Методы получения дисперсных систем

Методы получения дисперсных систем

 

 

2

 

Дисперсные системы получают с необходимым набором физических и химических свойств (состав, агрегатное состояние, размер, форма, структура, поверхностные свойства).

 

При получении дисперсных систем решают две важные задачи:

• получение дисперсных частиц нужного размера и формы;
• стабилизация дисперсных систем, т.е. сохранение размеров дисперсных частиц в течение достаточно длительного времени (особенно актуальна для наночастиц).

 

Методы получения дисперсных систем делятся на: диспергационные, конденсационные и метод пептизации.

 

 

3

 

Диспергационные методы

Методы заключаются в измельчении крупных (макроскопических) образцов данного вещества до частиц дисперсных размеров.

При диспергировании химический состав и агрегатное состояние вещества обычно не меняются, меняется размер частиц и их форма.

Диспергирование происходит, как правило, не самопроизвольно, а с затратой внешней работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил при дроблении вещества.

Диспергационные методы используют в основном для получения грубодисперсных частиц – от 1 мкм и выше  - производство цемента (1 млрд. т в год), измельчении руд полезных ископаемых, получение пищевых продуктов и лекарств и т.д.

 

 

4

 

Работа, затрачиваемая на диспергирование твердого тела, складывается из работы деформирования Wдеф и работы образования новой поверхности Wн.п:            

Работа деформирования пропорциональна объему тела:

 Wдеф = kV

 

Работа образования новой поверхности пропорциональна приращению поверхности:

Wн.п= σΔS

        

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, выражается уравнением Ребиндера:

W= Wдеф + Wн.п= kV+ σΔS

 

 

 

5

 

При дроблении материалы разрушаются по местам прочностных дефектов (трещин). Поэтому, при измельчении прочность частиц возрастает, что используется для получения более прочных материалов.

«Путь к прочности материала лежит через его разрушение». (П.А.Ребиндер).

Для диспергирования твердых тел используют механические (дробление, истирание и т.п.), электрические (распыление в электрическом поле) методы, взрывы.

В лабораторных условиях диспергирование проводят в шаровых и вибрационных мельницах.

 

 

6

 

Для облегчения диспергирования твердых тел используют понизители твердости (растворы электролитов, ПАВы, и др.) – вещества, повышающие эффективность диспергирования (эффект П.А.Ребиндера).

Понизители твердости обычно составляют 0,1 % от общей массы измельчаемых веществ и при этом снижают энергозатраты на получение дисперсных систем более чем в два раза.

 

 

7

 

Механизм уменьшения твердости заключается в том, что добавляемое вещество (понизитель твердости) адсорбируется в местах дефектов кристаллической решетки твердого тела, что приводит к экранированию сил сцепления, действующими между противоположными поверхностями щели (при адсорбции электролитов возникают силы электростатического отталкивания между одноименно заряженными ионами, ПАВы понижают поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело – газ, что облегчает деформирование твердого тела).

Добавки помогают не только разрушить материал, но и стабилизируют систему в дисперсном состоянии, т.к., адсорбируясь на поверхности частиц, мешают их обратному слипанию.

 

 

8

 

Для диспергирования жидкостей используют:

• встряхивание,
• быстрое перемешивание с кавитационными взрывами,
• воздействие ультразвука,
• распыление при течении жидкости через тонкие отверстия при быстром движении струи.

Процессы диспергирования жидкостей имеют большое значение в энергетике – обеспечение эффективного сжигания жидкого топлива, в медицине и т.д.

 

Для диспергирования газов используют:

• одновременное смешивание потоков жидкости и газа в специальных устройствах.
• барботирование – прохождение газовой струи через жидкость с большой скоростью;

 

 

9

 

Значение диспергационных методов 

 

Диспергационные методы занимают ведущее место в мировом производстве различных веществ.

Вещество в дисперсном состоянии:

• обеспечивает удобство расфасовки, транспортировки, дозировки;
• способствуют увеличению скорости химических реакций,  процессов растворения, сорбции, экстракции и др;
• дает возможность получать однородные материалы при составлении смесей и материалы с более высокими прочностными свойствами.

Пример: дробление руды, угля, цемента, минеральных удобрений, получение пищевых продуктов (помол муки).

 

 

10

 

Конденсационные методы

Конденсационные методы основаны на ассоциации молекул в агрегаты из истинных растворов (гомогенных сред).

Путем конденсации в зависимости от условий могут быть получены системы любой дисперсности, с частицами любого размера.

Эти методы в основном используют для получения дисперсных систем с размерами частиц 10-8 – 10-9 м (высокодисперсные и ультрадисперсные), поэтому эти методы широко используют в нанотехнологиях.

Конденсационные методы не требуют затраты внешней работы. Появление новой фазы происходит при пересыщении среды, т.е. создании концентраций, превышающих равновесные.

 

 

11

 

Механизм конденсации включает стадии:

1. Стадия зародышеобразования - возникновение зародышей (центров кристаллизации) в пересыщенном растворе; зародыши образуются тем легче, чем больше в растворе центров зародышеобразования (чужеродных частиц).

2. Рост зародышей.

3.Формирование слоя стабилизатора (слоя противоионов), определяющего устойчивость полученной дисперсной системы (для дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой).

 

 

 

12

 

Правила получения дисперсных систем конденсационными методами

1. Чем больше степень пересыщения, тем меньше радиус зародыша, тем легче он образуется.

2. Для получения мелких частиц необходимо, чтобы скорость образования зародышей была больше скорости их роста.

Пересыщение можно вызвать физическим процессом или проведением химической реакции. Различают физические и химические конденсационные методы.

 

 

13

 

Физические конденсационные методы

 

1. Метод конденсации из паров – образование тумана в газовой фазе при понижении температуры. Применяют при производстве серной и фосфорной кислот, в ректификационных аппаратах (перегонка летучих смесей). В природе – образование тумана, облаков.

 

2. Метод замены растворителя –  раствор данного вещества при постоянном перемешивании приливают к жидкости, в которой это вещество практически не растворимо, возникающее при этом пересыщение приводит к образованию дисперсных частиц. Так получают гидрозоли серы, холестерина, канифоли и др.

 

 

14

 

Химические конденсационные методы

 

Методы основаны на образовании новой фазы (м.р.с.) в результате протекания химических реакций.

Для получения высокодисперсных золей концентрированный раствор одного компонента добавляют к разбавленному раствору другого компонента при постоянном перемешивании.

 

 

15

 

Примеры химических реакций, используемых для образования коллоидных систем:

1. Реакции восстановления (получение золей Au, Ag, Pt и др. металлов).

Восстановление аурата калия формальдегидом.

2NaAuO2 + 3HCOH + Na2CO3 = 2Au + 3HCOONa  +NaHCO3 + H2O

В результате получается золь золота, стабилизированный ауратом калия.

Строение мицеллы этого золя можно представить:

 

2. Реакции обмена (метод, наиболее часто встречающийся на практике).

Получение золя иодида серебра.

AgNO3 + KJ(изб.) = AgJ↓ + KNO3

Строение мицеллы:

 

 

16

 

3. Реакции окисления.

Образование золя серы.

2H2Sр-р + O2 = 2S ↓+ 2H2O

Строение мицеллы:

 

4. Реакции гидролиза (широко применяются для получения золей гидроксидов металлов).

Получение золя гидроксида железа.

FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 ↓ + 3HCl

Cтроение мицеллы:

 

 

17

 

Метод пептизации

 

Пептизация – метод, основанный на переводе в коллоидный раствор осадков, первичные размеры которых уже имеют размеры высокодисперсных систем.

Суть метода: свежевыпавший рыхлый осадок переводят в золь путем обработки пептизаторами (растворами электролитов, ПАВов, растворителем).

 

 

18

 

Методы очистки дисперсных систем

Полученные золи часто содержат низкомолекулярные примеси (чужеродные электролиты), способные разрушать коллоидные системы. Полученные золи во многих случаях приходится очищать.

Очищают также и дисперсные системы природного происхождения (латексы, нефть, вакцины, сыворотки и т.д.).

Для очистки от примесей используют: диализ, электродиализ, ультрафильтрацию.

Диализ – извлечение из золей низкомолекулярных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны), через которую не проходят коллоидные частицы.

Электродиализ – диализ, ускоренный применением внешнего электрического поля.

Ультрафильтрация – электродиализ под давлением (гемодиализ).