Физико-химические методы разрушения эмульсий
Лабинцева В. С.
Множество технологических процессов основывается на деэмульгировании - разрушении эмульсий, например, обезвоживание сырой нефти, очистка сточных вод и другие процессы.
Существует два способа разрушения эмульсий, которые сопровождаются явлениями седиментации и коалесценции.
1. Седиментация.
По экспериментальным данным на реальных объектах (например, отделение сливок от молока), не происходит полного разрушения эмульсии, а образуются две эмульсии, одна из которых богаче дисперсной фазой.
Капля радиусом r и плотностью с будет всплывать в более тяжелой жидкости с плотностью с0 и вязкостью з со скоростью Uсед по уравнению Стокса:
Uсед = 2gr2(с- с0)/9з
При с > с0 капля опустится на дно под действием силы тяжести. Таким образом, осаждение капель в эмульсии - следствие образования больших капель и большого различия в плотностях жидкостей. Для ускорения процесса седиментации применяют центрифугирование.
2. Коалесценция. Полное разрушение эмульсии с выделением компонентов в чистом виде называется коалесценцией. Этот процесс происходит в две стадии, которые представлены в таблице 1.
эмульсия разрушение коалесценция
Таблица 1 - Стадии процесса коалесценции
|
1)флокуляция |
капли дисперсной фазы образуют агрегаты, легко распадающиеся при слабом перемешивании. |
|
|
2)собственно коалесценция |
капли в агрегате сливаются в одну большую каплю; процесс необратим, так как для разрушения больших капель на малые и воссоздания эмульсии требуется сильное перемешивание. |
Техника разрушения эмульсий. В промышленности эмульсии разрушают:
термическими методами;
химическими методами;
электрическими методами;
осаждением под действием силы тяжести или центробежных сил.
Используют и несколько методов одновременно.
Термические методы разрушения:
а) повышение температуры;
Многие эмульсии можно разделить на составляющие их компоненты нагреванием до высокой температуры с последующим отстаиванием. Предполагается, что нагревание ускоряет химические реакции, могущие протекать в эмульсиях, изменяет природу поверхностного слоя, уменьшает вязкость. Таким образом, создаются условия, благоприятные для распада эмульсии.
б) понижение температуры.
В процессе замораживания зарождаются кристаллы льда, которые растут, захватывая воду. Масляные капли (эмульсия Й рода) сжимаются. Кроме того, может кристаллизоваться в отдельных участках эмульсии любая растворенная соль. При этом разрываются оболочки, которые предотвращают коалесценцию. Замораживанию противостоят только эмульсии, в которых капли окружены жесткой оболочкой (например, молочные сливки), но и они являются неустойчивыми при длительном хранении в условиях низкой температуры. Химические методы разрушения:
а) «растворение» защитных пленок;
Действие методов заключается в удалении барьеров, препятствующих коалесценции. Химические вещества - деэмульгаторы - нейтрализуют действие защитного слоя (например, растворяют защитные пленки). Прямые эмульсии, стабилизированные эмульгаторами, можно разрушить добавлением электролитов с поливалентными ионами, которые не только сжимают ДЭС, но и переводят эмульгатор в малорастворимую в воде форму.
б) обращение эмульсий.
Эмульгатор можно нейтрализовать другим эмульгатором, способствующим образованию эмульсии обратного типа. Можно добавить вещество более поверхностно-активное, чем эмульгатор, само по себе не образующее прочных плёнок. Так, спирты (пентиловый, амиловый и т.д.) вытесняют эмульгаторы, растворяют их пленки и способствуют коалесценции. Для каждой эмульсии выбирают деэмульгатор, оказывающий оптимальное действие.
Электрические методы разрушения. Применение данного метода возможно в двух случаях:
когда капли заряжены;
когда они электронейтральны, но приобретают дополнительный дипольный момент, индуцируемый в постоянном или переменном электрическом поле. Происходит коалесценция диполей. Разрушение эмульсий электрическими методами осуществляется специальными аппаратами.
Осаждение под действием силы тяжести или центробежных сил
Таблица 3 - Виды осаждения.
|
а)отстаивание |
грубые эмульсии, содержащие капли больших размеров (например, нефтяные) выдерживают в отстойнике, но при этом капли мелких размеров остаются во взвешенном состоянии; время отстаивания - около 1 часа. |
|
|
б)использование центрифуг |
в них более тяжелая жидкость выталкивается к периферии и отводится, а более легкая жидкость собирается вблизи центра; продолжительность операции - несколько минут, данный метод является наиболее эффективным. |
Вывод
Проблема деэмульгирования в промышленности также важна, как и проблема получения эмульсии. При производстве масла и сливок из молока важны стабилизаторы, улучшающие процесс эмульгирования, тогда как очистка сточных вод, очищение от эмульсий трущихся механических частей оборудования ставит проблему разрушения эмульсий, и технологческое решение этих задач требует грамотного подхода, основанного на теории строения и свойств дисперсных систем.
Список используемой литературы и источников
Боровская Л.В. Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010 .
Транспортировка и хранение скоропортящихся пищевых продуктов. Данилин В.Н., Петрашев В.А., Боровская Л.В.// Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 1996. № 1-2. С. 7
Способ очистки подмыльных щелоков. Данилин В.Н., Доценко С.П., Косачев В.С., Боровская Л.В. Патент на изобретение RUS 2103339 29.12.2008.
Исследование студней на основе каррагинана и пектина методом дифференциальной сканирующей калориметрии./Барашкина Е.В., Тамова М.Ю., Боровская Л.В., Миронова О.П. /Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2003. № 4. С. 85-86.
Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высш. шк., 1992. 414 с.