Получение и очистка дисперсных систем

Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Поэтому к получению их ведут два пути: либо дробление крупных кусков вещества до требуемой дисперсности, либо объединение молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров. В соответствии с этим существуют диспергационные и конденсационные методы получения дисперсных систем. Остановимся кратко лишь на общих принципах, лежащих в основе методов.

Диспергационные методы

Эта группа методов объединяет, прежде всего, механические способы, в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходит за счет внешней механической работы над системой. В результате твердые тела раздавливаются, истираются, дробятся или расщепляются, причем характерно это не только для лабораторных или промышленных условий, но и для процессов диспергирования, происходящих в природе.

В последних дисперсные системы образуются в результате дробления и истирания твердых пород под действием сил прибоя; в приливно-отливных явлениях; при разрушении и истирании подлежащих пород ледниками и водами; в процессах выветривания и выщелачивания (где присоединяется и химическое воздействие), а также в результате раскалывания по трещинам при замерзании воды.

В лабораторных и промышленных условиях рассматриваемые процессы проводят в дробилках, жерновах и мельницах различной конструкции. Наибольшее применение находит шаровая мельница, состоящая из полого цилиндрического барабана, частично заполненного шарами обычно из того же материала (сталь, алунд, агат, фарфор), что и цилиндр. Измельчаемый материал в сухом или мокром виде помещают в цилиндр, медленное вращение которого вызывает перекатывание и падение шаров, что, в свою очередь, приводит к истиранию и дроблению материала.

В настоящее время для снижения расхода материалов и энергии применяют новые аппараты, в частности — вибромельницы, в которых диспергирование облегчается применением периодических механических колебаний, а также струйные мельницы. В последних пересекаются две струи грубодисперсной суспензии, выбрасываемые под большим давлением из шлангов.

Более тонкого диспергирования твердых и жидких материалов добиваются в коллоидных мельницах различных конструкций (> 10 000  об/мин.). Принцип их действия основан на развитии разрывающих усилий в суспензии или эмульсии под действием центробежной силы в узком зазоре между вращающимся с большой скоростью ротором и неподвижной частью устройства — статором. Взвешенные крупные частицы испытывают при этом значительное разрывающее усилие и таким образом диспергируются.

В настоящее время широко применяется ультразвуковой метод, в котором диспергирование происходит за счет разрывающих усилий. Они возникают как вследствие чередующихся локальных сжатий и расширений в жидкости при прохождении волны, так и вследствие кавитаций, т.е. образования и спадения полостей, заполняемых растворенным в жидкости газом. Резкие локальные изменения давления, порядка тысяч атмосфер, происходящие за ничтожно малые промежутки времени (10^-4 – 10^-5  с) приводят к разрыву не только жидкостей, но и твердых тел. Таким путем получают органозоли легкоплавких металлов и сплавов, гидрозоли серы, гипса, графита, различных полимеров (крахмала, нитроклетчатки), гидроокисей металлов и т. д.

Диспергирования можно достичь не только механическим путем. Разработаны электрические методы получения коллоидных систем. Так, метод Бредига основан на образовании вольтовой дуги между электродами из диспергируемого металла, помещенными в воду. Сущность метода заключается в распылении металла электрода в дуге, а также в конденсации паров металла, образующихся при высокой температуре. Поэтому электрический способ соединяет в себе черты диспергационных и конденсационных методов. Более общее значение имеет способ Сведберга, в котором используется колебательный разряд высокого напряжения, приводящий к «проскакиванию» искры между электродами. Этим способом можно получать не только гидрозоли, но и органозоли различных металлов.

Все диспергационные методы характеризуются необходимостью совершения внешней работы над системой.

Применением диспергационных методов позволяет достичь весьма высокой дисперсности обычно не удается. Системы с размерами частиц порядка 10^-8 - 10^-9  м получают конденсационными методами.