Получение и очистка дисперсных систем
В любой отрасли промышленности специалист сталкивается с проблемой получения дисперсных систем. Для этой цели используют различные методы, но все они сводятся либо к дроблению крупных кусков вещества до требуемой дисперсности, либо к объединению молекул или ионов в агрегаты дисперсной фазы. В соответствии с этим следует рассмотреть методы получения систем путем диспергирования и конденсации.
В основе этих методов лежат два противоположных процесса, приводящих к одному и тому же результату — образованию дисперсных систем.
12.1. Классификация способов получения дисперсных систем
Дисперсные системы могут быть созданы самой природой или получены искусственно в результате различных процессов. Дисперсные системы, составляющие весь растительный и животный мир, возникают при его зарождении. Грунт формируется в результате тысячелетних процессов, которые происходили при образовании планеты Земля.
В некоторых отраслях промышленности дисперсные системы создаются искусственно. Получение дисперсных систем органически входит в технологический цикл производства.
Образование дисперсных систем может осуществляться без изменения поверхностной энергии, когда уже раздробленная дисперсная фаза одной системы смешивается с дисперсной фазой другой. Подобный процесс, например, имеет место при приготовлении продукции из смеси различных компонентов комбикормов, детского питания, цемента, бетона и др.
В большинстве случаев для получения дисперсных систем необходимы затраты внешней энергии. Классификация способов получения подобных систем приведена на рис. 12.1.
Получение
дисперсных систем
Диспергирование
Укрупнение частиц
за счет конденсационных процессов
Самопроизвольное
(Ж/Ж, Ж/Г, Т/Ж, Т/Г)
Несамопроизвольное
Кристаллизация
(Т/Ж, Т/Г)
Десублимация
Конденсация
Изотермическая
перегонка
Физическая
(Т/Г, Ж/Г, Т/Ж, Ж/Ж)
Замена растворителя
(Ж/Ж, Ж/Г)
Распыливание
(Ж/Ж, Ж/Г)
Измельчение
(Т/Ж, Т/Г)
Барботаж
(Г/Ж)
Рис. 12.1. Классификация способов получения дисперсных систем
(В скобках указан вид систем)
Все способы искусственного получения дисперсных систем можно разделить на две группы (рис. 12.2). Первая из них основана на диспергировании, т.е. на получении мелких частиц дисперсной фазы из сплошного и крупного по размерам тела; вторая, наоборот, связана с укрупнением частиц молекулярного размера до размеров частиц дисперсной фазы и появлением границы раздела фаз.
Диспергирование может быть самопроизвольное и несамопроизвольное. Самопроизвольное диспергирование характерно для лиофильных систем (см. параграф 10.4) и связано с ростом беспорядка системы (когда из одного большого куска образуется много мелких частиц). При диспергировании, согласно условию (10.22), при постоянной температуре рост энтропии должен превышать изменение энтальпии.
В отношении лиофобных систем самопроизвольное диспергирование исключено, поэтому диспергирование возможно лишь путем затраты определенной работы или эквивалентного количества теплоты, которое измеряется, в частности, энтальпией.
И
Рис.
12.2.
Схема получения дисперсных систем:
а
— конденсация и укрупнение частиц;
б
— диспергирование и дробление крупных
частиц; 1,
3
— исходные вещества; 2
— частица дисперсной фазы
зменение
энтальпии в изобарно-изотермическом
процессе определяется соотношением
между работой когезии Wк
и работой адгезии Wа
(см.
параграф 3.2); последняя характеризует
энергию межфазового взаимодействия.
Поясним это соотношение. Для диспергирования
необходимо разорвать связи, которые
существуют между молекулами (атомами
или ионами) сплошного тела. Эти связи
определяются когезией, т.е. связями
внутри тела в пределах одной фазы; на
рис. 12.3 эта связь показана линией АА
внутри тела 1.
В результате диспергирования под
действием внешней силы Р
(на рис. 12.3 для простоты представлено
образование двух частиц) сплошность
тела нарушается и образуются две границы
раздела фаз (линии ББ на границе тела
1
с окружающей его средой 2).
Энергия (работа) когезии Wк
характеризует связь внутри тела, а
энергия (работа) адгезии Wа
— связь его с окружающей средой.
Энергию образования новой поверхности можно выразить через энтальпию, которая имеет вид
Рис. 12.3.
Сплошная (а) и раздробленные
(б) частицы (1, 2
— см. текст)
Условие (12.1) показывает изменение энтальпии в результате диспергирования. Для лиофильных систем, способных к самопроизвольному диспергированию, когда DS > 0, из условия (10.22.) следует, что ΔH < 0 и
(12.2)
Выполнение условия (12.2) означает самопроизвольный распад большого куска на множество мелких. Подобный процесс (см. параграф 10.4) наблюдается для таких лиофильных систем, как растворы ВМС, частицы глины и некоторые другие.
В отличие от лиофильных в лиофобных системах когезия Wк больше энергии межфазового взаимодействия, т.е. адгезии Wа Представим, что из одного зерна необходимо получить две половинки. Самопроизвольно, т.е. без затраты внешней работы, этот процесс не пойдет, так как когезия — связь между молекулами (атомами) внутри зерна Wк — больше энергии межфазового взаимодействия Wа между поверхностью зерна и окружающей средой (воздуха). В соответствии с условием (12.1) этот процесс приведет к росту энтальпии, а это означает, что для диспергирования и получения из одного зерна нескольких частичек необходимо затратить энергию, эквивалентную ΔН. Рост энтальпии (ΔН > 0) соответствуют увеличению энергии Гиббса [см. условие (10.21)]
ΔН > TΔS; ΔG > 0. (12.3)
Соотношение (12.3) показывает, что процесс диспергирования в этом случае является типично несамопроизвольным (см. рис. 2.1) и осуществляется за счет внешней энергии.
Условие (12.3) лежит в основе всех процессов диспергирования, в том числе и технологии многих отраслей агропромышленного комплекса (мукомольная, крупяная, комбикормовая, крахмалопаточная и др.), связанных с получением исходных продуктов.
Соотношения (12.1)—(12.3) характеризуют условия диспергирования, однако эти условия являются необходимыми, но не всегда достаточными. В некоторых случаях на границе раздела фаз могут образовываться адсорбционные слои, которые снижают (иногда существенно) затраты энергии на диспергирование лиофобных систем.