5. Суспензии

Суспензии представляют собой системы Т/Ж. Размеры твердых частиц в суспензиях 0,1 мкм<r< 10 мкм. Частицы с меньшей степенью дисперсности обычно быстро оседают. Дисперсность суспензий можно определить с помощью микроскопического анализа (оптический микроскоп, электронный микроскоп) или с помощью седиментационного анализа. Так же как и коллоидные растворы, суспензии могут быть получены конденсационным или агрегационным методом. При этом процессы проводят так, чтобы получить кристаллики (или сросшиеся кристаллики) соответствующей степени дисперсности.

Суспензии, как и коллоидные растворы, рассеивают и поглощают свет, но в отличие от коллоидных растворов они мутны и в проходящем свете. Электрокинетические свойства суспензий подобны коллоидным растворам. Введение электролитов вызывает коагуляцию частичек суспензии. Суспензии, подобно коллоидам, удается в ряде случаев стабилизировать введением поверхностно-активных частиц или ВМС. Подобно коллоидам, суспензии образуют пространственные структуры. Тиксотропия (уменьшение вязкости) проявляется у суспензий в большей степени, чем у коллоидов.

Суспензии имеют большое значение в природе. Многие геологические и почвенные процессы связаны с существованием суспензий: это образование осадочных пород в результате седиментации суспензий, намыв дельт в результате выноса твердых частичек реками и их коагуляции. Суспензии играют большую роль и в технике. Так, вулканизации каучука в производстве резины предшествует приготовление суспензии серы в каучуке; малярные и печатные краски представляют собой стабилизированные суспензии в олифе или других органических связующих вязких жидкостях. Суспензиями являются известковые и цементные «растворы», применяемые в строительстве; суспензии глины в воде представляют собой исходные материалы в керамическом производстве.

6. Аэрозоли

Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, в которых дисперсная фаза — жидкость или твердое тело, а дисперсионная среда — газ, обычно воздух. В первом случае это туманы, во втором — дым, пыль. Дисперсность аэрозолей значительно меньше дисперсности коллоидных частиц. Однако наряду с частицами, величина которых равна нескольким миллиметрам, могут быть и частицы малых размеров. Размер частиц табачного дыма составляет 0,1—1,0 мкм, топливного дыма — 0,1—100,0 мкм, тумана (Н₂О) — 0,5 мкм.

Аэрозоли, как правило, агрегативно неустойчивые системы, так как взаимодействие между поверхностями твердых или жидких частиц и газообразной средой практически отсутствует. Частицы аэрозолей могут приобретать электрический заряд, адсорбируя ионы газообразной фазы, которые возникают под действием радиации (космические лучи, гамма-лучи, ультрафиолетовые лучи). Однако величина заряда частиц, как правило, недостаточна, чтобы противодействовать их агрегации. Искусственно можно повысить заряд частиц. В отличие от лиозолей частицы в аэрозолях не имеют диффузного слоя.

Жидкие частицы в туманах имеют шарообразную форму, в дымах и в пыли твердые частицы представляют собой кристаллы или их обломки и аморфные образования различной формы. Аэрозоли могут образоваться в результате конденсации или диспергации. Метод конденсации дает возможность образовывать высокодисперсные и относительно однородные по сте­пени дисперсности аэрозоли, Так, твердые аэрозоли образуются при смешении газообразного аммиака и хлорида водорода:

НС1_(газ) +NН₃(газ) — NН₄С1_{(твердая фаза)}

Жидкие аэрозоли можно получить, например, при смешении оксида серы (VI) с парами воды:

SO_{3(дисперсная твердая фаза)} + H₂O_(газ) = H₂SO_{4(жидкая фаза)}

Образование аэрозолей связано с увеличением поверхностной энергии и соответственно преодолением значительного энергетического барьера. Поэтому при их образовании конденсационным методом необходимы значительные пересыщения (неравновесность). В этих условиях получаются аэрозоли прямой конденсацией паров. Таким образом, в частности, образуются туманы в природе. Образование аэрозолей облегчается при наличии в системе зародышей — ядер конденсации. Такими зародышами в воздухе могут быть кристаллики хлорида натрия, ультрамикроскопические пылинки. Аэрозоли можно получить дроблением твердых веществ или распылением жидкостей; они образуются также в результате взрывов.

Аэрозоли имеют большое практическое значение. Инсектициды в виде аэрозолей применяют для защиты растений от болезней и вредителей. В виде аэрозолей применяются различные медицинские и парфюмерные препараты.

В некоторых случаях аэрозоли играют и отрицательную роль. На металлургических предприятиях в виде аэрозолей в воздух выбрасывается большое количество ценных и в то же время вредных продуктов. Так, на медеплавильном заводе с суточной производительностью ~ 10 тыс. т руды в воздух в виде пыли в сутки может выбрасываться 26 кг As₂S₃, 1,9 т Sb₂S₃, 1,9 т Сu, 2,2 т Рb, 2,8 т Zn, 0,4 т Вi.

Глобальные проблемы борьбы за чистоту воздуха своей составной частью включают борьбу с пылью, которая оказывает вредное влияние на здоровье людей. Так, в радиусе 2 км от цементных заводов потеря солнечного света доходит до 29%, а потери ультрафиолетовой его части до 65%. Яркость света в больших городах из-за запыленности на 30—40% меньше, чем в пригородах.

Пыль отрицательно влияет также и на механизмы. Попадая между трущимися деталями машин, пыль увеличивает скорость их износа (абразивное трение) и снижает коэффициент полезного действия.

Аэрозоли органических веществ — угля, сахара, муки, бумаги — взрывоопасны. Вследствие того что они имеют высокоразвитую поверхность, их взаимодействие с кислородом воздуха происходит с большой скоростью, что при значительном тепловом эффекте приводит к взрыву. Борьба с вредными аэрозолями предусматривает прежде всего устранение причин, которые их порождают. В цехах, в которых происходит травление стали, наряду с основным процессом — растворением оксидов железа (например, по реакции Fe₂О₃ +ЗН₂SО₄=Fе₂ (SО₄)₃ + ЗН₂О) происходит также нежелательное взаимодействие железа с кислотой, приводящее к потерям металла и выделению водорода. Выделяющийся водород уносит с собой небольшое количество жидкости, образующей в цехе аэрозоль — травильный туман. Капельки такого тумана оказывают чрезвычайно вредное воздействие на здоровье человека. Чтобы исключить образование травильного тумана, в раствор кислоты вводят ингибиторы, уменьшающие на 1—2 порядка скорость выделения водорода.

Для борьбы с пылью в заводских помещениях используют вентиляцию. Чтобы не выбрасывать пыль в окружающую атмосферу, в вентиляционных системах ее улавливают с помощью фильтров из ткани, шерсти. Применяют также спе­циальные аппараты — циклоны, через которые пропускают потоки воздуха, движущиеся в аппарате по винтовым ходам. Вследствие развивающейся центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам аппарата, теряют при этом скорость и оседают в специальный бункер.

Для борьбы с пылью применяют также орошение промышленных помещений, распыляя воду. Капли воды смачивают пылинки и вызывают их быструю седиментацию. Очень вредная силикатная пыль водой не смачивается. Чтобы обеспечить ее смачивание, в воду добавляют поверхностно-активные вещества.

Чтобы практически полностью удалить частицы пыли, применяют электрический метод. Аэрозоли пропускают через электрическое поле (рис. 117) с высокими градиентами потенциала (0,5 - 1) 10⁵ В/см/ В таком поле происходит ионизация молекул. Пылинки адсорбируют образовавшиеся ионы, приобретая электрический заряд. Под влиянием электрического поля они с большой скоростью ударяются о стенку аппарата, разряжаются, теряют скорость и оседают на дно аппарата.