Получение дисперсных систем

Диспергиро­вание

Укрупнение частиц за счет конденсационных процессов

Кристаллиза­ция (Т/Ж, Т/Г)

Изотер­мичес­кая пе­регонка

Физичес­кая (Т/Г, Ж/Г, Т/Ж, Ж/Ж)

Замена раствори­теля (Ж/Ж, Ж/Г)

Распыли- вание (Ж/Г, Ж/Ж)

Все способы искусственного получения дисперсных систем можно разделить на две группы (рис. 12.2). Первая из них осно­вана на диспергировании, т.е. на получении мелких частиц дис­персной фазы из сплошного и крупного по размерам тела; вто­рая, наоборот, связана с укрупнением частиц молекулярного размера до размеров частиц дисперсной фазы и появлением гра­ницы раздела фаз.

Рис. 12.1. Классификация способов получения дисперсных систем (в скобках указан вид системы)

Рис. 12.2. Схема получения дисперсных систем: а — конденсация и укрупнение частиц; б — диспергирование и дробление крупных частиц; 7,3 — исходные вещества; 2 — частица дисперсной фазы Рис. 12.3. Сплошная (а) и раздробленные (б) чаотицы (1,2 — см. текст)

Диспергирование может быть самопроиз- вольное и несамопроиз-вольное. Самопроизвольное диспергирование характерно для лиофильных систем (см. параграф 10.4) и связано с ростом бес-, порядка системы (когда из одного большого куска образуется мно­го мелких частиц). При диспергировании, согласно условию (10.22), при постоянной температуре рост энтропии должен пре­вышать изменение энтальпии.

В отношении лиофобных систем самопроизвольное диспер­гирование исключено, поэтому диспергирование возможно лишь путем затраты определенной работы или эквивалентного коли­чества теплоты, которое измеряется, в частности, энтальпией. Изменение энтальпии в изобарно-изотермическом процессе оп­ределяется соотношением между работой когезии JV_K и работой адгезии W_% (см. параграф 3.2); последняя характеризует энергию межфазового взаимодействия. Поясним это соотношение. Для диспергирования необходимо разорвать связи, которые существу­ют между молекулами (атомами или ионами) сплошного тела. Эти связи определяются когезией, т.е. связями внутри тела в пре­делах одной фазы; на рис. 12.3 эта связь показана линией АА внутри тела 1. В результате диспергирования под действием внеш­ней силы Р (на рис. 12.3 для простоты представлено образова­ние двух частиц) сплошность тела нарушается и образуются две границы раздела фаз (линии ББ на границе тела 1 с окружаю­щей его средой 2). Энергия (работа) когезии JV_K характеризует связь внутри тела, а энергия (работа) адгезии W_A — связь его с окружающей средой.

Энергию образования новой поверхности можно выразить через энтальпию, которая имеет вид

**W_K-W_a. (12.1)

Условие (12.1) показывает изменение энтальпии в результа­те диспергирования. Для лиофильных систем, способных к са­мопроизвольному диспергированию, когда AS > 0, из условия (10.22.) следует, что АН < 0 и

W_a>W_K. (12.2)

Выполнение условия (12.2) означает самопроизвольный рас­пад большого куска на множество мелких. Подобный процесс (см. параграф 10.4) наблюдается для таких лиофильных систем, как растворы ВМС, частицы глины и некоторые другие.

В отличие от лиофильных в лиофобных системах когезия W* больше энергии межфазового взаимодействия, т.е. адгезии W_z Представим, что из одного зерна необходимо получить две поло­винки. Самопроизвольно, т.е. без затраты внешней работы, этот процесс не пойдет, так как когезия — связь между молекулами (атомами) внутри зерна JV_K — больше энергии межфазового вза­имодействия W_a между поверхностью зерна и окружающей средой (воздуха). В соответствии с условием (12.1) этот процесс приведет к росту энтальпии, а это означает, что для диспергирования и по­лучения из одного зерна нескольких частичек необходимо затра­тить энергию, эквивалентную АН. Рост энтальпии (ДЯ> 0) соот­ветствуют увеличению энергии Гиббса [см. условие (10.21)]

(12.3)

AH>TAS; AO0.

Соотношение (12.3) показывает, что процесс диспергирова­ния в этом случае является типично несамопроизвольным (см. рис. 2.1) и осуществляется за счет внешней энергии.

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.