4.1. Седиментационная устойчивость

Седиментационная устойчивость – это способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).

Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц. Для крупных (средне- и грубодисперсных) частиц – это сила трения, для мелких (высокодисперсных) – тепловое (броуновское) движение.

Пусть r – радиус частиц дисперсной фазы (для сферических частиц); ρ - плотность частицы; ρ₀ – плотность дисперсионной среды;  – вязкость дисперсионной среды; V – объем частицы.

На частицу действуют силы:

1) гравитационная сила F_сед

,

где g – ускорение свободного падения.

Для сферической частицы

,

где d – диаметр частицы.

2) сила трения при оседании частицы F_тр:

,

где В – коэффициент трения;

U_сед – скорость оседания частицы.

Сила трения пропорциональна вязкости дисперсионной среды:

F_тр  

3) тепловое (броуновское) движение, следствием которого является диффузия, стремящаяся выровнять концентрацию частиц по всему объему:

 kT.

Повысить седиментационную устойчивость дисперсной системы можно за счет следующих факторов:

1. снижение силы тяжести: достигается путем уменьшения размера частиц с помощью устройств для дробления дисперсной фазы – диспергаторов (уменьшение диаметра частицы в 2 раза приводит к снижению силы тяжести в 8 раз)

2. повышение вязкости среды: достигается при введении различных добавок, повышающих вязкость (сиропы, желатин)

3. 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 называют коалесценцией.

Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Агрегативная устойчивость и неустойчивость определяются способностью частиц взаимодействовать друг с другом, то есть сближаться до определенного расстояния.

4.2.1 Теория устойчивости гидрофобных золей длфо

Современная теория устойчивости развита российскими учеными Дерягиным и Ландау и голландскими учеными Фервеем и Овербеком и известна в литературе как теория ДЛФО.

В основе теории ДЛФО лежит положение о том, что поведение коллоидной системы определяется соотношением сил взаимного притяжения и отталкивания.

Рассмотрим силовое взаимодействие частиц. Между частицами дисперсной фазы действуют силы притяжения (Ван-дер-Ваальса) и силы электростатического отталкивания, обусловленные одинаковым знаком заряда частиц.

Силы притяжения (Ван-дер-Ваальса) между двумя точечными зарядами обратно пропорциональны расстоянию между частицами h:

,

где – коэффициент пропорциональности.

В коллоидных системах на поверхности частицы находится большое количество зарядов. Поэтому влияние расстояния между частицами на энергию притяжения снижается, в результате получаем

Таким образом, энергия притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами.

При сближении двух частиц, несущих одинаковый заряд, происходит перекрытие диффузных слоев противоионов (рис. 38). Возникают силы электростатического отталкивания, энергия которых равна

,

где β– константа, определяемая параметрами ДЭС;h– расстояние между частицами; λ – толщина диффузного слоя.

Потенциал ядра φ снижается по экспоненциальному закону, следовательно, так же уменьшается энергия электростатического отталкивания с увеличением расстояния между частицами. Показатель степениh/λпоказывает, во сколько раз расстояние между частицами больше толщины диффузного слоя ДЭС.

С

Рис. 38. Перекрытие диффузных слоев при сближении частиц

уммарная энергия взаимодействия складывается из энергий притяжения и отталкивания:

.

Из уравнения следует, что с увеличением hуменьшаются как силы притяжения, так и силы отталкивания. Причем силы отталкивания снижаются значительно резче сил притяжения, так как степенная функция убывает медленнее, чем экспоненциальная. (Например, при увеличенииhв 100 разU_в-вснижается в 10⁴раз, аU_эл– в 10⁴³раз.)

Зависимость суммарной энергии взаимодействия частиц от расстояния между ними называют потенциальной кривой(рис. 39). Так как характер зависимости энергий притяжения и отталкивания отhразличный, потенциальная кривая имеет сложный вид.

Проанализируем потенциальную кривую. На графике можно выделить три участка:

1. h

   Рис. 39. Потенциальная кривая

   <h₁;U(h) < 0: между частицами преобладают силы притяжения. Приh→ 0 энергия притяжения, а энергия отталкивания. Возникает глубокий энергетический минимум (Imin), так называемая первая потенциальная энергетическая яма. Здесь действуют большие силы притяжения, поэтому, если частицы сближаются на расстояние 10^-8– 10^-9м, происходит их слипание и коагуляция.

2. h₁<h<h₂;U(h) > 0: основную роль играют силы отталкивания. Возникает потенциальный барьер ΔU_к, который не позволяет частицам подходить на близкое расстояние и слипаться. В этом случае коагуляции не происходит, система агрегативно устойчива.

3. h₂<h<h₃U(h) < 0: преобладают силы притяжения. Поскольку силы отталкивания с увеличениемhснижаются значительно сильнее, сил притяжения, на относительно больших расстояниях между частицами проявляются дальнодействующие силы притяжения. На потенциальной кривой появляется второй энергетический минимум (IImin) или вторая потенциальная энергетическая яма. ВеличинаIIminзначительно меньше первого. Здесь силы притяжения значительно слабее и взаимодействие частиц происходит через прослойку дисперсионной среды. При этом частицы фиксируются друг относительно друга в пространстве, образуя структурированные системы (неньютоновские жидкости типа гелей и студней). Связи между частицами легко разрушаются, под действием механической нагрузки или температуры, а затем легко восстанавливаются.

Выводы.

1. Если кинетическая энергия частиц мала, то при достаточно глубоком IIminони фиксируются друг относительно друга на некотором расстоянии, образуя структурированные системы.

2. Если глубина IIminневелика, а потенциальный барьер высокий, частицы не могут сблизиться на критическое расстояние, та как действуют мощные силы отталкивания. Система агрегативно устойчива.

3. Если частицы обладают высокой кинетической энергией, то при небольших IIminи потенциальном барьере частицы слипаются, и идет коагуляция. Таким образом, для того, чтобы началась коагуляция, частицы должны преодолеть потенциальный барьер.