3. Получение дисперсных систем

Дисперсные (в том числе коллоидные) системы по размеру частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубыми механичес­кими смесями. Высокодисперсные системы могут быть получены либо в результате дробления (самопроизвольного или принудительного диспергирования) сравнительно крупных тел, либо в результате соединения отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты. В соответсвии с этим методы синтеза дисперсных систем делят на диспергационные и конденсационные.

Диспергирование дробление крупных частиц

Дисперсная система

Конденсация: объединение мелких частиц ( молекул, атомов, ионов)

Особо от этих методов стоит метод пептизации, который заключается в переводе в коллоидную систему осадков, первичные частицы которых уже имеют коллоидные размеры.

Однако одного только механического измельчения или физико-химической конденсации недостаточно для получения устойчивых коллоидных систем. Необходимым является наличие в системе, в которой образуются частицы, веществ, способных стабилизировать эти частицы, а в случае конденсационных методов и замедлять их рост. Такими веществами (стабилизаторами) могут быть как чужеродные вещества, специально вводимые в систему, так и соединения, образующиеся в процессе получения дисперсной фазы. В качестве стабилизаторов, которые создают защитный адсорбционный слой вокруг частиц, выступают ионы и молекулы неорганических соединений, а также поверхностно-активные вещества, мыла, высокомолекулярные соединения.

Следует помнить, что каждое вещество можно получить в коллоидном состоянии, если подобрать для него соответствующую среду, стабилизатор и физико-химические условия.

3.1 Метод диспергирования

Под диспергированием понимают измельчение вещества в дисперсионной среде до нужной степени дисперсности. Этот процесс сопровождается возникновением новой поверхности, т.е. увеличением удельной площади поверхности вещества фазы в сотни, тысячи и более раз. Диспергирование осуществляется путем механического измельчения, дробления, истирания на дробилках, жерновах и мельницах различного устройства. Такие методы широко применяются в химической промышленности, при обогащении полезных ископаемых, в производстве цемента и минеральных красок, графита, фармацевтических и косметических препаратов, в пищевой и кондитерской промышленности

Диспергирование происходит с затратой энергии, расходуемой на преодоление межмолекулярных (когезионных) сил и на увеличение поверхности измельчаемого материала.

Вещество в конденсированном состоянии (твердое тело или жидкость) при разрушении сначала претерпевает объемное деформирование, а потом разрушается с образованием новой поверхности.

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование тела с поверхностным натяжением σ и объемом V, выражается уравнением Ребиндера:

W = kV + σ S

(3.1)

Для тела с линейным размером d (V =d³ , S= d²)

W = k1d3 + k2σd2

(3.2)

Как видно из уравнения (3.2), чем мельче диспергируемый материал, тем больший вклад вносит вторая составляющая соотношения.

По мере измельчения прочность частиц возрастает, что ведет к увеличению расхода энергии на дальнейшее их диспергирование. Снизить энергетические затраты возможно, если дробление проводить с добавками посторонних веществ, называемых понизителями прочности. На поверхности твердого тела при механическом воздействии развиваются микрощели, по которым в первую очередь и происходит разрушение тела. Вещества-добавки, адсорбируясь на поверхности тела, проникают в микрощели, снижают поверхностную энергию и этим облегчают разрушение. Введение добавок дает эффект адсорбционного понижения прочности, который получил название эффекта Ребиндера. В качестве понизителей прочности применяют соли и щелочи, поверхностно-активные вещества, расплавы металлов и другие соединения. Вместе с тем эти вещества стабилизируют дисперсное состояние, создавая защитный адсорбционный слой вокруг частиц.

Процессы диспергирования непрерывно протекают в природе. Под действием гидродинамических и аэродинамических факторов (прибой океанов, морей, озер, течение рек, ветер) идет непрерывное дроб­ление скал до валунов, гальки, песка и дальше вплоть до частиц колло­идных размеров. Ледники истирают подстилающие породы. Огромные массы осадочных пород — глины, лесс представляют собой продукты диспергирования твердых пород, происходящего под влиянием меха­нического и химического воздействия (выветривание под действием воды и двуокиси углерода). Диспергирование веществ происходит при вулканических извержениях, взрывах. Чем мощнее взрыв, тем выше дисперсность продуктов.

Могучим фактором механического диспергирования твердых тел в природе является расширение воды при замерзании. Проникая в трещины и микротрещины горных пород и замерзая в них, вода вызы­вает дробление на крупные куски и способствует отрыву мельчайших частичек.

Под воздействием различных факторов на поверхности земли про­исходит окисление и диспергирование остатков отмерших растений.

Для получения дисперсных систем методом диспергирования используют механические аппараты (шаровые мельницы, ступки, форсунки, центрифуги и т.д.), Наибольшую степень дисперсности можно получить, используя мельницы специальной конструкции — коллоидные мельницы и ультразвуковые установки. В результате измельчения не всегда можно получить системы с коллоидной степенью дисперсности, это ограничичает применение диспергационных методов.