XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Эмульсия - это коллоидная дисперсная система двух несмешивающихся жидкостей, таких как масло и вода, в которой одна жидкость диспергирована в другой.

Существует два типа простых эмульсионных систем: эмульсии типа «масло в воде» (М/В) и эмульсии «вода в масле» (В/М).

«Масло» - это общий термин, часто используемый для органических жидкостей, обычно углеводородов, а «вода» - это термин, используемый для водной фазы.

В эмульсиях типа «масло в воде» масло диспергировано в непрерывной водной среде, тогда как в эмульсии типа «вода в масле» вода является дисперсной фазой в масляной среде.

Эмульсию получают в процессе, когда две несмешивающиеся жидкости подвергают процессу эмульгирования.[1] Этот процесс состоит в том, что смесь механически встряхивают, разбивают особыми лопастными мешалками или продавливают через узкие щели жидкости.

На практике, где имеется большое число механизмов, диспергирование осуществляется благодаря простому разбиванию относительно больших капель на более мелкие, или растяжением жидкости в пленку, потому что, когда она разрывается, происходит образование целой массы мелких капелек.

Термодинамика эмульсий: эмульсии, которые получены из чистых жидкостей являются очень неустойчивыми. Из-за того, что капельки при соприкосновении друг с другом сливаются, и дисперсная система постепенно расслаивается на две жидкости, которые не смешиваются между собой. Неустойчивость эмульсий можно объяснить тем, что в них имеется избыточный запас свободной поверхности на границе фаз, что выражается большим поверхностным натяжением.[2]

Процесс расслоения эмульсии протекает самопроизвольно, потому что при этом система наибольшей степени дисперсности с большей свободной поверхностной энергией переходит в мелкодисперсную систему, которая уменьшает поверхностное натяжение.

Коалесценцией называется процесс самопроизвольного слияния жидких капель, которые, в конечном счете заканчивается расслоением эмульсии на составляющие ее жидкости.

Классификацию эмульсий можно представить следующим образом:

1) разбавленные (концентрация дисперсной фазы менее 0,1 %);

2) концентрированные (концентрация дисперсной фазы менее 74 %);

3) высококонцентрированные (концентрация дисперсной фазы более 74 %).

Разбавленные эмульсии характеризуют устойчивостью в отсутствие эмульгатора, вероятность столкновения капелек дисперсной фазы очень мала.

Можно сделать вывод, что такие системы ведут себя аналогично лиофобным золям. Относительная устойчивость эмульсионных систем определяется существованием на поверхности капелек ДЭС.

В отличие от разбавленных, в концентрированных эмульсиях слияние капелек происходит с большей скоростью, и тогда эмульсия за короткий промежуток времени разделяется на два слоя. Важно то, что получение устойчивых концентрированных эмульсий возможно только в присутствии специальных эмульгаторов.

Стабилизация и разрушение эмульсий

Стабильность эмульсий определяется многими параметрами, такими как pH, ионная сила, соотношение фаза/объем, вязкость и температура. Однако наиболее важным параметром является размер капли. Следовательно, можно моделировать многие параметры, когда желательно замедлить физико-химические явления, ответственные за расслоение фаз.

Агрегативная эмульсионная устойчивость может обусловливаться различными факторами устойчивости, для них характерно и самопроизвольное диспергирование при определенных условиях. Они могут самопроизвольно образовываться в гетерогенной двухкомпонентной системе без эмульгатора при такой температуре смешения, которая близка к критической. Гетерогенная система, например, вода-фенол самопроизвольно переходит в устойчивую термодинамически эмульсию при температуре, которая незначительно ниже критической, потому что в этих условиях межфазное натяжение настолько мало (примерно ), что оно полностью компенсируется энтропийным фактором. Известно, что таким свойством еще обладают коллоидные ПАВ и растворы ВМС.[3] Очень сильное понижение поверхностного натяжения при добавлении ПАВ как третьего компонента в систему позволяет получить устойчивые термодинамически и образующиеся самопроизвольно эмульсии не только при критических температурах смешения, но и в обычных условиях. Эмульсии, которые являются устойчивые термодинамически и образующиеся самопроизвольно, имеют частицы очень высокой дисперсности, в то время как большинство же эмульсий являются неустойчивыми термодинамическими системами и микрогетерогенными. При длительном хранении в таких системах может происходить коагуляция, а затем коалесценция.

Агрегативная эмульсионная устойчивость количественно характеризуется скоростью их расслоения, или же временем жизни отдельных капель при контакте с другими, в большинстве случаев используют первую характеристику. Ее определяют путем измерения высоты или объема отслоившейся фазы через определенные промежутки времени. Устойчивость эмульсий без эмульгатора будет считаться минимальной. Существуют следующие способы стабилизации эмульсий с помощью порошков, ВМС и ПАВ. Так же как и при стабилизации золей, с помощью ПАВ стабилизация эмульсий обеспечивается благодаря адсорбции и определенной ориентации молекул этих ПАВ, что и вызывает снижение поверхностного натяжения. В то время как ориентирование молекул ПАВ в эмульсиях подчиняется правилу уравнивания полярностей Ребиндера, которое звучит следующим образом: к полярной фазе обращены полярные группы ПАВ, а к неполярной фазе – неполярные радикалы. В зависимости от типа ПАВ: ионогенные или неионогенные, капли эмульсии приобретают соответствующий заряд или на их поверхности образуются адсорбционно-сольватные слои. Несомненно, что электрические и адсорбционно-сольватные слои должны быть образованы со стороны дисперсионной среды.

Эмульгирующая способность ПАВ характеризуется гидрофильно-олеофильным соотношением – «ГОС», гидрофильно-линофильным балансом сокращено «ГЛБ». Если ПАВ лучше растворяется в воде, чем в масле, будет образовываться прямая эмульсия «масло в воде», если же растворимость его лучше в масле, то получается обратная эмульсия «вода в масле», в соответствии с правилом Банкрофта. Эффективность эмульгатора тем выше, чем лучше полярные и неполярные части его молекул, которые отвечают природе обеих фаз эмульсии, например, наиболее эффективными эмульгаторами для получения прямых эмульсий углеводородов являются натриевые соли жирных кислот – мыла с числом атомов углерода 8-10, а также алкилсульфонаты, алкилсульфаты и др.

Замена эмульгатора может привести к обращению эмульсии, например, если к эмульсии «масло в воде», где дисперсная фаза - оливковое масло, стабилизированной натриевым мылом, добавить раствор , то эмульгатор переходит в кальциевую форму и таким образом, эмульсия обращается, т. е. масляная фаза становится дисперсионной средой. Это можно объяснить тем, что кальциевое мыло значительно меньше растворимо в воде, чем в масле.[4]

Стабилизация с помощью ПАВ не ограничивается факторами, которые обеспечивают уменьшение поверхностного натяжения. ПАВ с длинными радикалами, на поверхности капель эмульсии могут образовать пленки значительной вязкости (структурно-механический фактор), а также обеспечить энтропийное отталкивание из-за участия радикалов в молекулярно-кинетическом движении. В свою очередь, структурно-механический и энтропийный факторы значительны, когда для стабилизации применяют поверхностно-активные высокомолекулярные соединения типа полиэлектролитов. Структурно-механическим фактором является образование структурированной и предельно сольватированной дисперсионной средой адсорбционной пленки. Этот фактор имеет большое значение для стабилизации высококонцентрированных и концентрированных эмульсий, учитывая, что тонкие, но при этом структурированные прослойки между капельками высококонцентрированной эмульсии придают системе выраженные твердообразные свойства.

Рассмотрим вероятность стабилизации эмульсий с использованием высокодисперсных порошков, где механизм воздействия аналогичен механизму воздействия ПАВ. Порошки с высокой гидрофильной поверхностью, например, глина или кремнезем стабилизируют прямые эмульсии. Гидрофобные порошки, например, сажа способны к стабилизации обратных эмульсий и частицы этих порошков на поверхности капелек эмульсий расположены так, что большая часть их поверхности находится в дисперсионной среде. Для обеспечения устойчивости эмульсии нужно плотное покрытие порошком поверхности частицы, если смачивание частиц порошка-стабилизатора средой и дисперсной фазой будет сильно отличаться, то стабилизации не произойдет, и весь порошок будет находиться в объеме фазы, которая его хорошо смачивает.

Выявлено, что стабилизации микрогетерогенных эмульсий способствует самопроизвольное образование микроэмульсий (ультрамикрогетерогенных эмульсий) вокруг частиц. Микроэмульсии образовались естественным образом, когда две несмешивающиеся водная и масляная фазы с чрезвычайно низкой межфазной энергией составлены как одна. Микроэмульсии термодинамически стабильны (в отличие от стабильных эмульсий) и имеют диаметр дисперсной фазы менее 10 нм. Небольшой размер капель указывает на то, что микроэмульсии представляют собой прозрачный и полупрозрачный раствор. Также время от времени эмульсии распадаются на отдельные водную и масляную фазы.[5]

Но в промышленности часто возникает необходимость разрушить данную эмульсию. Прямые эмульсии, которые стабилизированы ионогенными эмульгаторами, можно разрушить при добавлении электролитов с поливалентными ионами, потому что такие электролиты не только сжимают ДЭС, но и переводят эмульгатор в малорастворимую в воде форму. Также эмульгатор можно нейтрализовать другим эмульгатором, которые способны к образованию эмульсий обратного типа, еще можно добавить вещество более поверхностно-активное, чем сам эмульгатор, которое само по себе не образует прочных пленок, например, амиловый спирт вытесняет эмульгаторы и растворяет их пленки и способствует коалесценции капелек эмульсии. К тому же эмульсию часто можно разрушить с помощью повышения температуры, электрическими методами, центрифугированием, фильтрованием через пористые материалы, которые смачиваются дисперсионной средой, но не смачиваются веществом дисперсной фазы и др.

Заключение

Оценка стабильности эмульсии: стабильность эмульсии представляет собой сочетание физической (без разделения фаз) и химической (без химической реакции) стабильности. Также все виды эмульсий являются термодинамически неустойчивыми системами и требуют введения стабилизатора, природные свойства которого будут обеспечивать защиту от коалесценции.

 Список используемой литературы:

1) Мухачева Е. С., Оробейко Е. С., Егоров С. В. Коллоидная химия. Шпаргалка: Научная книга, 2009. 310 с.

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

3) 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 .

4) Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): учебник для вузов - М.: Химия, 1982. 400 с.

5) Клейменова Т.В., Вихрева В.А. Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс] : метод. указания к выполнению лаб. работ, 2013. 31 с.

Код для цитирования: Скопировать