4.1. Седиментационная устойчивость
Седиментационная устойчивость – это способность дисперсных систем сохранять неизменным во времени распределение частиц по объему системы, то есть способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).
Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц и для крупных (средне- и грубодисперсных) частиц проявляется в силе трения, а для мелких (высокодисперсных) – в броуновском (тепловом) движении.
На частицу действуют силы:
1)
гравитационная сила
,
Где
– объем частицы;
,
– плотность частицы и дисперсионной
среды;
– ускорение свободного падения.
Для сферической частицы
,
тогда
,
(51)
где , – радиус и диаметр частиц дисперсной фазы.
2) сила
трения при оседании частицы
пропорциональна скорости
оседания частиц:
,
где – коэффициент трения.
Сила трения пропорциональна
вязкости дисперсионной среды:
.
3) броуновское (тепловое) движение, следствием которого является диффузия, которая стремится выровнять концентрацию частиц по всему объему:
.
При седиментации устанавливается
стационарный режим, в соответствии с
которым
и частица оседает с постоянной скоростью,
равной
.
(52)
В результате оседания концентрация частиц в нижележащих слоях дисперсной системы увеличивается, а в верхних слоях – уменьшается. Возникает разность концентраций, которая является движущей силой диффузии, направленной обратно седиментации. При равенстве диффузионного и седиментационного потоков создается седиментационно-диффузионное равновесие, которое обусловливает седиментационную устойчивость дисперсных систем. Подобный процесс характерен лишь для высокодисперсных систем. Средне- и грубодисперные системы седиментационно неустойчивы.
Факторы, повышающие седиментационную устойчивость дисперсных систем:
снижение силы тяжести путем уменьшения размера частиц с помощью устройств для дробления дисперсной фазы – диспергаторов (уменьшение диаметра частиц в 2 раза приводит к снижению силы тяжести в 8 раз (уравнение (51)));
повышение вязкости среды: достигается при введении различных добавок, повышающих вязкость (сахар, желатин);
обеспечение хранения дисперсной системы при температуре, не ниже установленной нормы, так как при снижении температуры уменьшается броуновское движение, а, следовательно, и седиментационная устойчивость (например, если поставить вино в холодильник, может образоваться осадок).
Для нарушения седиментационной устойчивости необходимо наоборот увеличить силу тяжести, для чего применяется центробежное поле (сепарирование, центрифугирование). Например, при сепарировании молока эмульсия разрушается и выделяется молочный жир, капельки которого являются дисперсной фазой системы.
4.2. Агрегативная устойчивость и коагуляция
Агрегативная устойчивость – это способность дисперсной системы сохранять неизменной во времени степень дисперсности, то есть размеры частиц и их индивидуальность.
При нарушении агрегативной устойчивости происходит слипание частиц и образование крупных агрегатов. В результате система теряет седиментационную устойчивость: частицы не могут принимать участие в броуновском движении и выпадают в осадок. Процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов называют коагуляцией, укрупнение жидких частиц дисперсной фазы – коалесценцией.
Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к снижению свободной поверхностной энергии (уравнение (8)).
Агрегативная устойчивость и неустойчивость определяются способностью частиц взаимодействовать друг с другом, т.е. сближаться до определенного расстояния.