11.2 Эмульсии, их особенности, практическое значение.
Эмульсии – это системы типа Ж/Ж. Жидкости, входящие в эмульсию должны быть нерастворимы или мало растворимы друг в друге (взаимная растворимость не должна превышать 5 об. %). Обязательным условием образования эмульсии является наличие стабилизатора (эмульгатора).
По полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды эмульсии подразделяются на два типа: “масло в воде” (м/в) и “вода в масле” (в/м). Термином "масло" принято обозначать неполярную жидкость, термином "вода" - полярную. В первом случае масляная фаза диспергирована в воде. Масло в ней является дисперсной фазой, а вода – дисперсионной средой. Примером может служить молоко. В эмульсии “вода в масле” – наоборот. Эмульсии типа м/в называют эмульсиями первого рода или прямыми эмульсиями, а эмульсии в/м – эмульсиями второго рода или обратными.
Тип эмульсии устанавливают по свойствам ее дисперсионной среды. Эмульсии первого рода не смачивают гидрофобную поверхность, разбавляются водой, окрашиваются водорастворимыми красителями (например метиленовым синим), проводят электрический ток.
Содержание дисперсной фазы выражают объемной концентрацией:
Соб = 100Vдф/V = 100Vдф/ (Vдф+Vдс)
где: V-общий объем эмульсии;
Vдф - объем дисперсной фазы;
Vдс - объем дисперсионной среды.
В зависимости от концентрации эмульсии делятся на разбавленные (объемная концентрация дисперсной фазы не превышает 0,1 % ); концентрированные (с объемной концентрацией дисперсной фазы от 0,1 до 74 %); высококонцентрированные или желатинированные ( объемная концентрация дисперсной фазы более 74 %).
В основу классификации положено изменение свойств системы. Разбавленные эмульсии по свойствам (вязкость, плотность) мало отличаются от свойств дисперсионной среды. Граница между концентрированными и высококонцентрированными эмульсиями определяется тем, что до объемной концентрации 74 % частицы дисперсной фазы способны сохранять сферическую форму. При более высокой концентрации происходит деформирование капелек, они превращаются в многогранники, и эмульсия приобретает новые свойства. Такие эмульсии могут содержать до 99 % дисперсной фазы. Они пластичны, эластичны, не текут, способны сохранять свою форму. К ним относятся сливочное масло, некоторые консистентные смазки.
По размеру частиц эмульсии относятся к грубодисперсным и микрогетерогенным системам . Типичные эмульсии – это лиофобные коллоиды, они термодинамически неустойчивы и не восстанавливаются самопроизвольно после разрушения. Однако существует и небольшое количество лиофильных эмульсий. Они термодинамически устойчивы, образуются самопроизвольно, при диспергировании одной жидкости в среде другой жидкости до капелек определенного размера. К ним относятся некоторые смазочно-охлаждающие жидкости. К ним же относятся критические эмульсии, которые образуются самопроизвольно при смешении жидкостей при условиях близких к критическим, когда сближаются свойства всех веществ, входящих в систему.
Отдельно следует выделить микроэмульсии (мицеллярные эмульсии). Их дисперсная фаза состоит из набухших мицелл коллоидных ПАВ. Они устойчивы, образуются самопроизвольно, по размеру частиц дисперсной фазы относятся к ультрамикрогетерогенным. Концентрация может достигать 50 об. %.
Типичные эмульсии агрегативно неустойчивы. Это проявляется в слипании капелек ( коагуляция), которые затем сливаются в одну большую каплю (коалесценция). Поэтому такие эмульсии нуждаются в повышении агрегативной устойчивости. В качестве стабилизатора эмульсий используются ПАВ. Стабилизирующее действие ПАВ объясняется существованием различных натяжений между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Эмульгаторы определяют не только устойчивость, но и тип эмульсии. Такие ПАВ, как натриевые соли жирных кислот (мыла), лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях – углеводородах, и способны стабилизировать эмульсии типа “масло в воде”. ПАВ, которые лучше растворяются в неполярных жидкостях, например, соли жирных кислот поливалентными ионами, стабилизируют эмульсии типа "вода в масле". Эту зависитмость сформулировал Банкрофт в виде эмпиричесого правила "Гидрофильные эмульгаторы, лучше растворимые в воде, способствуют образованию эмульсий м/в, а гидрофобные – растворимые в углеводородах - эмульсии типа в/м".
Рисунок XI. 1 – Схема расположения ПАВ в эмульсиях типа м/в и в/м
Ориентация адсорбционного слоя ПАВ происходит в соответствии с правилом выравнивания полярностей Ребиндера.
Эффективность эмульгатора определяется величиной гидрофильно-липофильного баланса ГЛБ.
Роль эмульгаторов могут выполнять также тонкодисперсные порошки. Их действие основано на избирательном смачивании поверхности порошка водой и маслом. Гидрофильные порошки лучше смачиваются водой и закрепляются на поверхности капелек со стороны водной фазы. Гидрофобные порошки лучше смачиваются маслом и обрамляют поверхность капелек масла. К гидрофильным порошкам относятся глина, бентонит, каолин. К гидрофобным – сажа, твердые, богатые углеродом части битумов и сырой нефти.
Интересно, что в некоторых случаях эмульсию “масло в воде” можно превратить в эмульсию “вода в масле” за счет добавления большого количества вещества, являющегося дисперсной фазой, а также при добавлении различных ПАВ. В частности, при добавлении поливалентного катиона к эмульсии “масло в воде”, стабилизированной алкилкарбоксилатом натрия, образуется соль этого катиона, но поскольку эта соль плохо растворяется в воде и хорошо – в масле, то происходит обращение в эмульсию “вода в масле”. Это явление называется «обращение фаз эмульсии».
Факторы устойчивости эмульсий:
Электрический заряд на поверхности капли эмульсии, стабилизированной ионогенными мылами. При адсорбции органических ионов мыла образуется ДЭС.
Образование на поверхности капли структурированных гелеобразных слоев эмульгатора высокой вязкости.
Полярность молекул воды, способствующих сохранению ДЭС
Эмульсии получают путем механического диспергирования вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Разрушают эмульсии путем введения деэмульгаторов, под влиянием механического воздействия, коагуляцией электролитами, фильтрованием, суперцентрифугированием, электроросмосом.
Примеров использования эмульсий много. Так, при разрушении эмульсии молочных сливок получают сливочное масло. В состав крови входит эмульсия, дисперсной фазой которой являются эритроциты, а в качестве эмульгаторов выступают белки. Лекарственные препараты часто представляют собой эмульсии. Эмульгирование имеет место при обезвоживании сырой нефти, производстве нефтепродуктов, для получения смазочных веществ и в других технологических процессах.