С. Ш.Құмарғалиева коллоидтық химия

Дисперстік бөлшектердің алынуы

жүктеу 5,89 Mb.

бет	4/105
Дата	25.10.2023
өлшемі	5,89 Mb.
	#44020

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 105

treatise128700

Диспергациялық әдістер.

1.2. Дисперстік бөлшектердің алынуы

Дисперстік бөлшектер дисперсті жүйелердің құрылымдық элементтері болып табылады. Коллоидтық химияның негізгі мәселесі – практикалық жағынан қажетті химиялық және физикалық қасиеттері бар дисперстік бөлшектерді алу жолдарын дамыту. Дисперсті жүйелер өндірістің барлық салаларында да қолданылатындықтан, дисперстік бөлшектерді алу қолданбалы маңызы зор мәселе.

Дисперстік бөлшектерді алу үшін екі мәселені шешу керек.

Белгілі бір өлшемдегі және тиісті түрдегі дисперстік бөлшектерді алудың тиімді тәсілдерін дамыту. Коллоидтық химияда дисперстік бөлшектердің өлшемі мен түрін реттеуге мүмкіндік беретін физикалық және химиялық әдістемелер бар.
Дисперстік бөлшектерді тұрақтандыру, яғни олардың өлшемі мен түрін ұзақ уақытқа дейін сақтау. Тұрақтандыру коллоидтық химияның негізгі мәселелеріне жатады. Себебі фазалардың жанасу шекарасындағы беттік бос энергияның салдарынан дисперсті жүйелерге термодинамикалық тұрақсыздық тән. Сондықтан үлкен меншікті беттік ауданға ие жоғары дисперстік бөлшектер мен нанобөлшектер үшін тұрақтандыру мәселесі өте маңызды. Тұрақтандырусыз бөлшектер бірігіп, дисперсті жүйе жойылады. Қазіргі заманда дисперсті жүйелерді тұрақтандыратын коллоидтық химияның бірнеше тиімді әдістері бар. Бұл әдістер іс жүзінде кеңінен қолданылады.

Дисперстік бөлшектерді алу әдістерін екі топқа бөледі: диспергациялық (дисперстеу) және конденсациялық.
Диспергациялық әдістер. Бұл әдістерде заттың ірі (макроскопиялық) үлгілерін дисперстік өлшемдегі бөлшектерге дейін ұсақтайды. Дисперсиялағанда заттың химиялық құрамы мен агрегаттық күйі өзгермей, тек бөлшектердің өлшемдері мен түрі ғана өзгеріске ұшырайды.
Диспергациялық әдістерді көбінесе дөрекі дисперстік (1 мкм және одан да үлкен) бөлшектерді алу үшін қолданады. Арнайы құралдар арқылы бөлшектердің өлшемдерін 0,1 мкм-ге дейін кішірейтуге болады, бірақ өндірісте әдетте одан ірі бөлшектер алынады.
Қатты денелерді, сұйықтықтарды және газдарды дисперстеу үрдістерінде айтарлықтай айырмашылықтары бар.
Қатты денелерді дисперстеу. Қатты денелерді дисперстеу үшін механикалық (ұсақтау, үйкелеу) және электрлік (электр өрісінде тозаңдату) әдістерді пайдаланады. Бұл үрдістерді цемент өндіруде, тамақ өндірісінде, бидай мен басқа дақылдарды ұнтақтауда, энергетикада (көмірді ұсақтау), бояуларды, толықтырғыштарды алуда кеңінен қолданады. Мұндай өндірістердің көлемдері өте үлкен. Мысалы, дүние жүзінде жылына 1 млрд тоннадан астам ұнтақтар өндіріледі. Сондықтан өндірістік дисперстеуге жұмсалатын қаржы да едәуір көп. Дисперстеу әдістерін одан ары дамыту жақсы экономикалық нәтижелер береді. Тиімді жолдардың біреуі – дененің беріктігін азайтатын беттік құбылыстарды (жұғу, адсорбция, электркапиллярлық эффекті) пайдалану.
Дисперстеу көптеген табиғи үрдістерде де, мысалы тау жытыстарының эрозиясында, үлкен роль атқарады. Тағы да бір айта кететін жағдай – ұсақ өнімдер, әсіресе ұнтақтардың жоғары дисперсті бөлшектері суды, топырақтарды және ауаны ластайды. Сондықтан да дисперстеу (техникалық және табиғи) қоршаған ортаға елеулі зиян тигізеді, осыған байланысты табиғатты қорғаудың арнайы шараларын қолдану қажет.
Қатты денелерді дисперстеудің кең таралған тәсілі – механикалық ұсақтау. Ол көптеген технологиялық үрдістерде қолданылады, арнайы құралдар да (диірмендер, ұсақтағыш құралдар және т.б.) да құрастырылған. Мұндай қондырғыларда ұсақталатын денеге күшті механикалық жүктемелер (созылу, ұру) әсер етіп, үлкен кернеулердің пайда болу нәтижесінде ірі денелер ұсақ бөлшектерге дейін ыдырайды. Сынғыш денелерді (шыныны, көптеген минералдарды, керамиканы) ұсақтау үрдісі тиімді жүреді. Иілгіш денелерді (металдарды) ұсақтау қиынырақ. Себебі мұндай денелерде механикалық жүктемелер алдымен иілгіш деформацияларды туғызып, одан кейін ғана дене бұзылады. Сондықтан иілгіш денелерді механикалық жолмен дисперстеудің энергиялық шығыны өте үлкен.
Зертханалық жағдайларда дисперстеу үшін шар диірмендерін пайдаланады. Ішінде қатты денеден (болаттан, агаттан, фарфордан) жасалған шарлар орналасқан цилиндрлік камераға ұсақталатын денені салады. Камера айналғанда шарлар денеге көптеген соққы көрсетіп, оны ұсақ бөлшектерге дейін дисперстейді. Мұндай тәсілмен ұнтақталған бөлшектердің түрі мен өлшемдері әртүрлі болады.
Оған қарағанда вибрациялық, коллоидтық диірмендер тиімдірек. Вибрациялық диірмендерде денеге периодтық тербеліс, ал коллоидтық диірмендерде бөлшектердің бір біріне соқтығысуы мен үйкелуі әсер етеді.
Механикалық дисперстеуден басқа бірнеше күрделі тәсілдер бар. Сұйықтықта орналасқан қатты денені ұсақтау үшін тербеліс жиілігі 20 мың Гц болатын ультрадыбыс қолданылады. Сұйықтықтың аз көлемінде ультрадыбыс сығылу мен созылудың күрт өзгерістерін туғызады, нәтижесінде дене бұзылып, дисперсияланады. Ультрадыбыс әдісі органикалық сұйықтықтардағы металдардың дисперстік бөлшектерін (органозольдерді) және күкірттің, гипстің, гидрофильді полимерлердің судағы коллоидтық ерітінділерін алу үшін қолайлы.
Тағы бір әдіс – диэлектрлік сұйық ортадағы үлкен кернеудің әсеріне негізделген электргидравликалық дисперстеу. Бұл электрлік тәсілде суда дисперсияланатын денеден (металдан) жасалған электродтар арасындағы вольт доғасын пайдаланады. Доғаның жоғары температурасынан металл өте ұсақ бөлшектер күйінде шашырайды.
Дисперсиялық әдістерге пептизация не дезагрегация деп аталатын коллоидтық-химиялық үрдісі де жатады. Мұнда бастапқы дене ретінде коллоидтық ерітінділерде агрегаттанып, седиментацияланған қатты бөлшектерден тұратын байланысқан дисперсті жүйелер – коагуляттар алынады. Пептизация дегеніміз коагулятты сұйықтықтың көп мөлшерімін жуып-шайуынан не арнайы реагенттердің (пептизаторлардың) әсерінен құрылымның жеке бөлшектерге дейін бұзылуы.
Сұйықтықтарды дисперстеу. Сұйықтықтарды дисперстеу және аэрозольдер мен эмульсиялардағы ұсақ тамшыларды алу үшін көбінесе механикалық әдістерді: шайқауды, сұйық ағыстың үзілуіне әкелетін жылдам араластыруды, ультрадыбыстың әсерін қолданады. Сұйықтықты үлкен жылдамдықпен ұсақ саңылаулар арқылы ағызып, шашырату тәсілін де пайдаланады. Сұйықтық молекулаларының арасындағы когезиялық байланыстарды бұзатындай кинетикалық энергияға жету үшін ағыс жылдамдығы үлкен болу керек. Когезиялық күштер сандық күйде сұйықтықтың беттік керілуімен сипатталады. Онда үзілу (дисперсиялану) шартын Вебер саны деп аталатын өлшемсіз көрсеткіш анықтайды:

, (1.1)

мұндағы ρ_l– сұйықтықтың тығыздығы; r – ағыстың радиусы; υ – ағыс жылдамдығы, σ – сұйықтықтың беттік керілуі.

Вебер санының үлкен мәндерінде дисперсиялану жүреді. Сұйықтықтың дисперсиялануы өте күрделі құбылыс және механизмдері әртүрлі болуы мүмкін. Бұл құбылыстың алты механизмі белгілі, олардың әрқайсысына өзінің Вебер саны сәйкес келеді.
Сұйықтықтың дисперсиялану үрдістерінің энергетикада сұйық жанар-жағар майлардың тиімді жануын қамтамасыз ету үшін; медицинада; әртүрлі эмульсиялық жүйелерді алу үшін (мысалы, дезинфекциялау үшін), практикалық маңызы зор.
Өздігінен дисперсиялану. Белгілі жағдайда макроскопиялық фаза (қатты не сұйық) сырттан ешқандай – механикалық, электрлік, т.б. – жұмыс жұмсамай-ақ дисперстік бөлшектерге не тамшыларға ыдырайды. Мұны өздігінен дисперсиялану деп атайды. Ол тек дисперстік бөлшектер мен дисперсиялық ортаның арасындағы шекараның фазааралық керілуі өте аз болатын лиофильді жүйелерге тән қасиет.
Өздігінен дисперсияланатын жүйелердің мысалы ретінде критикалық эмульсияларды келтіруге болады. Олар бір бірінде ерімейтін сұйықтықтардан тұрады. Мысалы, анилин-су жүйесінде температураның артуымен фазааралық керілу азайып, критикалық температураның маңайында өте аз шамаға ие болады (0,01 мДж/м² жақын, не одан да аз). Мұндай жағдайда сұйықтықтың біреуі өлшемдері ондаған нанометрді құрайтын микротамшыларға ыдырап, эмульсия өздігінен түзіледі. Микротамшылардың «өмір сүру» уақыты қысқа, яғни үнемі екі үрдіс: тамшылардың түзіліуі мен бірігуі қатар жүреді. Мұндай динамикалық тепе-теңдік температураның өзгерістеріне сезімтал болып, критикалық эмульсиялар температураның кіші аралығында ғана тұрақты бола алады.
Қатты, әсіресе құрылымы көп қабатты болатын денелерде де да өздігінен дисперсиялана алады: мысалы, саздың судағы, графиттің сұйық натрийдегі езілуі.
Дисперстік фаза бөлшектері мен дисперсиялық ортаның арасындағы фазааралық керілуді елеулі азайтатын беттік-активті заттарды жүйеге енгізіп, өздігінен дисперсиялануды жеңілдетуге болады. Бұл тәсіл әртүрлі эмульсияларды алу үшін қолданылады.
Газдардың дисперсиялануы. Сұйықтықтағы газ көпіршіктерін алу үшін келесі дисперстеу нұсқауларын пайдаланады:

Барботаждау – газды үлкен жылдамдықпен сұйықтықтан өткізу, нәтижесінде газдың ағысы тұрақсызданып, жеке-жеке ұсақ көпіршіктерге ыдырайды.
Ағыстарды араластыратын құралдар арқылы сұйықтық пен газды бірге ағызу, нәтижесінде газ көпіршіктері түзіледі; дисперсиялағыш құралдар ретінде мембраналар, жіңішке түтікшелер, кеуекті жүйелер және т.б. қолданылады.

Радиусы r₀ саңылаудан аз жылдамдықпен өтетін газ көпіршіктерінің радиусы r_b келесі теңдеумен анықталады:

, (1.2)

мұндағы σ_l – сұйықтықтың беттік керілуі; Δρ – сұйықтық пен газ тығыздықтарының айырымы; g – еркін түсу үдеуі.

Яғни мұндай жағдайда көпіршіктердің радиусы газдың көлемдік жылдамдығына (υ_g, м³/с) тәуелсіз. Керісінше, жылдамдықтың артуымен көпіршіктердің радиусы да өседі:

, (1.3)
мұндағы υ_b – сұйықтықтың тұтқырлығына тәуелді көпіршіктің бетке қалқып шығу жылдамдығы.

жүктеу 5,89 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 105