Микрогенные системы

Введение
Микрогетерогенные системы.
Аэрозоли.
2.2 Порошки
Суспензии.
Заключение
Литература

Микрогенные системы

Г/Т (твердые пены, пористые тела)
Газовая
Т/Г (дым, пыль,
порошки)
Ж/Г (туман, капли)
Г/Г (маловероятны,
образуются за счет флуктуаций плотности)
Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Связнодисперсные системы – твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придает ей способность сохранять форму. Порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем.
Рассмотрим свойства отдельных представителей дисперсных систем более подробно.
Микрогетерогенные системы.
Поскольку дисперсная (прерывная) фаза находится в виде отдельных небольших частиц, то дисперсные системы, в отличие от гетерогенных со сплошными фазами, называют микрогетерогенными.
В данном разделе будут рассмотрены свойства аэрозолей, порошков и суспензий – отдельных представителей микрогетерогенных систем.
Аэрозоли.
Аэрозоли (от греч. аir – воздух и лат. solution- раствор)- дисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой.
По способу образования различают конденсационные и диспергационные аэрозоли. Первые возникают в результате присоединения молекул вещества к друг другу в пересыщенном паре или конденсации пара на присутствующих в нем ионах или мельчайших частицах другого вещества – ядрах конденсации. Конденсационные аэрозоли, с жидкой дисперсной фазой называют дымами, с твердой – туманами. К конденсационным относятся и аэрозоли, образующиеся при горении, химических и фотохимических реакциях в газовой фазе, например, образование смога.
Диспергациооные аэрозоли с твердыми частицами (пыли) образуются в атмосфере в природных условиях, а также при измельчении твердых тел в шахтах, пересыпании порошков (муки, мела) и т.п. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (спреи) возникают при распаде струй или пленок жидкости, например, при распылении топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Часто возникают смешанные аэрозоли, состоящие из частиц различного происхождения. Так, при взрывном разрушении твердых тел происходит, как правило, диспергирование вещества и его испарение с последующей конденсацией паров и образованием аэрозолей.
Основные характеристики. Дисперсионную среду характеризуют химическим составом, давлением, температурой, степенью ионизации, параметрами внешних физических полей, полем скоростей течения, наличием турбулентности и ее параметрами, наличием и величиной градиентов температуры и концентрации компонентов. Важнейшие параметры дисперсной фазы аэрозоля – объемная доля частиц φv и φm их массовая доля, число частиц в единице объема np, средний размер частицы dp и ее электрический заряд. Параметры дисперсной фазы атмосферного аэрозоля при нормальных температуре и давлении составляют: dp 5 · 108 – 10-2 см, np 1-108 см-3, φv 10-18 – 10-1, φm 10-19. В верхних слоях атмосферы np 105 - 1014 см-3, φm 10-19 – 10-33. Наряду с усредненными величинами дисперсную фазу характеризуют распределением частиц по размерам и по величине электрического заряда. Если вещество радиоактивно, необходимо знать удельную активность частиц.
Взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой определяется процессами переноса массы, энергии, импульса, электрического заряда и др., а также явлениями на границе раздела фаз. Процессы переноса описываются уравнениями, конечный вид которых зависит от числа Кнудсена Кn = lg/dp , где lg – длина свободного пробега газовых молекул, dp – диаметр частицы аэрозоля. На процессы переноса в аэрозолях влияет движение частиц относительно среды под действием внешних сил или по инерции; оно характеризуется числом Маха Ma = up/uq ,где up – скорость частиц относительно среды, uq – скорость теплового движения молекул среды. При анализе характера переноса импульса вместо числа Маха часто используют число Рейнольдса Re = 4Ma/Kn .
Свойства. Важнейшие свойства аэрозолей – способность частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться как единое целое и при столкновении прилипать к друг другу или к какой-либо поверхности с вероятностью, равной единице. В покоящейся среде частицы аэрозоля поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собственному тепловому движению, энергия которого для частиц любой массы равна 3/2kT, где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, и вследствие обмена энергией с молекулами среды. Распределение концентрации частиц по высоте обычно характеризуют параметром Нр = kT/mgg (перреновской высотой), где g - ускорение силы тяжести, mg – масса частицы. Для достаточно малых частиц, когда Нр превосходит их линейный размер, энергии теплового движения достаточно для поддержания частиц во взвешенном состоянии даже в отсутствии дисперсионной среды. Если же размер частиц сравним с Нр или даже больше него, то для поддержания частиц во взвешенном состоянии необходима дополнительная энергия, получаемая при соударении с молекулами среды. Соотношение между двумя этими видами энергии характеризуется числом Шмидта Sc = dp2nglg , где ng –концентрация газовых молекул, - lg длина их свободного пробега. В турбулентной среде частицам аэрозолей присущи две основные формы движения – увлечение дисперсионной средой и смещение относительно нее. Поддержание частиц во взвешенном состоянии определяется их инерционностью и характеризуется турбулентным числом Шмидта ScT, равным отношению коэффициентов турбулентной диффузии частиц DpT и молекул среды DT. Величина μp = ScT1/2 степенью обтекания, μd = (1-ScT)1/2 – степенью увлечения частиц. Способность частиц аэрозолей сохраняться во взвешенном состоянии без приложения возмущающего действия к дисперсионной среде отличает аэрозоли от псевдосжиженного кипящего (слоя), который также является дфухфазной с газовой дисперсионной средой.
Частицы аэрозоля могут смещаться относительно среды, главным образом, под действием внешних полей, например, поля силы тяжести в котором частицы оседают, а также сил инерции (если среда движется ускоренно), под действием градиентов температур и концентраций.
При наличии в дисперсионной среде градиентов температуры или концентрации частицы аэрозоля движутся при отсутствии внешних сил; соответствующие явления называют термо- и диффузиофорезом. Частный случай термофореза – фотофорез: движение частиц под действием светового облучения.
Частицы аэрозолей размером менее 1мкм всегда прилипают к твердым поверхностям при столкновении с ними. Столкновение частиц друг с другом при броуновском движении приводит к коагуляции аэрозолей. На скорость коагуляции влияет наличие электрического заряда на частицах и внешнего электрического поля. Аэрозольные частицы способны приобретать электрический заряд, если они образуются конденсацией на ионах. Незаряженные частицы могут захватывать газовые ионы, направленно движущиеся к частицам во внешнем поле или диффундирующие в среде. Диспергационные частицы могут приобретать заряд и в процессе образования - при разбрызгивании жидкостей (баллоэлектрический эффект)или распылении порошков (трибоэлектрический эффект) и при освещении (фотоэффект), радиоактивном распаде и т.п.
Аэрозоли обладают ярко выраженным рассеянием света, закономерность которого определяется диапазоном значений параметра γ = 2πdp/λ, где λ – длина волны излучения. При γ>1 сечение светорассеяния возрастает с уменьшением размера частиц. С уменьшением γ сечение становится пропорциональным λ6. Поэтому высокодисперсные частицы рассеивают видимое, а тем более ИК-излучение слабо. Измерения светорассеяния и состояния поляризации рассеянного света используют для определения размеров частиц и распределения по размерам.
Значение. Аэрозоли играют большую роль в природе и в жизни человека. Так, воздух, окружающий Землю, представляет собой наиболее распространенную естественную аэрозольную систему. Мероприятия по охране окружающей среды, связанные с уменьшением запыленности воздуха, основаны на разрушении аэрозолей. Эти мероприятия основываются на различных методах: фильтрации газов через пористые материалы или ткани, барботаже их через жидкость, адсорбции аэрозолей встречным потоком распыленной жидкости и т.п.
Химическая промышленность использует аэрозольное состояние вещества либо непосредственно в технологических процессах, либо производит продукты в аэрозольной форме для их последующего использования. Через аэрозольное состояние получают многие высокодисперсные продукты – наполнители, пигменты, катализаторы, компоненты высокоэнергетических топлив. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значительная часть жидкого топлива. Аэрозольные препараты используют в медицине и ветеринарии, для защиты посевов от с/х вредителей, предотвращения выпадения града. Широкое применение в быту нашли аэрозольные баллончики – устройства, в которых жидкий препарат или суспензия выдавливается из резервуара и распыляется и распыляется давлением хладона.
2.2 Порошки
Порошки или сыпучие материалы относят к дисперсным системам Т/Г. Их можно рассматривать в качестве осадка аэрозолей или как системы, полученные в результате диспергирования. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошки» применяют к высокодисперсным системам от 1 до нескольких сотен микрометров. Удельная поверхность таких порошков меняется в широких пределах – от неск. м2/г (аэросил, сажа) до долей м2/г (мелкие пески). Высокодисперсные порошки с частицами размером <1мкм, взвешенными в газовой фазе и участвующие в броуновском движении, образуют аэрозоли (пыли, дымы).
Структурно-реологические характеристики. Наряду с развитой межфазной поверхностью, обусловливающей многие свойства порошков как высокодисперсных систем, важнейшее значение структурно-реологические свойства: способность к необратимым сдвиговым деформациям (течению), образование разрушаемых контактов между частицами (структурирование) и др. Основные реологические характеристики порошков – предельное напряжение сдвига и предельная вязкость. До 2-ой половины 20 века, порошки рассматривались как пластичные тела, и в рамках теории пластичности были сформулированы условия механической деформации порошков. В частности, сдвиговая деформация порошков наступает при предельном напряжении сдвига τ, обусловленном двумя факторами: притяжением частиц порошка к друг другу (аутогезией) и трением между частицами порошка. Согласно условию Мора-Кулона,
τ = С·σn + tgά·σи , где С – сопротивление деформирования, связанное с аутогезией, ά – угол внутреннего трения, σn – нормальное напряжение,( tgά·σи – сопротивление, обусловленное внутренним трением). Аутогезия определяется главным образом природой и силой межчастичного взаимодействия. Основной вклад в межчастичные взаимодействия в
порошках дают межмолекулярные взаимодействия и электростатическое отталкивание, связанное с заряжением поверхности при перемещениях частиц друг относительно друга и их соударениях. Роль электростатического взаимодействия важна при взаимодействии полимерных частиц.
Условие Кулона-Мора позволяет сформулировать критерий для различения «связных» порошков, в которых аутогезия велика и частицы сцеплены друг с другом, т.е. система обладает некоторой структурой, и «несвязных» порошков, в которых сопротивление сдвигу обусловлено лишь трением между частицами.
Структурно-реологические характеристики порошков можно регулировать в широких пределах, модифицируя межфазную поверхность добавками ПАВ, изменением формы частиц и т.п.
Во второй половине 20-го века развитие новых технологий переработки порошкообразных материалов привело к необходимости изучения поведения порошков в динамических условиях (под воздействием вибрации, в потоке газа, псевдоосаждении и др.). Особенность динамического поведения порошков – течение при сдвиговом напряжении, меньшем предельного, причем, как правило, порошок течет как неньютоновская жидкость. Агрегация частиц рассматривается как одна из причин неньютоновского поведения. Эффективная вязкость агрегированного порошка ηэфф зависит от безразмерного параметра τ/(ηγ), где η – вязкость неструктурированного порошка, γ – скорость сдвига. Соответствующая зависимость выражается степенной функцией: ηэфф/η≈ τ/(ηγ)n. Показатель степени n – эмпирический параметр, для большинства порошков принимает значения в интервале от 0,5 до 0,7.
Вязкость η можно определить, рассматривая порошки как систему твердых, не связанных сферических частиц. В рамках механики многих частиц установлено, что существует минимальная вязкость (наибольшая текучесть) порошков, как функция параметров внешнего воздействия (скорости подачи газа, амплитуды или частоты вибрации). Эти параметры являются оптимальными для многих технологических процессов (например, для перемешивания).
Значение. В технике и технологии порошки размером частиц от 1 до 100мкм – минеральные вяжущие удобрения (цементы, известь, гипс и т.п.), пожаротушащие средства, твердые компоненты в производстве керамики, металлокерамических изделий, наполнители для пластмасс, резин и др., а также пищевые продукты (мука, какао-порошок, сахарная пудра), лекарственные и косметические средства. Важнейшие технологические свойства таких материалов: сыпучесть (величина, обратная вязкости), уплотняемость (определяется кинетикой изменения объема порошков под действием динамической нагрузки и достигаемой объемной плотностью), слеживаемость в процессе хранения (образования структур с прочностью, превышающей первоначальную). Для предотвращения слеживания гигроскопичные порошки гидрофобизуют, модифицируя поверхность частиц с помощью ПАВ, а в ряде случаев вводя твердые, высокодисперсные, нерастворимые в воде добавки. Кроме того, особое внимание уделяют герметизации емкостей для хранения порошков, ограничивают сроки хранения и т.п.
Суспензии.
Суспензии – это средне- и грубодисперсные системы ( Т/Ж), в которых твердые частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии в жидкой дисперсионной среде. Суспензии являются седиментационно-неустойчивыми системами; молекулярно-кинетические явления их выражены слабо. Суспензии преимущественно поглощают свет. Благодаря достаточно большим размерам частиц (10-4 – 10-7м) электроомос и потенциал течения для суспензий выражен слабо, а электрофорез фактически невозможен. Частицы грубодисперсных систем (размер частиц > 10-6м) не проходят через бумажные фильтры, видимы в оптический микроскоп, практически не участвуют в броуновском движении и диффузии. Размеры частиц суспензий могут быть определены метода микроскопического, ситового и седиментационного анализа, а также на основании данных по адсорбции. Отдельные узкие фракции могут быть выделены из полидисперсной системы с помощью сит, восходящего потока (на конусах) и отмучивания.
Получение суспензий. Два основных способа – смешение измельченных порошков с жидкостью или измельчение твердых тел в жидкости (методы диспергирования) и выделения твердой фазы из жидкой среды (методы конденсации). Методы диспергирования требуют затраты энергии на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия и накопления свободной поверхностной энергии образовавшихся частиц. Измельчение твердых тел осуществляют раздавливанием, растиранием, дроблением, расщеплением механическим способом с помощью дробилок, ступок и мельниц различной конструкции ( шаровых, вибро-, струйных, коллоидных), ультразвуком, а также электрическими методами. Энергетические затраты на диспергирование в жидкой среде могут быть существенно снижены за счет адсорбционного понижения прочности твердых тел при введении ПАВ. Частицы сферической формы могут быть получены оплавлением в низкотемпературной плазме дугового или высокочастотного разряда. В случае лиофильных дисперсных систем диспергирование может происходить самопроизвольно (например, суспензия бентонитовой глины в воде), при этом увеличивается энтропия системы.
При получении суспензий методами конденсации, частицы твердой фазы выделяются из пересыщенных жидких растворов, которые образуются при охлаждении, изменении растворяющей способности среды (метод замены растворителя) вследствие химических реакций (окисления, восстановления, гидролиза, двойного обмена), приводящих к образованию малорастворимых соединений (BaSO4, CaCO3, AgI, Al(OH)3 и др.). Размер частиц зависит от скорости образования зародышей и их роста. При небольших степенях пересыщения обычно образуются крупные частицы, при больших – мелкие. Предварительное введение в систему зародышей кристаллизации приводит к образованию практически монодисперсных суспензий. Уменьшение дисперсности может быть достигнуто в результате изотермической перегонке при нагревании. Дисперсность образующихся суспензий можно регулировать также введением ПАВ. Суспензии отличают примесей растворенных веществ диализом, электродиализом, фильтрованием, центрифугированием.
Устойчивость суспензий. Грубо дисперсные суспензии седиментационно неустойчивы. Скорость седиментации (или всплывания частиц) зависит от их размера, формы, от разности плотностей частиц и среды, вязкости среды. На практике широко используют понятие гидравлической крупности суспензий, характеризующее скорость оседания частиц (мм/с) в неподвижной жидкой среде. Агрегативная устойчивость суспензий (способность частиц сохранять свои первоначальные размеры, не слипаться) зависит от плотности поверхности электрического заряда частиц, их потенциала (потенциал Штерна), толщины двойного электрического слоя, интенсивности взаимодействия частиц со средой (лиофильности суспензий). Понижение этих параметров приводит к потере агрегативной устойчивости. Осаждение частиц из суспензий (разделение фаз) может быть значительно ускоренно путем их укрупнения в результате коагуляции (флокуляции) при введении в суспензии электролитов (флокулянтов) под действием электрического поля, магнитного и электромагнитных полей, жесткого ионизирующего воздействия, теплового воздействия. Осадки, образующиеся из коагулирующих суспензий, являются более рыхлыми, имеют больший седиментационный объем, чем осадки, получаемые из агрегативно устойчивых суспензий. Процессы очистки суспензий реализуются, например, при очистке сточных вод в различного типа отстойниках, фильтрах, флотаторах, гидроциклонах и центрифугах.
В свободнодисперсных суспензиях частицы свободно перемещаются в среде, в связнодисперсных – объединены в цепочки, сетки и являются неподвижными либо перемещаются в среде единой массой. Разбавленные суспензии являются ньютоновскими жидкостями, их вязкость мало отличается от вязкости среды и линейно возрастает с ростом концентрации дисперсной фазы согласно закону Энштейна. Дальнейшее увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к более резкому возрастанию вязкости суспензий, которое связано с процессом структурообразования и переходом системы в связнодисперсную (коагуляционно и кондесационно-кристализационные структуры). Неограниченная устойчивость суспензий может быть получена при введении в дисперсную систему полимеров.