лаба 5. Отчет по лабораторной работе 5 по дисциплине прикладная физическая и коллоидная химия
 Скачать 43.81 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра нефтегазового дела ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ НА УСТОЙЧИВОСТЬ СУСПЕНЗИИ Отчет по лабораторной работе № 5 по дисциплине прикладная физическая и коллоидная химия Выполнил Гороховская М.А. НДДб-19-1 ______________ студент, номер группы (подпись) Принял Помазкина О.И. ______________ должность (подпись) Иркутск, 2021 Цель работы: экспериментально исследовать влияние жесткости воды на пенообразование и устойчивость пены. Задание: приготовить три вида суспензии из артезианской, байкальской и дистиллированной воды, к ней добавить ПАВ, провести исследования. Материалы: артезианская вода, байкальская вода, дистиллированная вода. ПАВ (анионактивные, неионоактивные , катионоактивные). Оборудование: конические колбы (50 мл), шприцы (2 мл и 10 мл), стеклянная палочка, линейка, секундомер, образцы воды: байкальская, водопроводная и дистиллированная; образцы ПАВ разного вида (катионоактивные, анионактивные и желатин). Теоретическая часть Пены Пены - ячеистые дисперсные системы, представляющие собой совокупность пузырьков газа (пара), разделённых тонкими прослойками жидкости. Пены по размеру пузырьков относятся к грубодисперсным системам. Общий объём заключённого в них газа может в сотни раз превосходить объём дисперсионной среды - жидкости, находящейся в прослойках. Отношение объёма пены к объёму жидкой фазы называют Кратностью пены. При формировании высокократных пен пузырьки превращаются в многогранные ячейки, а жидкие прослойки - в плёнки толщиной несколько сотен, иногда несколько десятков нм. Такие плёнки образуют пространственный каркас, обладающий некоторой упругостью и прочностью. Поэтому пены имеют свойства структурированных систем. Одна из основных характеристик пены - устойчивость, определяемая по времени уменьшения на 50% объёма или высоты слоя пены, изменению её дисперсности и др. методами. Образование пены, или вспенивание, происходит при диспергировании газа в жидкой среде и во время выделения новой газовой фазы в объёме жидкости. Возникновение устойчивых высокодисперсных пен обусловлено присутствием в жидкости стабилизаторов пены, или пенообразователей. Эти вещества облегчают вспенивание и затрудняют отток жидкости из пенных плёнок, препятствуя коалесценции (слиянию) пузырьков. В водных средах особенно эффективны мыла, мылоподобные поверхностно-активные вещества и некоторые растворимые полимеры, образующие на границе жидкости с газом слои с явно выраженными структурно-механическими свойствами. Увеличение вязкости дисперсионной среды повышает устойчивость пены. Чистые жидкости с низкой вязкостью не образуют пены. Для разрушения пены или предупреждения их образования используют противопенные вещества, или пеногасители. Эффективные пеногасители - поверхностно-активные вещества, вытесняющие с поверхности жидкости пенообразователи, но сами не способные обеспечить стабилизацию пены (спирты, эфиры, алкиламины). Иногда пены разрушают воздействием высоких температур, механическим путём или просто «отстаиванием». Поверхностно-активные вещества Поверхностно-активные вещества - вещества, способные накапливаться (сгущаться) на поверхности соприкосновения двух тел, называемой поверхностью раздела фаз, или межфазной поверхностью. На межфазной поверхности поверхностно-активные вещества образуют слой повышенной концентрации - адсорбционный слой. Любое вещество в виде компонента жидкого раствора или газа (пара) при соответствующих условиях может проявить поверхностную активность, т.е. адсорбироваться под действием межмолекулярных сил на той или иной поверхности, понижая её свободную энергию. Однако поверхностно- активными обычно называются лишь те вещества, адсорбция которых из растворов уже при весьма малых концентрациях (десятые и сотые доли %) приводит к резкому снижению поверхностного натяжения. Типичные поверхностно-активные вещества - органические соединения лиофильного строения, т.е. содержащие в молекуле атомные группы, сильно различающиеся по интенсивности взаимодействия с окружающей средой. По типу гидрофильных групп поверхностно-активные вещества делят на ионные, или ионогенные, и неионные, или неионогенные. Ионные Поверхностно-активные вещества распадаются в воде на ионы, одни из которых обладают адсорбционной (поверхностной) активностью, другие (противоионы) - адсорбционно неактивны. Если адсорбционно активны анионы, поверхностно-активные вещества называют анионными, или анионактивными, в противоположном случае - катионными, или катионоактивными. Анионные поверхностно-активные вещества - органические кислоты и их соли, катионные - основания, обычно амины различной степени замещения, и их соли. Некоторые поверхностно-активные вещества содержат и кислотные, и основные группы. В зависимости от условий они проявляют свойства или анионных, или катионных поверхностно-активных веществ, поэтому их называют амфотерными, или амфолитными. Поверхностное натяжение Для образования пены необходимо уменьшить поверхностное натяжение воды. Как известно, эта величина для воды является довольно большой. Поверхностное натяжение - это важнейшая характеристика поверхности раздела фаз. Оно зависит от рода жидкости и от её температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Так называемые поверхностно-активные вещества (мыло) также уменьшают поверхностное натяжение. В случае жидкостей поверхностное натяжение рассматривают как силу, которая сокращает поверхность до минимума. А образование пены - это явление, которое противоречит силе поверхностного натяжения, потому что в этой ситуации поверхность тела (воды) увеличивается. Следовательно, для образования пены необходимо уменьшить поверхностное натяжение, используя при этом поверхностно-активные вещества. Ход работы Для исследования выбрать конические колбы одинаково объёма с расчётом, что бы даже при сильном вспенивании они были заполнены не более чем на половину объёма. Для точности эксперимента необходимо взять равные объёмы воды и к ним добавлять равные объёмы ПАВ. Для большей лёгкости и точности исследования в качестве измерителя объёма взять медицинский шприц на 2 и 10 мл, для измерения времени - секундомер. Все измерения должны проводиться при одинаковой температуре всех веществ. Данное условие легко достигается, когда за постоянную температуру принята комнатная и все вещества продолжительное время будут находиться при этой температуре. Для исследования использовать ПАВ одинаковой концентрации. Мы использовали промысловые ПАВ, которые входят в состав обычных веществ. 1. Отмерить по 20 мл каждого из предложенных видов воды и налить их в колбы. 2. К равным объёмам воды добавить по 2 мл раствора поверхностно-активного вещества, встряхнуть. 3. Определить наблюдаемый эффект. 4. Измерить высоту пены и время исчезновение половины её объёма. Использование анионактивных ПАВ В качестве анионактивных ПАВ взять мыло. При растворении в воде оно образует отрицательно активные ионы:  Приготовить раствор мыла, 2 мл который добавить ко всем видам воды. Полученные результаты занесены в таблицу 1. Таблица 1. Влияние жёсткости воды на пенообразование и устойчивость пены для анионактивных ПАВ
Вывод: исследования показали, что жёсткость воды довольно сильно влияет на пенообразование и устойчивость пены при использовании анионоактивного ПАВ. Значит, чем больше в воде находится ионов, тем меньше объём образованной пены и ниже её устойчивость. Использование катионоактивных ПАВ В качестве катионоактивних ПАВ взять ополаскиватель для белья, который включет вещества из группы тетраалкиламмоний-хлоридов. Эти вещества относятся к классу четвертичных амонийных солей. При растворении в воде образуются дополнительные активные ионы. Полученные в ходе опыта результаты занести в таблицу 2. Таблица 2. Влияние жёсткости воды на пенообразование и устойчивость пены для катионоактивных ПАВ
Вывод: во всех случаях с разным типом воды, пена не очень большого объема. Жесткость воды действует на пенообразование и устойчивость пены для катионактивных ПАВ, то есть при увеличении жесткости воды устойчивость такой пены уменьшается. Использование амфотерных ПАВ В качестве амфотерных ПАВ взять желатин. При растворении в воде он не образует ионов. Полученные результаты занесены в таблицу 3. Таблица 3 Влияние жёсткости воды на пенообразование и устойчивость пены для амфотерных ПАВ
Вывод: во всех случаях образовалась пена небольшого объёма, но менее устойчивая чем в предыдущих опытах. Итак, после выполнения лабораторной работы, можно сделать вывод, что устойчивость пены зависит от: Объём образованной пены зависит от жёсткости воды и особенности пенообразователя - ПАВ. Устойчивость пены зависит от таких факторов, как жёсткость воды и заряда активного иона ПАВ. С ростом жёсткости воды объём и устойчивость пены уменьшается. Контрольные вопросы Какие системы называются пенами? Какую структуру имеют пены?; ПАВ и их классификация; Назовите методы получения пен; Являются ли пены термодинамически устойчивыми системами?; В чем заключается агрегативная устойчивость пен?; В чем заключается седиментационная устойчивость пен? Как ее повысить? Какие вещества используют в качестве пенообразователей?; Где применяются ПАВ?; Назовите методы разрушения пен; Факторы влияющие на устойчивость пен; Что называется кратностью пен? Контрольные ответы. 1. Какие системы называются пенами? Какую структуру имеют пены?; 1) Пены - ячеистые дисперсные системы, представляющие собой совокупность пузырьков газа (пара), разделённых тонкими прослойками жидкости. Структура ячеистая диаметр пузырьков мал, по визуальной оценке, не превышает 0,3-0,4 мм. Структура определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз в зависимости от этого соотношения ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную форму. 2. ПАВ и их классификация; Поверхностно-активные вещества - вещества, способные накапливаться (сгущаться) на поверхности соприкосновения двух тел, называемой поверхностью раздела фаз, или межфазной поверхностью. Классификация: По типу гидрофильных групп (для ПАВ эта классификация является основной.): - ионные, или ионогенные, - анионные, - катионные, - амфотерные. - неионные, или неионогенные. По характеру использования: - Моющие средства - Эмульгаторы - Смачиватели - Солюблизаторы По длине гидрофобной цепи: - гидрофобные ПАВ - гидрофильные ПАВ 3.Назовите методы получения пен; Диспергационные методы – пена образуется при механическом перемешивании газа с жидкостью, что можно наблюдать при флотации и стирке и других процессах. Конденсационные методы – выделение новой газовой фазы в объёме жидкости. Получение пены подразделяют на химические и физические. В первом случае газовыделение жидкости происходит в результате химической реакции Во втором газ выделяется вследствие утраты растворимости в жидкости. 4. Являются ли пены термодинамически устойчивыми системами?; Пены являются типичными лиофобными системами. Термодинамически они не устойчивы. В них протекают следующие процессы, ведущие к изменению строения и постепенному разрушению пены. 1. Диффузионный перенос газа из мелких пузырьков в более крупные и из поверхностных пузырьков во внешнюю среду. В этом проявляется агрегативная неустойчивость. 2. Отекание дисперсионной среды под действием силы тяжести. В этом состоит седиментационная неустойчивость пен. 3. Указанные процессы ведут к утончению пенных пленок и их постепенному разрушению. 5.В чем заключается агрегативная устойчивость пен? На устойчивость пен определяется главным образом гидродинамическим фактором и соответствующими свойствами системы, например, вязкостью жидкой фазы. Устойчивость пен оценивается временем «жизни» пузырька пены или определенного ее объема. При использовании Пав в качестве пенообразователей с ростом их молекулярной массы стабильность пен увеличивается до определенного предела, а затем при дальнейшем увеличении молекулярной массы снижается. С увеличением отношения объема пены к объему жидкости прошедшей на ее образование) возрастает роль структурно-механического фактора в ее устойчивости. агрегативная устойчивость – способность сохранять неизменными размеры частиц дисперсной фазы (дисперсность) и их индивидуальность. АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПЕНЫ Реальная пена, как правило, является полидисперсной, т. е. пузырьки газа в ней имеют разные размеры. Чем меньше пузырек газа, тем больше в нем давление. Следовательно, во времени самопроизвольно идет процесс диффузии газа из маленьких пузырьков в большие, при этом маленькие пузырьки становятся еще меньше, а большие – увеличиваются, что приводит к изменению ста-бильности пены – говорят, «пена стареет». Чем больше различия в размерах пузырьков (больше степень полидисперсности), тем сильнее проявляется диффузия газа. Кроме степени полидисперсности на скорость диффузионного разрушения пены влияют: • растворимость газа в жидкой пленке; • коэффициент диффузии газа в жидкой пленке • толщина жидких пленок; • поверхностное натяжение раствора пенообразователя. Экспериментальные данные показывают, что диффузия газа в пене – процесс относительно медленный, и можно утверждать, что пены являются относительно агрегативно устойчивыми. 6.В чем заключается седиментационная устойчивость пен? Как ее повысить? Какие вещества используют в качестве пенообразователей? Седиментационная устойчивость - способность сохранять неизменным во времени распределение частиц ДФ в объеме пены. Устойчивость пен можно повысить, вводя в растворы ПАВ небольшие количества веществ, которые сами не образуют пены. Задача осложняется тем, что в большинстве случаев добавки необходимо вводить не в рабочие растворы, а в концентрированные пенообразователи. Следовательно, в рабочих растворах добавки содержится около 0,1%, но и в таком количестве она должна значительно повысить устойчивость пены. Добавки, увеличивающие устойчивость пен, предложено разделить на следующие группы: 1. загущающего действия, т. е. повышающие вязкость раствора пенообразователя, благодаря чему уменьшается скорость обезвоживания пены; 2. входящие на построение адсорбционных слоев; 3. образующие в растворе структуры, элементы которой переходят в пленки пен, препятствуя их обезвоживанию; 4. избирательного действия, повышающие устойчи вость пены на определенной границе раздела. 7.Где применяются ПАВ?; Поверхностно-активные вещества находят широкое применение в различных отраслях промышленности, а также в быту. С помощью этих веществ можно существенно изменять свойства поверхностных межфазных слоев и тем самым влиять на процессы, происходящие на границе раздела фаз. ПАВ применяют для получения смазочных жидкостей, для защиты металлов от коррозии, при нанесении электролитических покрытий, в качестве компонентов лакокрасочных материалов, для увеличения нефтедобычи, для флотации при обогащении руд, для получения пены при тушении пожаров, для ускорения процессов осаждения и фильтрации, в текстильной промышленности для крашения и замасливания волокон и т. д. Непредельные ПАВ используют в процессах эмульсионной полимеризации в качестве эмульгаторов, обеспечивающих прочные связи ПАВ с частицей и оказывающих влияние на молекулярную массу полимера. ПАВ являются основой синтетических моющих средств (детергентов), обладающих универсальным действием (удаление загрязнений с различных поверхностей и отбеливающая способность). Именно для этих целей расходуется наибольшая часть выпускаемых ПАВ. 8.Назовите методы разрушения пен; Химические пеногасители (антивспениватели). Нехимические способы разрушения пен делятся на: • физические; • механические. Физические способы погашения: • термические (пены разрушаются при нагревании); • акустические (воздействие ультразвуком); • электрические (разрушение под действием электрического поля). 9.Факторы, влияющие на устойчивость пен; Устойчивость пен зависит от природы и массовой доли пенообразователя, а также влияние температуры, вязкости дисперсионной среды, электролитов и рН среды. На устойчивость пен влияют: 1. Геометрия молекул ПАВ. В пенах, в отличие от эмульсий, стабилизируют молекулы ПАВ, имеющие форму как «клина», так и «цилиндра». Объясняется это тем, что пленки пен плоские и геометрия молекулы влияет не значительно. 2. Энергетика адсорбции ПАВ. Для получения высокоустойчивых пен надо применять ПАВ, у которых работа адсорбции равна 1,7 106 (Дж/моль) С ростом массовой доли ПАВ интенсивность пенообразования увеличивается, проходит через максимум и снова падает для концентрированных растворов. Для высокомолекулярных ПАВ с 7 ростом массовой доли пенообразователя устойчивость пены возрастает (показано Ребиндером). Большую роль в устойчивости пены отводится эффекту Марангони – Гиббса, состоящий в следующем. Жидкость в вогнутых участках пленки находится под гидростатическим давлением, пониженным по сравнению с давлением в плоских участках на величину капиллярного давления и, следовательно, при возникновении пены возникает ток жидкости из плоских участков в углы пленок. 10.Что называется кратностью пен? Кратность пены - отношение объема пены к объему раствора пенообразователя, содержащегося в ней. В зависимости от величины кратности пену подразделяют: на пену низкой кратности (кратность не более 20); пену средней кратности (кратность от 20 до 200); пену высокой кратности (кратность более 200)..." | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||