Эмульсия, свойства и характеристики, типы, получение и разрушение.
Эмульсия – это дисперсная система, т.е. смесь из некоторого количества фаз (тел), не способных раствориться в друг друге или взаимодействовать на уровне химических процессов, а потому сохраняющихся в виде мельчайших капель.
Свойства и характеристики эмульсий
Способы и методы получения эмульсий: конденсационные и диспергационные
Методы и способы разрушения эмульсий
Эмульсия:
Эмульсия, что в переводе с латинского означает «доить», «выдаивать» – это смесь, включающая две или более жидкостей, которые не смешиваются между собой.
Если выражаться научным языком, то эмульсия – это дисперсная система, т.е. смесь из некоторого количества фаз (тел), не способных раствориться в друг друге или взаимодействовать на уровне химических процессов, а потому сохраняющихся в виде мельчайших капель. В классической, двухфазной эмульсии, присутствуют дисперсные:
– фаза – мельчайшие частички определенного жидкого вещества;
– среда – жидкости, в которой эта фаза равномерно распределена.
Чаще всего смеси представляют собой соединение воды и веществ, основанных молекулами со слабой полярностью (липиды, углеводы). Так, ярким классическим примером эмульсии служит молоко – смесь из воды и молочного жира, равномерно распределенного в ней.
Смеси в основном являются дисперсными системами грубого характера, т.к. размер капель, представляющих фазу, колеблется в пределах от 1 до 50 микрометров. Если их концентрация низкая – это говорит о неструктурированном характере, высокая – о наличии четкой структурированной системы.
Свойства и характеристики эмульсий:
Кроме концентрации и непосредственно дисперсности, еще одной ключевой характеристикой эмульсии является ее устойчивость во времени, а также агрегативная устойчивость и наличие эмульгаторов. Все эти факторы позволяют оценить ее конечные свойства.
Дисперсность эмульсии:
Дисперсность эмульсии измеряется в размерах частиц ее фазы, выражается в микрометрах и обычно представляется в виде гистограммы.
Устойчивость эмульсии во времени:
Этот параметр – устойчивость во времени – может быть выражен двумя формами:
– скоростью, с какой эмульсия расслаивается. Смесь оставляют на определенное время и после появления двух разных слоев измеряют высоту либо объем слабополимерной фазы;
– временем, которое «живут» отдельные капли. Используется метод наблюдения под микроскопом, где капля слабополимерной жидкости помещается на самую границу составляющих, а после фиксируется время, требующееся для их слияния.
На практике чаще используется первый метод, как менее затратный и более простой.
Концентрация эмульсии:
Концентрация – это один из основных параметров, определяющих итоговое свойство эмульсии, на котором основана дальнейшая классификация смесей. Соответственно эмульсии могут быть:
– разбавленные;
– концентрированные;
– высококонцентрированные.
Агрегативная устойчивость эмульсии:
Агрегативная устойчивость эмульсии – еще одно свойство, указывающее на способность сохранять во временном промежутке первичные размеры капель, из которых состоит дисперсная фаза. Соответственно различают три вида эмульсии:
– электростатическая эмульсия. Соответствующее поле образуется вокруг капель, составляющих эмульсию, в результате чего появляется энергетическая преграда, которая не позволяет частицам сближаться до того момента, пока сила притяжения превысит электростатическое отталкивание;
– адсорбционно-сольватная эмульсия. Поверхностное натяжение, возникающее на границе среды и фазы, уменьшается благодаря эмульгаторам, которые адсорбируются на поверхности капель, что делает смесь более устойчивой;
– структурно-механическая эмульсия. В этом случае молекулы эмульгатора образуют достаточно плотный слой на поверхности нерастворяющихся капель, что препятствует их слиянию со средой благодаря повышающейся вязкости и упругости.
Чаще всего один из этих видов является основным, а остальные – вспомогательными.
Наличие эмульгаторов:
Устойчивость также зависит от выбора эмульгатора, чья основная задача уменьшить или свести к минимуму энергию, присутствующую на границе раздела среды и фазы, и того, насколько плотно покрыта поверхность эмульсии эмульгаторами.
Эмульгаторы – вещества, обеспечивающие создание эмульсий из несмешивающихся жидкостей. Их наличие необходимо для придания устойчивости концентрированным смесям. Ими могут быть:
– неорганические электролиты;
– коллоидные поверхностно-активные вещества;
– высокомолекулярные вещества;
– тонкоизмельченные нерастворимые порошки.
Типы и виды эмульсий:
Основное разделение смесей на типы характеризуется таким параметром, как полярность дисперсных фазы и среды. Это:
– прямые («масло-вода») эмульсии, I рода, где неполярная масса (обычно липидная) распределена в воде;
– обратные («вода-масло») эмульсии, II рода, где вода представляет собой фазу, распределенную в неполярной среде (масляной).
При определении типа эмульсии используют правило Банкрофта – дисперсной средой является та жидкость, входящая в состав эмульсии, которая лучше растворяет эмульгатор или лучше его смачивает, в случае, если это порошок. Однако есть исключение – на 100% это правило работает лишь в случае, когда смесь имеет не более двух компонентов.
В остальных ситуациях используют экспериментальные методики определения типа эмульсии:
- 1. Разбавление. Капля эмульсии помещается в емкость с водой: если она не распределяется в пробирке, это говорит о типе «вода-масло».
- 2. Смачивание гидрофобной поверхности. При нанесении капли эмульсии на пластину из парафина при типе «вода-масло» капля начнет растекаться.
- 3. Определение непрерывной фазы. Рядом с каплей помещают кристаллы водорастворимых красителей и соединяют вещества – при наличии смеси типа «масло-вода» она не окрасится. Для подтверждения результатов проводится повторный опыт с жирорастворимыми красителями.
- 4. Измерение электропроводности. В смесь помещают электроды и неоновую лампу – если последняя загорится, значит, тип эмульсии – «масло-вода», т.к. вода обладает большей электропроводностью, чем масло.
Также смеси делятся на:
– лиофильные – те, что образуются самостоятельно и имеют устойчивость к термическому воздействию. Обычно это так называемые критические эмульсии, возникающие в местах, где при высоких (критических) температурах смешиваются жидкие дисперсные фазы;
– лиофобные – образующиеся при распаде твердых частиц на мелкие составляющие (эмульгировании) под воздействием механических, акустических или электрических факторов либо как результат конденсации в растворах и сплавах высокой насыщенности.
Отличительная черта лиофобных эмульсий – отсутствие устойчивости к термическому воздействию и возможность длительно существовать исключительно при наличии в составе эмульгаторов.
Способы и методы получения эмульсий:
Любая смесь, включающая в себя две несмешиваемых жидкости, находится в состоянии, устойчивом к воздействию термодинамических сил, но лишь до того момента, пока обе представляют собой сплошной слой: более легкий вверху и более тяжелый – внизу. В тот момент, когда один из этих слоев начинают подвергать дроблению, увеличивается межфазный слой, состоящий из смеси двух жидкостей, что приводит к уменьшению термодинамической устойчивости. При этом чем больше энергии будет затрачено на получение эмульсии (смешивание слоев), тем менее устойчивой она станет. Для того, чтобы повысить последний параметр и используют эмульгаторы, присутствующие во всех смесях, кроме тех, что образуются самостоятельно. Следовательно, практически любая эмульсия – это трехкомпонентная жидкость, одна их которых представлена каплями.
Для получения каждой определенной эмульсии капли должны быть определенных размеров, а их получение проводится двумя методами:
– конденсационным – когда капли выращивают из малых размеров до нужных;
– диспергационным – дроблением больших капель на малые.
Конденсационные способы и методы получения эмульсий:
Конденсация из пара. Пар жидкости, которая станет дисперсной фазой, впрыскивается под поверхность другой, образующей в будущем дисперсную среду. В результате пар насыщается молекулами второй жидкости и в виде конденсата нужных размеров стабилизируется в среде при помощи эмульгатора.
В зависимости от того, с каким давлением будет подаваться пар, а также размера выпускного сопла (диаметра) и выбранного стабилизатора, появится возможность получить капли от 1 до 20 микрометров.
Замена растворителя. Вещество, выбранное в качестве фазы будущей эмульсии, подвергают растворению в определенном растворителе («хорошем»), что позволяет получить истинный раствор. При попытке ввести в получившуюся смесь другой растворитель, не взаимодействующий с первым и портящий его, получится обратный эффект – ранее растворенное вещество снова станет «собираться» в капли.
Диспергационные способы и методы получения эмульсий:
Механический метод. Заключается в непосредственном воздействии на выбранные жидкости для их равномерного смешивания путем дробления более крупных частиц на мелкие. Это может быть классическое смешивание, энергичное встряхивание, гомогенизация и прочее.
Встряхивание обычно не требует применения специальных устройств, т.к. используется для получения небольших объемов и проводится вручную: емкость или пробирку берут в руки и энергично трясут (например, для химических опытов). Смешивание же допустимо и для значительных объемов смесей (в промышленности), поэтому для получения некоторых их них используют специальные аппараты и механизмы. Гомогенизация – это полноценный технологический процесс, требующий наличия специального оборудования. В нем эмульгирование проводится путем пропуска смешанных жидкостей через мелкие отверстия при помощи высокого давления.
Применение ультразвука. Методика заключается в воздействии на смеси высоких частот (20-50 кГц), поэтому подразумевает наличие специализированного оборудования.
Электрические методики. Сложный, но наиболее часто применяемый метод, обладающий рядом преимуществ. При его использовании вещество, подлежащее дроблению, помещается в специальный сосуд, который венчает капиллярная воронка. Последняя соединяется с источником тока (положительный заряд). Сам сосуд подлежит заземлению при помощи помещения в колбу с круглым дном, где присутствует заземленный электрод. В колбу помещается жидкость, которая в будущей эмульсии будет выступать дисперсной средой, а сама смесь образуется методом соединения капель, истекающих из воронки, под воздействием электрического тока.
Размеры частиц в этом методе регулируются величиной зазора между воронкой и жидкостью и, непосредственно, величиной напряжения, и могут достигать 1-10 микрометров. Для повышения устойчивости в эмульсию можно вводить эмульгатор, но большого его количества не требуется. В этом и состоит главный плюс метода – возможность получать сравнительно устойчивые эмульсии обоих типов с высокой монодисперсностью. Из недостатков выделяют невозможность введения эмульгатора в слишком вязкие смеси.
Самопроизвольное эмульгирование. Подразумевает самостоятельное образование смесей, не требующее энергетических затрат, поступающих извне, например, при попадании двух веществ в зону критической температуры.
Методы разрушения эмульсий:
Деэмульгирование – такой же важный процесс, как и создание самой эмульсии. Разрушение полученных смесей достигается двумя методами: сидементацией (осаждением) и коалесценцией.
Сидементация (осаждение):
В реальных эмульсиях окончательного, завершенного разрушения не возникает, а создаются две отдельные эмульсии, причем в одной содержание дисперсной фазы высокое, а в другой – низкое. Более крупные и тяжелые капли фазы опускаются на дно более легкой среды (осаживаются). Для того, чтобы данный процесс прошел быстрее, на предприятиях используют центрифуги.
Коалесценция:
Коалесценция представляет собой процесс, при котором смесь разделяется на отдельные чистые жидкости. Происходит разделение в два этапа:
- 1. флокуляция – процесс, при котором вещество, представляющее фазу, превращается в рыхлые, хлопковые частицы, легко растворяемые даже при слабом перемешивании эмульсии;
- 2. непосредственно разделение – образованные на первом этапе частицы превращаются в крупные капли, легко выделяемые в отдельное вещество. При этом разрушить полученные агрегаты и вернуть эмульсии первоначальное состояние практически невозможно, для этого требуется весьма интенсивное перемешивание.
Способы разрушения эмульсий:
Существует несколько техник разрушения эмульсий, при чем использоваться они могут как индивидуально, так и комбинированно.
Химическое разрушение:
Выполняется двумя способами:
– удаление барьеров, своеобразных пленок между слоями смеси, которые препятствуют их смешиванию. Применение специальных химических веществ позволяет нейтрализовать подобную защиту, буквально растворить пленочные барьеры;
– обращение эмульсии. Применение вещества, считающегося обратным помещенному в эмульсию эмульгатору, нейтрализует действие последнего.
Термическое разрушение:
Осуществляется двумя противоположными способами:
– повышение температуры – заключается в доведении эмульсии до ее критически высокой температуры (у каждой смеси она своя) и последующего отстаивания. Метод основан на том, что химические реакции некоторых веществ усиливаются, что влияет на вязкость смеси и состав ее барьерного слоя;
– понижение температуры – в этом случае при замерзании водная часть эмульсии превращается в кристаллы, а масляная – сжимается. Если в искомой жидкости содержаться соли, они тоже могут превратиться в кристаллы, которые, вместе с водяными, «разрывают» защитные пленки, не позволяющие основным компонентам смешиваться.
Осаждение с применением физических сил:
Основано на действии силы тяжести и центробежной силы:
– отстаивание – смеси, состоящие из крупных, грубых масляных фаз, помещают в специальные отстойники не менее, чем на 1 час, при этом более мелкие и мягкие частицы продолжают находиться во взвешенном состоянии;
– использование центрифуг – при стремительном вращении составляющие, обладающие большей тяжестью, смещаются (отталкиваются) к периферии, в то время как более легкие компоненты сосредотачиваются в центре. Методика более распространенная, т.к. дает возможность взаимодействовать с большими объемами эмульсий за краткий период времени – результат достигается в течение нескольких минут.
Электрические способы:
Данные способы эффективны лишь для двух видов эмульсий:
– тех, что содержат в себе заряженные частицы;
– электронейтральных, но способных приобрести дополнительный дипольный момент, который индуцируется в электрическом поле.
Данный способ требует наличия и применения специализированной техники, поэтому используются редко.
Применение эмульсий:
Эмульсия – довольно сложное химическое соединение, но она нашла применение практически во всех современных отраслях промышленности. В первую очередь, это продукты питания – майонез, различные соусы, сливочное масло, и косметика – шампуни, средства для снятия макияжа и ухода за кожей – все это разновидности эмульсий. Незаменимы эмульсии в автомобильной и строительной отраслях – моторные масла, охлаждающие и тормозные жидкости, пропитки и битумные материалы. Также стоит отметить фармацевтику – многие лекарственные препараты, призванные укреплять здоровье и спасать жизнь человека представляют собой эмульсии, о чем большинство людей даже не задумывается.
Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com