§2. Два метода получения дисперсных систем – диспергирование и конденсация

Диспергирование и конденсация - методы получения свободнодисперсных систем: порошков, суспензий, золей, эмульсий и т. д. Под диспергированием понимают дробление и измельчение вещества, под конденсацией - образование гетерогенной дисперсной системы из гомогенной в результате ассоциации молекул, атомов или ионов в агрегаты.

В мировом производстве различных веществ и материалов процессы диспергирования и конденсации занимают одно из ведущих мест. Миллиарды тонн сырья и продуктов получают в свободнодисперсном состоянии. Это обеспечивает удобство их транспортирования и дозировки, а также дает возможность получать однородные материалы при составлении смесей.

В качестве примеров можно привести дробление и измельчение руд, каменного угля, производство цемента. Диспергирование происходит при сжигании жидкого топлива.

Конденсация происходит при образовании тумана, при кристаллизации.

Необходимо отметить, что при диспергировании и конденсации образование дисперсных систем сопровождается возникновением новой поверхности, т. е. увеличением удельной площади поверхности веществ и материалов иногда в тысячи и более раз. Поэтому получение дисперсных систем, за некоторым исключением, требует затрат энергии.

Рассмотрим диспергирование веществ в конденсированном состоянии. Чтобы разрушить твердое тело или жидкость и получить новую поверхность, необходимо преодолеть когезионные силы, или силы, обусловливающие целостность определенного объема твердого тела или жидкости. При диспергировании под действием внешних сил конденсированное вещество сначала претерпевает объемное деформирование (упругое и пластическое) и только после этого при определенном механическом усилии оно разрушается. Таким образом, работу, необходимую для диспергирования, можно разделить на две составляющие, одна из которых расходуется на объемное деформирование тела, другая - на образование новой поверхности.

Работа упругого и пластического деформирования пропорциональна объему тела:

где k - коэффициент пропорциональности, равный работе объемного деформирования единицы объема конденсированного тела; V - объем тела.

Работа образования новой поверхности при диспергировании пропорциональна приращению поверхности:

где  - работа образования единицы поверхности, т.е. поверхностное натяжение; S - приращение поверхности, или площадь образовавшейся поверхности.

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, выражается уравнением Ребиндера:

(XIII.1)

Так как работа объемного деформирования пропорциональна объему тела, при больших размерах тела полная работа диспергирования определяется, главным образом, работой упругого и пластического деформирования.

Когда в процессе измельчения размеры частиц диспергируемого материала становятся достаточно малыми, полная работа диспергирования уже определяется, главным образом, работой образования новой поверхности, т. е. работой по преодолению когезионных сил.

При дроблении и измельчении материалы разрушаются в первую очередь в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещин). Поэтому по мере измельчения прочность частиц возрастает, что ведет к увеличению расхода энергии на их дальнейшее диспергирование.

Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера - адсорбционного понижения порочности твердых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных веществ, в результате чего облегчается деформирование и разрушение твердого тела. В качестве таких поверхностно-активных веществ, называемых в данном случае понизителями твердости, могут быть использованы, например, жидкие металлы для разрушения твердых металлов или типичные ПАВ.

Для понизителей твердости характерны малые количества, вызывающие эффект Ребиндера, и специфичность действия. Добавки, смачивающие материал, помогают проникнуть среде в места дефектов и с помощью капиллярных сил также облегчают разрушение твердого тела. Поверхностно-активные вещества не только способствуют разрушению материала, но и стабилизируют дисперсное состояние, препятствуя слипанию частиц.

Системы с максимальной степенью дисперсности могут быть получены только с помощью конденсационных методов.