X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Эмульсии - дисперсные системы с жидкой дисперсной средой и жидкой (реже газовой) дисперсной фазой.

Методы получения.

Все методы получения эмульсий, как и любой другой дисперсной системы, можно разделить на:

конденсационные

Конденсационные методы связаны с образованием капелек эмульсии из отдельных молекул. Таким образом, получаются критические эмульсии при выделении капель новой фазы из раствора вблизи критической температуры смешения;

диспергационные.

В промышленности в лабораторной практике получают эмульсии диспергированием одной жидкости в другой. В свою очередь, диспергационные методы можно разделить на:

2.1) методы, в основе которых лежит взбалтывание;

2.2) методы перемешивание.

Диспергирование взбалтыванием производится при возвратно-поступа­тельном движении либо сосуда, в котором находится смесь жидкостей, либо специального приспособления, например, спиральной пружины, находящейся внутри жидкости.

Методы перемешивания основаны на использовании лопастных или пропеллерных мешалок.

Общим для приготовления любой эмульсии является очередность смешения фаз. Всегда к жидкости, которая должна стать дисперсионной средой, постепенно прибавляется вторая жидкость. Для получения устойчивой эмульсии во внешней фазе уже должен присутствовать стабилизатор. Для облегчения диспергирования следует вводить эмульгатор, причем его можно растворять как в масляной, так и в водной фазе.

Наиболее частой ошибкой при получении эмульсий является неправильный выбор интенсивности механического воздействия. Часто считают, что эмульгирование происходит тем лучше, чем сильнее перемешивается (взбалтывается) смесь жидкостей. В действительности существует некоторая оптимальная интенсивность механического воздействия, выше которой происходит не диспергирование, а наоборот – коалесценция.

Связано это с тем, что, как мы видели выше, устойчивые эмульсии получаются только в присутствии стабилизатора на поверхности капелек и выше определенной критической степени насыщения адсорбционного слоя. Адсорбция, как известно, происходит не мгновенно и для формирования адсорбционного слоя требуется определенный промежуток времени. Если поверхность капель не успевает адсорбировать стабилизатор, то при столкновении капель происходит их слияние. Таким образом, интенсивное перемешивание, сопровождающееся образованием новой поверхности, не имеющей адсорбционного слоя и не способствующей эмульгированию. Кроме того, при интенсивном перемешивании возможно разрушение образовавшегося адсорбционного слоя и, следовательно, снижение потенциального барьера коалесценции, в то время как кинетическая энергия капель растет. Все это необходимо учитывать для приготовления устойчивой эмульсии.

Прямые эмульсии можно получить путем ритмичного встряхивания их с водным раствором эмульгатора в закрытом сосуде или способом, основанным на возвратно-поступательном движении спирали в смеси жидкостей. Таким путем можно получить даже высококонцентрированные - предельные эмульсии. Предельные эмульсии с использованием лопастных мешалок получить практически невозможно. Зато этот способ, при умеренной скорости вращения мешалок (80-100 оборотов в минуту) может с успехом применяться для приготовления эмульсий неструктурированных высоковязких жидкостей.

Приготовленную механическим путем грубую эмульсию часто подвергают гомогенизации, для чего ее облучают ультразвуком или продавливают под большим давлением через малые отверстия, пропускают через гомогенизатор, работающий по принципу парового свистка. При гомогенизации получают эмульсию с однородными по величине каплями мелкого размера, обладающую высокой кинетической устойчивостью. При гомогенизации также следует выбирать оптимальные условия, иначе можно разрушить эмульсию.

В последнее время пристальное внимание привлекает самопроизвольное эмульгирование в результате массопереноса эмульгатора через поверхность раздела макрофаз. В этом случае используется такой эмульгатор, который обладает растворимостью в обеих жидкостях, но лучше растворим во внешней фазе. Эмульгатор диффундирует через границу раздела фаз, захватывая мелкие капли внутренней фазы. Получаются очень устойчивые мелкодисперсные или ультрамикроскопические эмульсии.

Стабилизация эмульсий.

Если взять примерно одинаковое количество масла и воды и механическим путем, например, при перемешивании, приготовить эмульсию, то после этого произойдет быстрое расслоение. Мелкие капли эмульгированной жидкости будут сливаться в более крупные - т.е. система стремится уменьшить свободную энергию за счет уменьшения поверхности раздела фаз. Еще в 1898 г. Доннан указал, что устойчивость эмульсий должна зависеть от величины межфазного натяжения. Для снижения межфазного натяжения (или удельной межфазной свободной энергии) можно использовать поверхностно-активные вещества. Эти вещества, снижая межфазное натяжение, облегчают эмульгирование и поэтому называются эмульгаторами. После эмульгирования они располагаются на поверхности раздела фаз, образуя адсорбционный слой, препятствующий слиянию капель. Вещество, препятствующее слиянию капель, называется стабилизатором. Часто в роли стабилизатора выступают эмульгаторы. Однако есть вещества, не облегчающие эмульгирования, не обеспечивающие устойчивости получающейся эмульсии. Таковы, например, высокомолекулярные соединения и твердые порошкообразные стабилизаторы. По предложению П.А. Ребиндера все стабилизаторы были разделены на две группы:

стабилизаторы первого рода – ПАВ (поверхностно – активные вещества), или эмульгаторы, и высокомолекулярные соединения. Среди ПАВ используют желатин, сапонины и поливиниловые спирты.

стабилизаторы второго рода – порошки.

Стабилизаторы первого рода должны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и обеспечивать структурно-механическую стабилизацию, т.е. на поверхности капелек должен возникать механически прочный гелеобразный адсорбционный слой. Схема капель эмульсий приведена на рисунке (1).

Рисунок 1 – Схема капель эмульсий: а) прямая; б) обратная

Устойчивость эмульсий зависит от следующих факторов:

наличия стабилизатора, способного существенно понизить свободную энергию на границе раздела фаз;

степень покрытия поверхности капель эмульсии адсорбированными молекулами ПАВ или высокомолекулярными соединениями. Устойчивыми становятся эмульсии, поверхность капель в которых покрыта адсорбционным слоем стабилизатора не менее, чем на 60%.

Более строгой характеристикой устойчивости разбавленных и умеренно концентрированных эмульсий является постоянная скорости коалесценции. Поскольку капли коалесцируют (коагулируют) всегда попарно, то постоянная скорости коалесценции k должна рассчитываться по уравнению второго порядка. Согласно уравнению теории кинетики быстрой коагуляции Смолуховского:

где n₀ – начальное число капель в единице объема; x– число слияний (коалесценции) к моменту времени t.

В соответствии с факторами, определяющими устойчивость эмульсии, постоянная скорости k является функцией природы стабилизатора и зависит от работы десорбции стабилизатора с поверхности раздела фаз W_д, степени покрытия поверхности капли эмульсии адсорбционным слоем (g=Г/Г_m), величины объема капли (v₁) и температуры системы.

Зависимость постоянной скорости от температуры описывается уравнением:

где DE = f ( W_д, Г/Г_m, v₁, T) - потенциальный энергетический барьер отталкивания; A- предэкспоненциальный множитель; Г- равновесная адсорбция; Г_m- предельная адсорбция.

Вывод: все эмульсии являются термодинамически неустойчивыми сис

темами и требуют введения стабилизатора, природные свойства которого

обеспечат им защиту от коалесценции.

Список литературы

Электронный учебник Физическая химия. Химическая термодинамика Данилин В.Н, Шурай П.Е.1, Боровская Л.В. Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010.

Боровская Л.В. Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010 .

Транспортировка и хранение скоропортящихся пищевых продуктов. /Данилин В.Н., Петрашев В.А., Боровская Л.В.//Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 1996. № 1-2. С. 74.

Учебное пособие – онлайн «ХиМиК: сайт о химии» http://www.xumuk.ru/

Код для цитирования: Скопировать