Аэрозоли. Пены и пенные плёнки

Аэрозоли – микрогетерогенные системы, в которых частицы твёрдого вещества или капельки жидкости взвешены в газе или дисперсные системы с газовой дисперсионной средой независимо от агрегатного состояния дисперсной фазы.

Частицы аэрозоля могут существовать сами по себе или объединяться в цепочки, которые называются агломератами или флоккулами. Они обычно образуются в плотных дымах, также они могут состоять из полых капель, заполненных газом, или полых частиц, содержащих вещество – наполнитель.

Классификация аэрозолей:

1. По агрегатному состоянию дисперсной фазы:

а) туманы – аэрозоли с жидкой дисперсной фазой;

б) дымы – системы с твёрдыми частицами, к ним относятся пыли с твёрдыми, но более крупными частицами.

Дым образуется при сгорании топлива и содержит твёрдые частицы золы и сажи, жидкие частицы продуктов перегонки топлива и капли воды.

Аэрозоли, в которых наряду с твёрдой дисперсной фазой присутствует и жидкая, образующаяся в результате конденсации паров на поверхности твёрдых частиц, называются смогом. Именно такие аэрозоли чаше всего образуются в атмосфере крупных городов.

2. По дисперсности: дым (твердые частицы размером 10^-7- 10^-3 см), пыль (твердые частицы размером больше 10^-3 см) и туман (капли размером 10^-5-10^-3 см

3. По происхождению:

а) технические аэрозоли – получаемые в результате производственной деятельности человека. Образуются в процессе добычи и переработке руд, угля, измельчения материалов, производства цемента, сжигания топлива б) естественные – образуются в земной атмосфере в результате протекания природных процессов: все метеорологические, в том числе грозовые явления.

Способы получения аэрозолей

Аэрозоли получают двумя способами - диспергированием (распыление в электрическом поле, разбрызгивание сжатым воздухом, ультразвуком, ультрацентрированием) и конденсацией (из перенасыщенных паров химической реакцией).

Свойства аэрозолей и применение

Газовая дисперсионная среда вносит ряд своеобразных черт в свойства аэрозолей – их принципиальная лиофобность и отсутствие эффективных путей стабилизации.

Свойства аэрозолей связаны с особенностями дисперсионной среды – воздуха, его низкой вязкостью и малой электрической проводимостью.

Малая вязкость приводит к тому, что частицы быстро оседают, и аэрозольная система разрушается при значительно меньших размерах частиц и их агрегатов, чем лиозоли. В результате концентрация и дисперсность исходно высококонцентрированных аэрозолей быстро падают.

Аэрозольные частицы из-за малых размеров обладают развитой поверхностью, на которой могут протекать адсорбция, горение и другие химические реакции. Большая поверхность обуславливает такие физические свойства, как гигроскопичность или способность взаимодействовать с электрическими зарядами.

Аэрозоли играют важную роль в самых разнообразных областях: в сельском хозяйстве (для обработки посевов инсектицидами), в промышленности (для окраски), в медицине (для ингаляции, лечения органов дыхания).

Пены – грубодисперсные, высококонцентрированные системы, в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсионной средой жидкость в виде плёнок. Микрогетерогенность обусловлена тем, что дисперсионная среда представляет тонкие плёнки.

Классификация пен

Различают:

- газовые эмульсии - разбавленные дисперсии газа в жидкости (похожи на разбавленные эмульсии);

- пены – содержание газовой фазы более 70% по объёму.

Показатели пен

Для оценки свойства пен существуют общие и специальные характеристики – кратность (пенность), дисперсность (средний размер пузырьков и средняя толщина жидкостной пленки), устойчивость во времени.

Кратность пены – пенность (К). Относительное содержание фаз в пене (концентрация пены) характеризуется кратностью пены – отношение объёма пены к объёму, содержащейся в ней жидкости. Кратность пены можно оценить по плотности пены d_n. Кратность пен определяет их структуру. Если К=10 - 20, то частицы газа близки к сферической форме.

С кратностью, достигающей нескольких десятков или сотен, пузырьки газа образуют многогранные ячейки, отделённые друг от друга тонкими плёнками жидкости.

Получение пен

Пены получают методом диспергирования. Диспергирование газа может осуществляться пропускание воздуха через слой жидкости (барботажные пены) или с помощью мешалок в объёме жидкости.

Пены получают, используя растворы, содержащие какое-либо ПАВ – пенообразователи. Иногда вводят добавки стабилизаторов пены, которые также являются ПАВ и усиливают действие пенообразователя.

Пенообразователи с длинной молекулярной цепью адсорбируются на границе раздела вода-воздух, образуют высоковязкую структурную плёнку, которая препятствует стеканию жидкости. При этом толщина слоя жидкости между пузырьками газа уменьшается медленно, и пена существует длительное время.

Виды пенообразователей:

1. Низкомолекулярные пенообразователи (спирты, карбоновые кислоты, фенолы, амины). Для них было установлено, что максимальная пенообразующая способность соответствует определенной концентрации, при превышении которой наблюдается прекращение роста пенообразующей способности – точка критической концентрации мицелооброзования (ККМ). Чем больше масса углеводородного заместителя, тем меньше концентрация ПАВ соответствующая максимальной пенообразующей способности.

Например, ККМ этилового спирта равна 280∙10^-3 моль/л, время существования пены 5 сек.

2. Высокомолекулярные пенообразователи (мыла, белки, водорастворимые ВМС). Пенообразующая способность повышается с повышением концентрации.

Свойства пен зависят от свойств плёнок, которые являются двусторонними. Их свойства зависят от адсорбированных слоёв, между которыми заключена межплёночная жидкость.

Способы разрушения пен. В ряде случаев пенообразование является нежелательным явлением. Существует несколько способов разрушения пен: добавление пеногасителя; механический метод (используют мешалки, циклоны, диски (1000 об/мин), разрыв плёнок или их прокалывание); термический метод («пережигание пленки»: используют высокие температуры, жидкость плёнки испаряется, действуют острым газом); акустический метод (используется ультразвук с частотой от 1 до 1000 кГц).

Применение пен

Положительная роль пены, а именно пенообразования - в производстве высокопористых строительных и теплоизоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), пластических масс (пенопласты), при обогащении полезных ископаемых (пенная флотация). Отрицательная роль пен – пенообразование в нагревательных котлах паровых машин может нарушить работу теплоэнергетических установок; затрудняет упаривание жидкости; мешает работе стиральных машин (поэтому стиральные порошки для машин содержат большое количество неионогенных ПАВ, которые являются более слабыми пенообразователями по сравнению с алкилсульфатами, особенно при повышенных температурах).