Классификация эмульсий

1. Для того чтобы различать, какая из жидкостей эмульсии диспергирована, а какая является дисперсной системой, принято полярную жидкость условно называть «водой», а неполярную – «маслом». В соответствии с этим эмульсии делят на два типа: прямые – «масло в воде» (М/В), например молоко, и обратные – «вода в масле» (В/М), например масло.

Тип эмульсии определяют по свойствам дисперсионной среды. Например, прямые эмульсии смешиваются с водой (с полярными жидкостями), имеют большую электропроводность, плохо смачивают гидрофобную поверхность. Противоположными свойствами обладают обратные эмульсии. Прямую эмульсию дают эмульгаторы числом ГЛБ (гидрофильно-липофильный баланс), равным 8¼13, а при числе ГЛБ 3¼6 получаются обратные эмульсии. Эффективность эмульгатора тем выше, чем лучше полярные и неполярные части его молекул отвечают природе обеих фаз эмульсии. Замена эмульгатора может привести к обращению эмульсии.

2. В зависимости от концентрации дисперсной фазы эмульсии делят на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.

Разбавленные эмульсии, имеющие концентрацию дисперсной фазы до 0,1%, отличаются высокой дисперсностью (размер капель может быть менее 100 нм). Концентрация дисперсной фазы в концентрированных эмульсиях не превышает 74%. Эта максимальная концентрация соответствует плотной упаковке сферических капель одинакового размера при отсутствии их деформирования. В концентрированных эмульсиях капли постоянно находятся в контакте, и поэтому они устойчивы только в присутствии эмульгатора. Если концентрация дисперсной фазы превышает 74%, то эмульсию называют высококонцентрированной. В таких эмульсиях движение капель почти отсутствует, они существенно деформированы, а дисперсионная среда приобретает вид тонких прослоек – эмульсионных плёнок.

Эмульсии широко распространены как в природе, так и в различных отраслях народного хозяйства. Природными эмульсиями являются молоко, яичный желток, млечный сок каучуконос. К эмульсиям относятся такие продукты, как майонез, маргарин, простокваша, сливочное масло, соусы. Многие лекарства готовят в виде эмульсий, причём, как правило, внутрь принимают эмульсии М/В, а наружные средства представляют собой обратные эмульсии.

В химической промышленности с эмульсиями имеют дело при проведении различных синтезов, в экстракционных аппаратах, при процессах перемешивания. Для получения синтетических латексов используется эмульсионная полимеризация – полимеризация в каплях дисперсной фазы. Эмульсии применяют для получения пористых органических сорбентов, мембран, плёнок, покрытий [3].

Определение пен. Пенообразователи и пеногасители

Пены – концентрированные дисперсные системы типа Г/Ж. Они могут быть получены как диспергационными, так и конденсационными методами. Пена получается при барботаже газа в жидкость из узкого отверстия – струя газа разрывается, образуя пузырьки. Пена образуется и при механическом перемешивании газа с жидкостью. Это можно наблюдать при флотации, стирке и других процессах. Примерами конденсационного метода являются образование пены при пользовании пенным огнетушителем, в газированных напитках, насыщенных СО₂. В этих системах пузыри газов образуются в виде новой фазы в результате химической реакции или выделения растворенного газа при повышении температуры или уменьшении давления. Устойчивость пен, как и эмульсий, обеспечивается с помощью стабилизаторов – пенообразователей, в качестве которых применяются ПАВ.

На поверхности пузырька возникают двойные электрические или сольватные слои. Эти слои и обусловливают агрегативную устойчивость пен. Большая роль в стабилизации пенотводится эффекту Марангони. При локальном утончениипленки увеличивается поверхностное натяжение. Появление градиентаповерхностного натяжения вызывает течение раствора из области низких поверхностных натяжений в места утончения пленки.Происходит как бы«залечивание» ослабленных участков.

Кратность пены – отношение объема пены к объему жидкости, пошедшей на ее образование.

Устойчивость пен оценивается временем «жизни» пузырька пены или определенного ее объема. Установлено, что при использовании ПАВ в качестве пенообразователей с ростом их молекулярной массы стабильность пен увеличивается до определенного предела, а затем при дальнейшем ее увеличении снижается. Максимум стабильности пен наблюдается и с увеличением концентрации таких пенообразователей, как истинно растворимые ПАВ (низкомолекулярные). Подобные вещества относят к пенообразователям первого рода. Пены, полученные с применением таких пенообразователей, быстро разрушаются по мере истечения междупленочной жидкости.

Коллоидные ПАВ и белки относят к пенообразователям второго рода. Они постоянно повышают стабильность пен с ростом концентрации. Это объясняется, по-видимому, возрастанием прочности структуры пены с увеличением концентрации пенообразователей второго ряда. Каркас пены, полученной с применением таких пенообразователей, очень устойчив и может сдерживать истечение междупленочной жидкости. Пенообразующая способность ионогенных ПАВ существенно выше, чем неионогенных ПАВ, что связывают с большей скоростью образования адсорбционных слоев у ионогенных ПАВ.

Образующуюся пену можно разрушить с помощью перегретого пара, ультразвука либо введением так называемых пеногасителей. По Ребиндеру, пеногасителями являются ПАВ, имеющие более высокую поверхностную активность, чем пенообразователи, и поэтому вытесняющие пенообразователь с поверхности пузырьков пены, но не способные сами к ее стабилизации. Пеногасителями могут служить низшие спирты, а также кремнийорганические соединения. Последние особенно эффективно предотвращают пенообразование [3].

Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Их классификация

ПАВ представляют собой обширную группу соединений, различных по своей структуре, относящихся к разным классам. Эти вещества способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и понижать поверхностное натяжение. Молекулы ПАВ состоят из длинных углеводородных радикалов (гидрофобная часть) и небольших полярных групп (гидрофильная часть). На границе раздела фаз молекулы ПАВ располагаются так, что гидрофобная часть их обращается в сторону неполярной фазы (масло), а гидрофильная – в полярную (вода).

В зависимости от свойств, проявляемых ПАВ при растворении в воде, их делят на ионогенные, способные ионизироваться, которые в свою очередь делят на анионоактивные вещества (активной частью является анион), катионоактивные (активной частью молекул является катион), амфолитные, а также неионогенные, не способные ионизироваться.

Анионоактивные ПАВ в водном растворе ионизируются с образованием отрицательно заряженных органических ионов. Из анионоактивных ПАВ широкое применение нашли соли сернокислых эфиров (сульфаты) и соли сульфокислот (сульфонаты). Радикал может быть алкильным, алкиларильным, алкилнафтильным, иметь двойные связи и функциональные группы.

Катионоактивные ПАВ – вещества, которые ионизируются в водном растворе с образованием положительно заряженных органических ионов. К ним относятся четвертичные аммониевые соли, состоящие из углеводородного радикала с прямой цепью, содержащей 12¼18 атомов углерода; метильного, этильного или бензильного радикала; хлора, брома, иода или остатка метил- или этилсульфата.

Амфолитные ПАВ ионизируются в водном растворе различным образом в зависимости от условий среды: в кислом растворе проявляют катионоактивные свойства, а в щелочном – анионоактивные.

По биохимической устойчивости, определяемой структурой молекул, ПАВ делят на мягкие, промежуточные и жесткие с константами скорости биохимического окисления соответственно не менее 0,3 сут^–1; 0,3…0,05 сут^–1; менее 0,05 сут^–1. К числу наиболее легко окисляющихся ПАВ относятся первичные и вторичные алкилсульфаты нормального строения. С увеличением разветвления цепи скорость окисления понижается, и наиболее трудно разрушаются алкилбензолсульфонаты, приготовленные на основе тетрамеров пропилена.

С повышением содержания взвешенных веществ и значительным контактом водной массы с донными отложениями скорость снижения концентрации ПАВ в воде обычно повышается за счет сорбции и соосаждения. При значительном накоплении ПАВ в донных отложениях в аэробных условиях происходит окисление микрофлорой донного ила. В случае анаэробных условий ПАВ могут накапливаться в донных отложениях и становиться источником вторичного загрязнения водоема.

В слабозагрязненных поверхностных водах концентрация ПАВ колеблется обычно в пределах тысячных и сотых долей миллиграмма в 1 дм³. В зонах загрязнения водных объектов концентрация повышается до десятых долей миллиграмма, вблизи источников загрязнения может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм³.

Попадая в водоемы и водотоки, ПАВ оказывают значительное влияние на их физико-биологическое состояние, ухудшая кислородный режим и органолептические свойства, и сохраняются там долгое время, так как разлагаются очень медленно. Отрицательным, с гигиенической точки зрения, свойством ПАВ является их высокая пенообразующая способность. Хотя ПАВ не являются высокотоксичными веществами, имеются сведения о косвенном их воздействии на гидробионтов. При концентрациях 5…15 мг/дм³ рыбы теряют слизистый покров, при более высоких концентрациях может наблюдаться кровотечение жабр.

Для ПАВ предельно допустимая концентрация для водоемов хозяйственно-бытового значения (ПДК_в) составляет 0,5 мг/дм³, а предельно допустимая концентрация для водоемов рыбохозяйственного значения (ПДК_вр) – 0,1 мг/дм³.

Неионогенные ПАВ (НПАВ) представляют собой высокомолекулярные соединения, которые в водном растворе не образуют ионов.

Токсическое действие НПАВ определяется, главным образом неполярной частью молекулы, при этом оно более выражено при наличии в последней ароматического кольца.

ПДК_в большинства НПАВ (препараты ОП-7, ОП-10, ОС-20, оксанол КШ-9, оксанол Л-7, проксамин 385, проксанол 186, синтамид, синтанолы, ВН-7 и др.) 0,1 мг/дм³, лимитирующий показатель вредности – органолептический (пенообразование). Поскольку указанные соединения имеют один норматив с одним и тем же показателем вредности, при санитарно-химическом контроле можно ограничиваться определением их суммарного содержания.

ПДК_в – 2 мг/дм³ (лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический), ПДК_вр – 0,01 мг/дм³ (лимитирующий показатель вредности –токсикологический) [3].

Моющее действие ПАВ. Стадии смачивания, пептизации, солюбилизации, флотации, эмульгирования

ПАВ являются основой синтетических моющих средств (детергентов), обладающих универсальным действием (моющая и отбеливающая способность, удаление загрязнений с различных поверхностей). Механизм моющего действия включает несколько стадий. Моющее средство понижает поверхностное натяжение раствора, что улучшает смачивание загрязненных предметов и проникновение раствора в узкие места, капилляры и т.д. Адсорбция ПАВ на частицах загрязнений и на поверхности обрабатываемого предмета способствует отрыву частиц от предмета и их стабилизации в растворе. Образующаяся пена обеспечивает унос загрязнений, их флотацию. Солюбилизация масляных загрязнений подтверждается тем, что моющее действие ПАВ проявляется при концентрациях, превышающих ККМ.

Стадии моющего процесса:

а) смачивание;

б) отрыв частиц загрязнения и их дробление (пептизация);

в) удержание частиц в растворе.

Смачивание. Адсорбция ПАВ приводит к уменьшению поверхностного натяжения и улучшению смачивания поверхности и загрязнения. Адгезия загрязнения снижается, они теряют связь с поверхностью.

Отрыв частиц загрязнения и их дробление (пептизация). В результате дробления загрязнения образуются мелкие частички, которые переходят в раствор.

Пептизацией называют переход в коллоидный раствор осадков, образовавшихся при коагуляции. Пептизация может происходить при контакте осадков с природными водами под влиянием небольших количеств электролитов-пептизаторов.

Удержание частиц в растворе. Удержание частиц в жидкой среде и предотвращение их оседания на обрабатываемую поверхность происходит за счет эмульгирования, солюбилизации и флотации.

Эмульгирующая способность ПАВ характетизуется гидрофильно-липофильным балансом, гидрофильно-олеофильным соотношением. Если ПАВ лучще растворяется в воде, чем в масле, образуется прямая эмульсия, если растворимость его лучше в масле, то получается обратная эмульсия.

Явление растворения веществ в мицеллах ПАВ называется солюбилизацией. Это обусловлено тем, что ядро мицелл проявляет свойства неполярной жидкости.

Пенообразование и флотация способствуют процессам выноса частиц загрязнения на пузырьках пены [4].

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Получение и определение типа эмульсии

Цель работы

1. Получить эмульсию толуола в воде.

2. Наблюдать обращения фаз в эмульсии и разрушение эмульсии химическим путем.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: