Реферат
з біології
на тему:
В«Емульсіїі емульгатори В»
2009
Емульсії- Дисперсії однієї рідини в іншій
Емульсіїявляють собою дисперсії однієї рідини в іншій, при цьому очевидно, щоці дві рідини не змішуються один з одним. Майже всі емульсії містять водув якості однієї з фаз і органічну рідину в якості іншої фази.Органічну фазу прийнято називати В«масломВ», але це не означає, що вонаобов'язково є маслом в прямому значенні цього слова. Зустрічаються емульсіїі не містять води, наприклад емульсії фторуглеродах у вуглеводні. Можнанавести приклади емульсій, що складаються з двох водних фаз. У таких емульсіях обидвіфази зазвичай є розчинами двох різних полімерів, наприклад декстрану таполіетиленгліколю.
Емульсіїможна розділити на два основних типи: В«масло у водіВ» і В«вода в масліВ».Поширеними прикладами емульсій першого типу є фарби, клеї,бітумні емульсії, композиції для сільськогосподарських потреб і т. д. Прикладомемульсій другого типу служать маргарини. Існують також подвійні емульсії,які можуть бути двох типів: В«вода в масліВ» у воді або В«масло у водіВ» вмаслі. Такі емульсії являють інтерес як засобу доставки лікарськихречовин. Краплі рідини в емульсіях утворюють дисперсну фазу, а навколишня їхрідина - дисперсійне середовище.
Якщомасло дисперговані у воді без добавок поверхнево-активних речовин або будь-якихстабілізаторів інших типів, стійкість емульсії дуже низька. Краплі оліїстикаються один з одним, що викликають їх злиття, тобто коалесценції.Швидкість руху індивідуальних крапель під дією гравітаційних силпропорційна різниці густин дисперсної фази і дисперсійного середовища, атакож квадрату радіусу крапель і обернено пропорційна в'язкості дисперсійногосередовища. Для типової емульсії вуглеводню у воді розрахунки показують, щошвидкість руху крапель розміром 0.1 мкм дорівнює 0.4 мм/добу, крапель розміром 1мкм - 40 мм/добу, а краплі розміром 10 мкм седіментіруют вже зі швидкістю 4м/добу. Звідси випливає, наскільки важливо отримувати емульсії з краплями малогорозміру.
Крімтого, розрахунки показують, що напівперіод життя краплі олії радіусом 1 мкм вемульсії В«масло у водіВ», що містить рівні обсяги масла і води, при в'язкостіводи рівною 1 мПа-с, складає 0.77 с.
Дляемульсій, що зберігаються протягом шести місяців, напівперіод життя дорівнює 1.6-10с. Порівняння наведених значень не залишає сумнівів у тому, що краплі вемульсіях необхідно стабілізувати. Нижче розглянуті кілька способівстабілізувати емульсії.
Висококонцентрованіемульсії
Вбільшості емульсій, призначених для технологічного застосування,концентрація дисперсної фази становить 25-50%. В'язкість таких емульсійпрактично не відрізняється від в'язкості дисперсійного середовища. Оскільки високав'язкість дисперсійного середовища сприяє стійкості емульсій, склаласяпрактика вводити в дисперсійне середовище полімери або інші добавки,збільшують в'язкість цієї фази.
Вмонодісперних емульсіях з 50%-ної концентрацією дисперсної фази спостерігаєтьсямайже щільна упаковка крапель. Насправді частинки в таких емульсіях частознаходяться в другому мінімумі. Теоретичний максимум для статистичноїупаковки сфер - 64% внутрішньої фази, а для гексагональної упаковки - 74%. Тимне менше емульсії можуть містити більш як 90 об.% дисперсної фази. Длясферичних частинок це можливо при широкому розподілі часток за розмірами,що дозволяє маленьким краплях заповнювати В«порожнечіВ» між великими краплями.Прикладом таких концентрованих, важливих з технологічної точки зоруемульсій є емульговані вибухові речовини. Зазвичай це емульсії типуВ«Вода в масліВ», що містять до 90% води, в якій розчинено нітрат амонію.Нітрат амонію окисляє вуглеводень з утворенням газоподібних продуктів, щосупроводжується різким зростанням обсягу.
Векстремальних випадках емульсії можуть містити 99% дисперсної фази, такіемульсії мають гелеподібний вигляд, а їх структура більше схожа на поліедріческуюструктуру концентрованих пен, ніж на сферичну форму крапель і бульбашок.
Механізмируйнування емульсій
Заруйнування емульсій відповідають різні механізми. Відстоювання або седиментація відбуваютьсячерез різницю густин дисперсної фази і дисперсійного середовища. Відстоюванняспостерігається частіше, ніж седиментація, оскільки більш поширені емульсіїтипу В«масло у водіВ», а щільність масляної фазою менше щільності водної фази. Удеяких масел щільність більше, ніж у води, тому додавання такихрозчинників до масляної фазі використовується для підвищення стабільності емульсій,потребують тривалого зберігання. Краплі в емульсіях можуть також флокулірований, аце означає, що система буде знаходиться у В«вторинному мінімуміВ». У цьомувипадку система знаходиться в енергетично стійкому стані, в якому краплімаксимально зближені один з одним, але зберігають свою цілісність. Відстоювання,седиментація і флокуляція є оборотними процесами. Це означає, що припевних умов систему можна повернути в початковий стан, наприклад принакладення зсувних навантажень. Набагато більш глибокі зміни в емульсіяхвикликає процес коалесценції, при якому краплі зливаються один з одним.Коаленценцію можна розглядати як незворотній процес. У ряді випадків, якщовторинний мінімум невеликий або зовсім відсутній, розділити процеси флокуляціїі коалесценції практично неможливо.
Рис.1. Механізми дестабілізації емульсій. Звернітьувагу, що різні процеси можуть відбуватися одночасно
Існуєще один механізм дестабілізації емульсій - це оствальдово дозрівання. У цьомупроцесі з маленьких крапель, отже, крапель з великим співвідношеннямплощі і об'єму, йде речовина, і врешті-решт ці краплі зникають, у тойчас як більш великі краплі збільшуються в розмірі. Процес здійснюєтьсяза рахунок дифузії молекул дисперсної фази через дисперсійне середовище. Швидкість оствальдовадозрівання в емульсіях типу В«масло у водіВ» залежить від розчинності масла вводі, тому процес набагато помітніше для емульсій нижчих вуглеводнів а невищих вуглеводнів.
Приобговоренні стабілізації емульсій можна провести паралель зі стабілізацієюдисперсій, що містять тверді частинки, тобто суспензій. У суспензіях зазвичайщільність частинок дисперсної фази більше, ніж щільність дисперсійного середовища,тому для них характерний процес седиментації, а не спливання крапель.Процеси флокуляції також притаманні суспензіям; як і у випадку емульсій,завдяки флокуляції суспензія виявляється у вторинному мінімумі, щоувазі оборотність системи. Рано чи пізно частинки твердої фазинеоборотно агрегує, що еквівалентно процесу коалесценції в емульсіях. Якщочастинки дисперсної фази в якійсь мірі розчиняються у воді, як, наприклад,більшість солей і оксидів, в результаті оствальдова дозрівання поступовозбільшується розмір часток дисперсної фази, причому часто процес закінчуєтьсяутворенням суспензії з більш вузьким розподілом частинок за розмірами.
Необхідність потенційного енергетичного бар'єру для крапель вемульсіях
Якзгадувалося вище, напівперіод життя стандартній емульсійної краплі радіусом 1мкм не перевищує 1 с. Якщо на поверхні створюється потенційнийенергетичний бар'єр, час життя може збільшитися до декількох днів і навітьроків. Можна показати, що енергетичний бар'єр, рівний 10 кТ {к - константа Больцмана, T-абсолютна температура)на відстані радіуса від частки, забезпечує підвищення часу життя краплі до2 год, а бар'єр в 15 кТ-до 1.3 сут. Збільшення бар'єру до 20 кТ призводитьдо збільшення напівперіоду життя краплі до 5 років. Таким чином, потенційнийбар'єр має принципове значення для стабільності емульсій. Задамосяпитанням, як можна створювати такі бар'єри?
Прийняторозрізняти наступні механізми стабілізації емульсій, незважаючи на те, щореально вони часто комбінуються.
Електростатична стабілізація
Електростатичнастабілізація емульсій за допомогою іонних поверхнево-активних речовин дужешироко поширена. Крім того, для цієї мети можна викори...