3. Разрушение и обращение эмульсий

Для разрушения разбавленных эмульсий, не стабилизированных эмульгаторами, достаточно ввести небольшое количество электролитов для снижения электрокинетического потенциала, которое приводит к коалесценции. Так, чтобы разрушить эмульсию масла в конденсате паровых машин, вводят А1₂(SО₄)₃. Будет ли заряд шариков масла положительным или отрицательным, в качестве противоионов будут выступать поливалентные ионы А1³⁺ или SO .

Для разрушения стабилизированных эмульсий в них вводят деэмульгатор — поверхностно-активное вещество, которое вытесняет с поверхности раздела эмульгатор. Деэмульгатор не имеет четко выраженных полярной и неполярной групп и поэтому эмульсию не стабилизирует — происходит коалесценция, эмульсия разрушается.

При встряхивании воды с подсолнечным маслом и гидрофильным стабилизатором — хлоридом натрия — образуется жид-котекучая эмульсия М/В белого цвета. Если вместо хлорида натрия ввести в систему гидрофобный стабилизатор — хлорид кальция, то образуется вязкая эмульсия В/М светло-желтого цвета. Если в эмульсию М/В, стабилизированную хлоридом натрия, ввести хлорид кальция, чтобы мольное отношение хлорида кальция к хлориду натрия превышало 5:1, произойдет обращение эмульсии. Эмульсия М/В превратится в эмульсию типа В/М. При одновременном присутствии хлорида кальция и хлорида натрия в молярном отношении 4:1 образуется неустойчивая эмульсия. В этом случае могут образоваться множественные эмульсии. В небольшом шарике масла при этом размещается несколько шариков воды. В свою очередь в каждом из этих шариков воды могут размещаться шарики масла (рис. 115).

Чтобы выявить тип эмульсии, применяют несколько методов. Так, в пробу эмульсии вводят водорастворимый краситель, например метиленовый голубой. Если эмульсия типа М/В, то при рассмотрении в микроскоп видны бесцветные шарики (масло), на голубом фоне (вода). Если это эмульсии типа В/М, то на бесцветном фоне (масло) видны голубые шарики (вода). В этом случае не все шарики воды могут быть окрашены. Для того чтобы каждый шарик окрасился, он должен непосредственно контактировать с красителем, что для всех шариков не всегда достигается.

Используют также метод измерения электропроводности. Эмульсия типа М/В — проводник электрического тока, так как непрерывной фазой в ней является вода. При наложении разности потенциалов через эмульсию пройдет ток. В эмульсии В/М непрерывная фаза — масло, поэтому ток через такую эмульсию проходить не будет.

4. Пены

Пены — это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой — жидкость (жидкая пена) или твердое тело (твердая пена). Объем дисперсной фазы ν_г часто значительно превышает объем жидкой фазы ν_ж. Отношение ν_г/ν_ж может достигать значения 500—1000. В таких пенах газовые пузырьки сильно деформированы и по форме приближаются к криволинейным многогранникам. В пенах, в которых отношение ν_г/ν_ж = 1 10, газовые пузырьки имеют шарообразную форму.

Как и все системы, которые имеют избыток поверхностной энергии, пены термодинамически неустойчивы. Устойчивость пен оценивают по времени, на протяжении которого самопроизвольно разрушается столб пены на половину начальной высоты.

Для образования пены жидкость взбалтывают или энергично перемешивают в сосуде, который частично заполнен воздухом. Во время перемешивания жидкость захватывает воздух, в результате чего на ее поверхности образуется пена. Для образования пены применяют также барботаж, при котором газ пропускают в жидкость через перфорированную трубу или перегородку. Этот способ, в частности, используют при пенной флотации. Пену можно получить также конденсационным методом. В результате химической реакции в жидкости образуется газовая фаза. Так, в огнетушителях используют химическую реакцию NаНСО₃ + НСl = NaС1 + Н₂О + СО₂ в результате которой возникающая газовая фаза (СО₂) образует пену.

Обычно в чистых жидкостях газовые пузырьки быстро коалесцируют или лопаются, и пена практически не образуется. Для стабилизации пен в жидкость вводят ВМС (белки, таниды – дубильные вещества), которые, адсорбируясь на поверхности раздела газ — жидкость, образуют механически прочные студни. Стабилизируют пены также с помощью поверхностно-активных веществ, главным образом полуколлоидов, молекулы которых имеют полярные и неполярные группы (например, стеарат или пальмитат натрия, некоторые красители). Адсорбируясь и ориентируясь на поверхности раздела жидкость — газ, они образуют поверхностные кристаллы высокой механической прочности. Стабилизаторы пен получили название пенообразователей. Для стабилизации пен используют также так называемые слабые пенообразователи, которые не образуют на поверхности раздела фаз механически прочных структур, а только понижают поверхностное натяжение и тем самым снижают термодинамическую неустойчивость пен.

Пены имеют большое практическое значение, в частности, при пенной флотации, которая отличается от масляной флотации значительно большей скоростью и меньшим расходом минерального масла. При масляной флотации тонко измельченную руду интенсивно перемешивают в воде с небольшим количеством эмульгатора — флотореагента. Частицы пустой породы (силикаты, карбонаты), как гидрофильные, смачиваются водой и оседают на дно. Ценные породы (например, сульфиды металлов) адсорбируют флото-реагенты, которые придают им гидрофобные свойства. В результате этого частицы ценной породы всплывают и отделяются от пустой породы. При пенной флотации раздробленную руду перемешивают с водой в присутствии пенообразователей. В воду добавляют флотореагент, который адсорбируется на поверхности частиц ценной породы, придавая им гидрофобность. Гидрофобные частицы прилипают к газовым пузырькам, собираясь в слое флотореагента (масла), который окружает пузырьки воздуха, образующиеся при подаче его под давлением (рис. 116). Воздух подается через перфорированные трубы, размещающиеся в нижней зоне аппарата. Газовые пузырьки со значительной скоростью поднимаются вверх, унося с собой частички ценной породы. Пенообразователи стабилизируют слой минерализованной пены, которую отделяют с помощью специальных скребков. Чтобы исключить вынос пустой породы пеной вместе с ценной породой, в воду добавляют реагенты, которые увеличивают их гидрофильность.

Противопожарные пены эффективно используют в борьбе против пожаров, особенно нефтяных.

Действие разных моющих веществ в значительной мере связано с образованием пены. Преимущественное количество загрязнений адсорбируется высокоразвитой межфазной поверхностью пены. Это используется при очистке диффузионных соков на сахарных заводах, при облагораживании тканей способом мойки с пенообразователем и т. д. Пенообразователи используются в пищевой промышленности для изготовления кремов, взбитых сливок, молочных коктейлей.

Образование пен вредно сказывается на протекании ряда процессов. Так, образование пен в паровых котлах приводит к попаданию жидкости в пароперегреватель. В результате в паровую машину попадает влажный пар, что влечет за собой снижение коэффициента полезного действия паровой машины и способствует коррозионному разрушению ее рабочих частей. Образование пен в химических аппаратах приносит значительные неприятности. Иногда вследствие образования пены большое количество агрессивной жидкости «выбегает» из аппарата. Это приводит к потерям ценных материалов, а иногда к разрушению фундаментов и коммуникаций. Чтобы исключить образование пены, применяют специальные вещества — пеногасители, которые разрушают ее. Пеногасители или вступают в реакцию со стабилизаторами (пенообразователями) и разрушают их, или вытесняют стабилизаторы с поверхности раздела, резко уменьшая устойчивость пен.

Широкое применение получили твердые пены, в которых дисперсионная среда пребывает в твердом состоянии. К твердым пенам относятся пеностекло, пенобетон, пенопласт. Все они характеризуются малой объемной массой, высокими звуко- и теплоизолирующими свойствами. Поэтому такие материалы, как пеностекло и пенобетон, используют для теплоизоляции холодильников, теплоизоляции и звукоизоляции жилых домов.

Пеностекло характеризуется особыми технологическими свойствами. Оно хорошо пилится, строгается, сверлится. Для приготовления твердых пен (например, пеностекло) твердое стекло нагревают вместе с газообразователем (карбонатами) до температуры, превышающей на несколько градусов температуру стеклования. При этом в результате термического разложения газообразователя образуется диоксид углерода (IV), вспенивающий стекло. После затвердевания образуется пеностекло. Аналогично получают и пенопласт. Твердый термопластичный полимер вместе с твердым и жидким газообразователем нагревают до температуры, на несколько градусов превышающей температуру стеклования. При этом газообразователь вспенивает полимер. Образуются, как правило, не сообщающиеся между собой полости (ячейки) и небольшое количество ячеек, сообщающихся между собой. Пенопласты получаются также путем вспенивания вязких жидких композиций в процессе образования полимера, например пенополиуретан.