|
|
ФКХ Микрогетерогенные системы. Микрогетерогенные системы
1. Адиабатическое расширение газа.
Таким путем образуются облака. Теплые массы влажного воздуха поднимаются в более высокие слои атмосферы. Поскольку там атмосферное давление ниже, происходит адиабатическое расширение, сопровождающееся охлаждением воздуха и конденсацией водяного пара. На относительно небольшой высоте образуются кучевые облака, в которых вода находится в виде жидких капель, в верхних же слоях атмосферы, где температура более низкая, возникают перистые облака, содержащие кристаллики льда.
2. Смешение газов и паров, имеющих разные температуры.
Так образуются атмосферные туманы. Чаще всего туман появляется при ясной погоде ночью, когда поверхность Земли, интенсивно отдавая тепло, сильно охлаждается. Теплый влажный воздух соприкасается с охлаждающейся Землей или с холодным воздухом вблизи ее поверхности и в нем образуются капельки жидкости. То же происходит при смешении фронтов теплого и холодного воздуха.
3. Охлаждение газовой смеси, содержащей пар.
Этот случай можно проиллюстрировать на примере чайника, в котором закипела вода. Из носика вырывается водяной пар, который невидим, поскольку не рассеивает свет. Далее водяной пар быстро охлаждается, вода в нем конденсируется, и уже на небольшом расстоянии от носика чайника мы видим молочное облачко — туман, ставший видимым из-за способности рассеивать свет. Аналогичное явление наблюдается, когда мы открываем форточку в морозный день. Более прочный аэрозоль образуется, когда закипевшее на сковородке масло создает в помещении газ (масляный аэрозоль), удалить который можно лишь хорошо проветрив помещение.
Кроме того, конденсационный аэрозоль может образовываться в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов:
при сгорании топлива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к появлению топочного дыма;
при сгорании фосфора на воздухе образуется белый дым (Р2О5);
при взаимодействии газообразных NH3 и НС1 образуется дым МН4С1 (тв);
окисление металлов на воздухе, происходящее в различных металлургических и химических процессах, сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц оксидов металлов.
ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Диспергационные аэрозоли образуются при измельчении (распылении) твердых и жидких тел в газовой среде и при переходе порошкообразных веществ во взвешенных состояниях при действии воздушных потоков.
Распыление твердых тел происходит в две стадии:
измельчение, а затем распыление. Перевод вещества в состояние аэрозоля должен быть осуществлен в момент применения аэрозоля, так как в отличие от других дисперсных систем — эмульсий, суспензий, аэрозоли нельзя приготовить заранее. В бытовых условиях почти единственным средством получения жидких и порошкообразных аэрозолей является устройство, называемое «аэрозольной упаковкой» или «аэрозольным баллоном». Вещество в нем упаковывается под давлением и распыляется при помощи сжиженных или сжатых газов.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОЗОЛЕЙ
Свойства аэрозолей определяются:
• природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;
• частичной и массовой концентрацией аэрозоля;
• размером частиц и распределением частиц по размерам;
• формой первичных (неагрегированных) частиц;
• структурой аэрозоля;
• зарядом частиц.
Для характеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем, используются массовая концентрация и численная (частичная) концентрация.
Массовая концентрация — масса всех взвешенных частиц в единице объема газа.
Численная концентрация — число частиц в единице объема аэрозоля. Как бы ни велика была численная концентрация в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не может превышать 103 частиц/см3.
РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ
Минимальный размер частиц определен возможностью существования вещества в агрегатном состоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из 20-30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь размер меньше 1 • 10-3 мкм. Чтобы рассматривать газ как непрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо больше, чем свободный пробег молекул газа. Верхний предел размеров частиц строго не определен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время оставаться взвешенными в воздухе.
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ
Особенности молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:
• малой концентрацией частиц дисперсной фазы — так, если в 1 см3 гидрозоля золота содержится 1016 частиц, то в таком же объеме аэрозоля золота менее 107 частиц;
• малой вязкостью дисперсионной среды — воздуха, следовательно, малым коэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц;
• малой плотностью дисперсионной среды, следовательно ρчаст » ρгаза.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ
Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.
1. На частицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация.
2. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.
3. Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.
4. Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.
5. В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз.
6. Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностной ориентацией молекул. Например, на межфазной поверхности аэрозолей воды или снега существует положительный электрический потенциал порядка 250 мВ.
Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe203), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO2, P2O5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.
АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ. КОАГУЛЯЦИЯ
В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует всякое взаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Коагуляция в них происходит по типу быстрой коагуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.
Скорость коагуляции быстро возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля.
Независимо от начальной концентрации аэрозоля через несколько минут в 1 см3 находится 108-106 частиц (для сравнения — в лиозолях
1015 частиц). Таким образом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными системами.
МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
Несмотря на то, что аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми, проблема их разрушения стоит очень остро. Основные проблемы, при разрешении которых возникает необходимость разрушения аэрозолей:
• очистка атмосферного воздуха от промышленных аэрозолей;
• улавливание из промышленного дыма ценных продуктов;
• искусственное дождевание или рассеивание облаков и тумана.
Разрушение аэрозолей происходит путем
рассеивания под действием воздушных течений или вследствие одноименных зарядов частиц;
седиментации;
диффузии к стенкам сосуда;
коагуляции;
испарения частиц дисперсной фазы (в случае аэрозолей летучих веществ).
Из очистных сооружений наиболее древним является дымовая труба. Вредные аэрозоли стараются выпускать в атмосферу как можно выше, так как некоторые химические соединения, попадая в приземный слой атмосферы под действием солнечных лучей и в результате разных реакций, превращаются в менее опасные вещества (на Норильском горно-металлургическом комбинате, например, трехканальная труба имеет высоту 420 м).
Однако современная концентрация промышленного производства требует, чтобы дымовые выбросы проходили предварительную очистку. Разработано много способов разрушения аэрозолей, но любой из них состоит из двух стадий:
первая — улавливание дисперсных частиц, отделение их от газа,
вторая — предотвращение повторного попадания частиц в газовую среду, это связано с проблемой адгезии уловленных частиц, формированием из них прочного осадка.
АЭРОЗОЛЬНЫЕ БАЛЛОНЫ
Принцип действия аэрозольного баллона состоит в том, что помещенный в упаковку препарат смешивается с эвакуирующей жидкостью, давление насыщенного пара которой в интервале температур, при которых эксплуатируется упаковка, выше атмосферного.
Выброс смеси из баллона происходит под действием давления насыщенного пара, находящегося над жидкостью.
Известно, что давление насыщенного пара любого стабильного вещества определяется только температурой и не зависит от объема. Поэтому в течение всего времени работы баллона давление в нем будет оставаться постоянным, следовательно, практически постоянной будет оставаться дальность полета частиц и угол конуса распыления.
В зависимости от характера взаимодействия распыляемого вещества с эвакуирующей жидкостью и его агрегатного состояния, системы в аэрозольной упаковке будут состоять из различного числа фаз. В случае взаимной растворимости компонентов образуется гомогенный жидкий раствор, в других случаях — эмульсия или суспензия и, наконец, гетерогенная система, когда препарат и эвакуирующая жидкость образуют макроскопически неоднородную систему. Очевидно, что в первом случае в аэрозольной упаковке находится двухфазная система — жидкость и насыщенный пар. При выпуске в атмосферу эмульсии или суспензии происходит дробление только дисперсионной среды — получаемые частицы в лучшем случае будут иметь размеры, которые они имели в жидкой фазе.
Когда препарат и эвакуирующая жидкость не смешиваются или ограниченно смешиваются между собой, причем одна из жидкостей диспергирована в другой в виде мелких капелек, образуются эмульсии.
Характер системы, образующейся при выходе продукта из упаковки в атмосферу, зависит от того, какая из жидкостей является дисперсной фазой. Если дисперсная фаза — это препарат, то образуется аэрозоль. Если дисперсной фазой является эвакуирующая жидкость, то получается пена. Размер частиц, получаемых при помощи аэрозольных баллонов, зависит от физико-химических свойств веществ, входящих в состав препарата, соотношения компонентов, конструктивных особенностей баллона и температурных условий его эксплуатации.
Степень дисперсности можно регулировать: « варьируя размеры выходного отверстия;
• изменяя давление насыщенного пара эвакуирующей жидкости;
• меняя количественное соотношение препарата и эвакуирующего агента.
ЭВАКУИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Важнейшим вспомогательным компонентом является вещество, которое обеспечивает выброс препарата в атмосферу и последующее его диспергирование. Эти вещества получили название пропеллентов {лат. «рго-peilere» — гнать). Пропеллент должен выполнять две функции:
• создавать необходимое давление для выброса препарата;
• диспергировать продукт, выпущенный в атмосферу. В качестве пропеллентов используют фреоны и сжатые газы. Фреоны — это низкомолекулярные фторорганические соединения алифатического ряда [Cn(H, Cl, F)2n+2].
Принята следующая система обозначений фреонов: последняя цифра (число единиц) означает число атомов фтора в молекуле, предшествующая цифра (число десятков) — число атомов водорода, увеличенное на единицу, и третья (число сотен) — число атомов углерода, уменьшенное на единицу. Например: F-22 — это CHC1F2, F-114 — это C2C12F4.
Вещества, состоящие из молекул циклического строения, также имеют цифровое обозначение, но перед цифрами ставится буква «С», например: С318 — C4F8 (октафторциклобутан).
В качестве сжатых газов применяют N2, N2O, CO2 и др.
ПРЕИМУЩЕСТВА АЭРОЗОЛЬНЫХ УПАКОВОК
1. Перевод препарата в мелкодисперсное состояние происходит за счет потенциальной энергии сжиженного пропеллента и не требуется применение каких-либо посторонних устройств.
2. Для создания аэрозолей не нужны какие-либо насадки.
3. В единицу времени можно диспергировать значительное количество вещества с получением частиц малого размера — в случае применения других способов потребовалось бы гораздо больше энергии.
4. Режим туманообразования стабилен: размер получаемых частиц, дальность их полета, угол в вершине конуса в течение всего времени эксплуатации мало меняются.
5. Можно заранее фиксировать дозировку распыляемого вещества.
6. Можно задавать размер частиц.
7. Степень полидисперсности аэрозоля невелика.
8. Все частицы имеют одинаковый химический состав.
9. Обеспечивается стерильность распыляемых препаратов.
10. Препарат в упаковке не соприкасается с кислородом воздуха, что обеспечивает его стабильность.
11. Автоматически закрывающийся клапан исключает возможность потери за счет проливания или испарения неиспользованной части продукта.
12. Упаковка постоянно готова к работе.
13. Упаковка компактна. Дает возможность индивидуального или коллективного использования.
Первые аэрозольные упаковки появились в 80-х гг. XX в. в Европе. Во время Второй мировой войны инициативу в области их разработки захватили США. В 1941 г. была создана аэрозольная упаковка — средство для уничтожения насекомых, упакованное в стеклянный сосуд. Пропеллентом служил фреон-12.
В промышленных масштабах производство началось после Второй мировой войны в США, а затем в других странах мира.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ
Широкое использование аэрозолей обусловлено их высокой эффективностью. Известно, что увеличение поверхности вещества сопровождается увеличением его активности. Незначительное количество вещества, распыленное в виде аэрозоля, занимает большой объем и обладает большой реакционной способностью. В этом состоят преимущества аэрозолей перед другими дисперсными системами.
Аэрозоли применяются:
• в различных областях техники, в том числе в военной и космической;
• в сельском хозяйстве; « в здравоохранении;
• в метеорологии; в в быту и т. д.
В последнее время в фармацевтической практике широко применяют приготовление лекарственных форм в виде аэрозолей. Использование лекарственных веществ в виде аэрозолей удобно в тех случаях, когда нужна воздействовать препаратом на большие поверхности (острые заболеваний дыхательных путей, ожоги и т. п.). Большой эффект дают лекарственные формы, содержащие в своем составе жидкие пленкообразующие вещества. При распылении такого препарата на пораженный участок он покрывается тонкой, прозрачной пленкой, которая заменяет повязку.
Остановимся подробнее на применении аэрозольных упаковок.
В настоящее время насчитывается более 300 видов товаров в аэрозольных упаковках.
Первая группа: средства бытовой химии.
• Инсектициды — препараты для уничтожения насекомых.
• Средства против моли.
• Инсектициды для обработки домашних животных.
• Средства защиты комнатных растений и плодово-ягодных культур от грибковых болезней и вредителей.
• Лаки и краски.
• Освежители воздуха.
в Полирующие и чистящие составы.
Вторая группа:
•парфюмерно-косметические средства. « Средства ухода за волосами (лаки, шампуни )
• Пены и гели для бритья.
• Кремы для рук и ног.
• Масло для и от загара.
•Дезодоранты.
•Духи, одеколоны, туалетная вода.
Третья группа: медицинские аэрозоли.
Четвертая группа: технические аэрозоли.
• Смазочные масла.
• Антикоррозионные покрытия.
• Защитные пленки. « Сухие смазки.
•Эмульсии для охлаждения резцов на сверлильных станках.
Пятая группа: пищевые аэрозоли.
ПИЩЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ
Первые баллоны с пищевыми продуктами появились в 1947 г. в США. Они содержали кремы для отделки тортов и пирожных и применялись только в ресторанах, которые возвращали их для повторного заполнения. Массовое производство этого вида аэрозольных упаковок началось лишь в 1958 г.
Аэрозольные упаковки пищевых продуктов можно разделить на три основных группы:
упаковки, требующие хранения при низкой температуре;
упаковки с последующей тепловой обработкой;
упаковки без последующей тепловой обработки.
В аэрозольных упаковках выпускаются пищевые продукты трех видов: кремы, жидкости, пасты. В аэрозольных упаковках можно купить приправы для салатов, плавленый сыр, соки, корицу, майонез, томатный сок, 30% -е взбитые сливки и т. д.
Рост производства пищевых аэрозолей объясняется следующим:
преимуществами перед обычными видами тары;
разработкой новых пропеллентов;
усовершенствованием технологии заполнения.
Преимущества аэрозольной упаковки пищевых продуктов:
удобство использования;
экономия времени;
пища упаковывается в подготовленном к употреблению состоянии и выдается из упаковки в однородном виде;
нет утечки продуктов;
влага не теряется и не проникает в упаковку;
не теряется аромат;
продукт сохраняется в стерильном виде.
К рецептурам пищевых аэрозолей предъявляются следующие требования:
1. Пропелленты должны быть высокой чистоты, не быть токсичными, не иметь вкуса и запаха. В настоящее время используются диоксид углерода, закись азота, азот, аргон и фреон С318.
2. Сжатые газы, имеющие весьма ограниченную растворимость в водных растворах, не могут участвовать в образовании пены, а это необходимо для взбитых сливок, декоративных кремов, муссов и т. п. С этими продуктами предпочтительнее использовать фреон С318, хотя он значительно дороже.
3. Использование фреонов дает еще одно преимущество: сжиженные газы вводятся в рецептуры продуктов, которые выделяются в виде пены, в количестве не более 10% веса, при этом они занимают сравнительно небольшой объем. Это позволяет загрузить в баллон значительно больше продуктов — 90% емкости баллона (в упаковках со сжатым газом лишь 50%) и гарантирует полную выдачу продукта из упаковки.
4. Выбор пропеллента диктуется типом пищевого продукта и предполагаемой формой его выдачи (крем, жидкость, паста). Хорошо зарекомендовали себя смеси СОг и закиси азота высокой чистоты. Для получения пены применяются смеси фреона С318 с закисью азота. Упакованный с этой смесью крем для отделки тортов дает устойчивую пену, хорошо сохраняющую цвет. Для сиропов самым подходящим пропеллентом считается СО2.
Качество выдачи содержимого из баллона зависит от следующих факторов:
• технологии приготовления продукта;
• стабилизатора (широко используется микрокристаллическая целлюлоза);
• правильного выбора баллона и клапана.
Для корицы и лимонного сока разработана управляемая распылительная головка, которая по желанию может выдавать продукты либо в виде капель, либо в виде струи. Для искусственных подсластителей применяются дозирующие клапаны, одна выдаваемая ими доза соответствует одному куску пиленого сахара и т. д.
АЭРОЗОЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ
В мукомольной, крупяной, комбикормовой промышленности широко применяется пневматический транспорт, который создает условия для внедрения автоматизации, повышения производительности труда и снижения себестоимости. Однако применение пневматического транспорта сопряжено с большой затратой электроэнергии на перемещение большого объема воздуха (1 кг воздуха перемещает 5-6 кг сыпучего материала).
Более прогрессивным является аэрозольный транспорт, при котором большая концентрация материала в воздушном потоке достигается благодаря аэрации муки в начале транспортирования и высокому давлению воздуха. Аэрация нарушает сцепление между частицами муки, и она приобретает свойство текучести, подобно жидкости, в результате 1 кг воздуха перемещает до 200 кг муки.
Аэрозольтранспортная установка состоит из питателя, нагнетателя, материалопровода и разгрузителя. Основным элементом является питатель, в котором смешиваются воздух с материалом и смеси сообщается начальная скорость, что обеспечивает ее подачу в материалопровод.
Внедрение аэрозольтранспорта дает возможность повысить производительность мельниц и снизить удельный расход электроэнергии.
Аэрозольному транспорту принадлежит будущее не только в мукомольной, но и в других отраслях промышленности, связанных с использованием сыпучих материалов и порошков.
Аэрозоли — это микрогетерогенные системы, в которых частицы твердого вещества или капельки жидкости взвешены в газе (Т/Г или Ж/Г),
По агрегатному состоянию дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на: туман (Ж/Г); дым, пыль (Т/Г); смог [(Ж+Т)/Г)].
По дисперсности аэрозоли бывают: туман, дым, пыль.
Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены из истинных растворов (конденсационные методы) или из грубодисперсных систем (диспергационные методы).
Капельки воды в туманах всегда сферические, а твердые частицы дыма могут иметь разную форму в зависимости от их происхождения.
Благодаря очень маленьким размерам частиц дисперсной фазы они имеют развитую поверхность, на которой могут активно протекать адсорбция, горение, другие химические реакции.
|
|
|
Скачать 72.13 Kb.