6.4 Процессы образования неоднородных систем

В технологии строительных материалов часто возникает необходимость в получении мелкодисперсных фаз с хорошо развитой поверхностью и введение их в контакт для обеспечения химического или физико-химического взаимодействия. Возникает и обратная задача – разделение механических смесей на составляющие их однородные фазы.

К первой группе относятся процессы получения газовых или жидких неоднородных смесей – различных строительных растворов, бетонных смесей, эмульсий, смесей из зернистых материалов и т.п., в которых участвуют газовая, жидкая и твердая фазы различных материалов.

Ко второй группе относятся процессы разделения возникающих в технологии газовых или жидких неоднородных смесей – пыли, тумана, эмульсии, шлама, суспензии и т.п., которые проводятся с целью выделения однородных фаз или очистки газового или жидкостного потока от включений.

6.4.1 Общая характеристика неоднородных систем

Неоднородной (гетерогенной) системой называют смеси, состоящие из двух или более фаз. Каждая фаза в такой системе может быть механически выделена.

Неоднородная система, состоящая из двух фаз, называется бинарной системой. В любой неоднородной бинарной системе одна фаза является сплошной, или дисперсионной (внешней) средой, в которой в тонкодисперсном состоянии находится другая фаза, называемая дисперсной.

Фазы, составляющие смеси, могут находиться в различном агрегатном состоянии. Если дисперсионная среда является газом, а дисперсная фаза – жидкостью или твердым телом, то возникают следующие неоднородные системы: туман, брызги, дым, пыль. Если дисперсионная среда – жидкость, то могут возникнуть пена, эмульсия, суспензия. В технологии строительных материалов чаще приходится иметь дело с последними.

Пена – система, состоящая из жидкой дисперсионной среды и распределенных в ней пузырьков газа. Эта система может возникнуть при продувании распыленного газа через жидкость.

Пена получается только в системах, обладающих соответствующим сочетанием поверхностного натяжения, вязкости, летучести и концентрации газовых частиц. Несоблюдение этих условий приводит к образованию неустойчивой пены или к срыву пенообразования.

Эмульсия – это смесь двух или нескольких нерастворимых друг в друге жидкостей, одна из которых находится в тонкодисперсном состоянии.

Эмульсия с тонко раздробленной дисперсной фазой не расслаивается длительное время. Устойчивость ее улучшается при добавлении стабилизаторов.

Суспензия – система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней частиц. Устойчивость суспензии определяется размерами частиц дисперсной фазы и физическими свойствами жидкости.

6.4.2 Методы получения неоднородных систем

Получение пены. Дисперсия газа в виде пузырьков в жидкости, пластмассе или в суспензии создается с целью получения пены или пенного продукта (пористых пластмасс, пористых строительных и теплоизоляционных материалов).

Вспениванию в большинстве случаев сопутствуют технологические процессы. Такое вспенивание необходимо при производстве пористых материалов, при очистке газов и т.п., однако оно часто оказывается вредным и тормозит развитие технологического процесса. В последнем случае пену необходимо разрушать.

Основным элементом пены является пузырь – частица газа (пара), окруженная жидкостью.

Пена представляет собой группу пузырьков, отделенных друг от друга тонкими пленками жидкости. Устойчивость пены определяется физико-механическими свойствами жидкости и степенью диспергирования в ней газовой фазы.

Пузырьки в жидкости образуются:

• при выделении газа из пересыщенного раствора или при разложении вещества в жидкости с выделением газовой фазы;

• за счет механического или пневматического распыления газа в жидкости.

Из пересыщенного раствора пузырьки газа возникают лишь при наличии газовых центров пустот в жидкости. Такими центрами могут быть газовые пузырьки, твердые включения с адсорбированным на их поверхности газом.

Большой интерес представляет образование пузырьков пневматическим путем – барботажем. При барботаже различают два основных режима работы пузырьковый и струйный.

При малом расходе газа наблюдается пузырьковый режим. Прорыв газа через жидкость происходит отдельными пузырьками, размеры которых зависят от свойств жидкости, скорости газа и конструкции барботера.

Увеличение скорости газового потока приводит к турбулентному истечению, и поток газа в жидкости становится сплошным (струйным). Распад струи на пузырьки происходит на расстоянии 70…100 мм от места истечения.

Пузырьки газа в жидкой фазе образуются и при перемешивании в механических мешалках за счет воронки, которая появляется при вихревом движении жидкости вокруг оси вращения мешалки. Захваченный таким образом газ образует пузырьки, которые затем в турбулентном потоке дополнительно дробятся.

Пена образуется, когда пузырьки газа медленно всплывают, при этом они не коалесцируют и не растворяются в жидкой фазе. В зависимости от физических свойств жидкости и размера пузырьков газа пена может существовать в стабильном состоянии от нескольких секунд до нескольких лет. Устойчивость пены повышают с помощью добавок – стабилизаторов.

Если стенки пузырей пенной системы заменить пластиками, то получаются абсолютно устойчивые пена - пенопласты. Если же эти перегородки состоят из вяжущих веществ, то образуются пористые материалы с жесткой структурой – пенобетоны.