15.5. Коалесценция
Коалесценция дегеніміз тура және кері эмульсиялар мен аэрозольдердегі (тұмандарда) тамшылардың, көбіктер мен газды эмульсиялардағы газ көпіршіктерінің өздігінен бірігу процесі.
Коалесценция нәтижесінде дисперстік бөлшектер (тамшылар мен көпіршіктер) іріленеді, сондықтан дисперсті жүйеде седиментациялық тұрақсызға айналады. Ірі газ көпіршіктері және тығыздығы ρd дисперсиялық ортаның тығыздығынан ρ0 аз болатын тамшылар жүйенің бетіне қалқып шығады. Егер тамшылардың тығыздығы дисперсиялық ортаның тығыздығынан үлкен болса (ρd > ρ0), коалесценция тамшылардың седиментациясына әкеледі. Мұндай жағдай кері эмульсияларға тән.
Яғни коалесценция дисперсті жүйені (эмульсияны, көбікті, аэрозольді) құрайтын фазалардың бөлінуіне әкеледі. Нәтижесінде дисперсті жүйе жойылады. Ол өзінің негізгі қасиеттерін – дисперстік бөлшектердің өлшемдерін, олардың дисперсиялық ортадағы тепе-теңдікті таралуын және дисперстік фазаның микрогетерогенділігін жоғалтады.
Эмульсиялар мен көбіктер ұзақ уақыт өмір сүру үшін коалесценцияны болдырмайтын (кедергі жасайтын) тиімді тұрақтандыру әдістері керек.
Көптеген практикалық жағдайда, керісінше жылдам коалесценция мен фазалардың бөлінуі қажет.
Коалесценция термодинамикасының себебі (коагуляция сияқты) барлық лиофобты дисперсті жүйелердің агрегаттық тұрақсыздығына жатыр. Тұрақсыздық өлшемі ретінде дисперстік жүйенің Гельмгоьц энтальпиясының артық мөлшері, яғни жүйенің беттік бос энергиясы алынады:
, (15.12)
мұндағы σ12 – дисперстік фаза мен дисперсиялық ортаның бөлу шекарасындағы беттік керілу, sd – меншікті аудан, md - дисперстік бөлшектердің жалпы массасы.
Коагуляция кезінде Гельмголц энтальпиясының артық мөлшері азаяды: dFn/dt < 0.
Коагуляция мен коалесценция термодинамикасының себебі бірдей болғанымен, бұл коллоидтық үрдістердің механизмдері әртүрлі. Коагуляция кезінде қатты бөлшектер бірігіп, ірі агрегаттар түзеді, бірақ әр бөлшектің бастапқы түрі мен өлшемі өзгермейді. Яғни беттік энергияның азаюы меншікті беттің азаюынан емес, жақындаған бөлшектердің арасындағы жұқа сұйық пленканың беттік керілуі төмендегенінен жүреді. Керісінше, сұйықтықтың тамшылары мен газ көпіршіктері бір-бірімен бірігіп үлкен бір тамшы, не көпіршік түзеді. Сондықтан коалесценцияның себебі – меншікті беттің азаюы.
Коалесценцияның мұндай механизмін есептеу арқылы көрсетуге болады. Ол үшін көлемі бірдей екі сфералық тамшылардың бірігуінің қарапайым жағдайын қарастырайық:
, (15.13)
мұндағы r1 – тамшының радиусы. Олардың жалпы ауданы .
Екі тамшы біріккеннен кейін, көлемі V2 = 2V1, радиусы , ауданы шамасына дейін өзгеріп, біріккеннен кейін шамасына, яғни бастапқы мәнінен ≈40 % кемиді.
Көп сатылы коалесценция үрдісін қарастырайық.
Бірінші саты – екі тамшының (газ көпіршігінің) бір-біріне жақындап, жанасу нүктесінің пайда болуы.
Екінші саты – жанасу нүктесінде түрі ойыс менискіге сәйкес жіңішке пленка түзіледі, оның түзілуі жалпы ауданның ұлғаюына байланысты, яғни жұмысты қажет етеді. Мұндай жұмыс тамшылардың кинетикалық энергиясының есесінен жұмсалады. Екі тамшы соқтығысқанда, біреуі болса да қозғалып, оның жылдамдығы диффузия коэффициентімен анықталады.
Үшінші саты – сұйықтық бір тамшыдан екінші тамшыға ағады. Ағудың себебі жанасқан тамшылардағы капиллярлық қысымдардың айырмашылығы. Мұндай жағдайда тамшылардың радиустарының бірдей болмауы маңызды роль атқарады.
Егер rA < rB, пленка түзілгенде, pA > pB дисперстік фазаның сұйықтығы А тамшысынан В тамшысына аға бастайды. Нәтижесінде А тамшысының көлемі мен радиусы кемиді: dVA< 0, drA < 0. Керісінше, В тамшының көлемімен радиусы ұлғаяды: dVB> 0, drB > 0. Ағу кезінде капиллярлық қысымдар айырымы ∆p=pA-pB өсіп, ағыс жылдамдығы артады да тамшылардың бірігуі өте тез – секундтың ондық бөлігінде жүреді.
Сондықтан, коалесценцияны лимиттеуші сатысы – тамшылардың соқтығысуы. Бастапқы эмульсияның дисперс-тілігі неғұрлым жоғары болса, соғұрлым броундық қозғалысының жылдамдығы үлкен, соқтығысулары жиі болады. Мұндай жағдайда коалесценция жылдам кинетикасын коагуляцияға сәйкес теңдеуімен анықтауға болады. Мұндағы ν0 - бастапқы эмульсияның көлем бірлігіндегі тамшылар саны.
Тамшылардың коалесценция жылдамдығы олардың соқтығысу жиілігіне байланысты болғандықтан, үрдіске дисперсиялық ортаның тұтқырлығы әсер етеді: тұтқырлықтың артуымен тамшылардың жақындасуы баяулайды.
Таза сұйықтықтардың эмульсияларындағы коалесценция кинетикасын талдау келесі қорытындыға әкеледі: тамшылардың соқтығысуын тоқтату мүмкін емес. Сондықтан эмульсиялардың тұрақтылығын екінші сатыны тоқтату арқылы қамтамасыз етуге болады.
Эмульсияларды тұрақтандырудың тиімді тәсілі – тамшылардың бетінде құрылым-механикалық тосқауылдың түзілуі. Мұндай тосқауылдар әртүрлі жолмен пайда болуы мүмкін. Негізгілері – гидрофильді-липофильді балансы сәйкес БАЗ-ң адсорбциясы; жоғары молекулалы БАЗ-дар мен биополимерлердің жұқа құрылымдалған қабаттарының түзілуі; дисперстік фаза сұйықтығын жақсы жұқтыратын заттың қатты бөлшектерін тамшылардың бетіне қондыру.
Достарыңызбен бөлісу: |
