logo search
ФІзична та колоїдна хімія 2 восст

Диспергаційні методи.

Для суспензій характерний процес фільтрації. Фільтрація через пористі мембрани спочатку викликає концентрування суспензії, а потім її розділення на тверду та рідку фази. Підвищення концентрації дисперсної фази в агрегативно стійких суспензіях до гранично можливого значення зумовлює утворення висококонцентрованих суспензій, які називають пастами.

Практичне значення суспензій:

Шоколад – затверділа суспензія, в якій дисперсним середовищем виступає масло какао, а дисперсною фазою – часточки цукру, насіння бобів какао, крохмалю. Шоколад можна віднести до полідисперсних систем.

Дисперсність шоколадної маси – важлива характеристика її якості. Ніжність шоколадних виробів визначається ступенем розмелювання. У високоякісному шоколаді основна маса твердої фази складається із часточок розміром не більше 10 – 16мкм.

Стабілізатором суспензії може бути полімер. Захисний полімер на поверхні частинок суспензії утворює міцні драглеподібні оболонки. Збільшення концентрації в суспензії полімеру спричиняє процес драглювання. Якщо дисперсійного середовища недостатня кількість, то утворюються концентровані суспензії, подібні до драглів – пасти.

Пастивисококонцентровані суспензії, що містять більше 25% речовин дисперсної фази. Агрегативно стійкі у присутності достатньої кількості сильних стабілізаторів, коли частинки дисперсної фази добре сольватовані і відокремлені тонкими плівками рідини дисперсійного середовища. Відсутність вільної рідини надає системам високої в’язкості та певної механічної міцності.

Розрізняють гомогенні та гетерогенні пасти.

Пасти отримують диспергуванням твердих тіл у рідинах. Для стабілізації додають поверхнево – активні речовини (ПАР).

Розрізняють жирні і нежирні пасти. Деякі з них готують на емульсіях. Їх широко застосовують у будівництві (лак, фарби). Існують полірувальні пасти, а також лікувальні (зубні тощо).

Піни – висококонцентровані дисперсні системи, або сукупність бульбашок газу, що розділені тонкими прошарками рідини. Якщо дисперсійним середовищем є рідина, таку систему називають рідкою піною, якщо тверде тіло – твердою піною.

Дисперсійне середовище (рідке або тверде) утворює між бульбашками газу тонкі прошарки. Газові бульбашки взаємно стискують одна одну, втрачають правильну сферичну форму, а сама піна набуває комірчастої структури.

Піни – термодинамічно нестійкі (мають надлишок поверхневої енергії). Стійкість пін оцінюють за часом, протягом якого довільно руйнується стовп піни на половину початкової висоти, а також за часом „життя” бульбашки газу. Стійкість пінам надають за допомогою стабілізаторів (піноутворювачів).

Для характеристики піни використовують два показники:

Ступінь збивання – відношення кінцевого об’єму системи, що збивають до початкового об’єму.

Механізм утворення пін: спочатку бульбашки газу утворюють емульсію газ-рідина, а потім, вкриваючись двосторонніми плівками, спливають і утворюють сітку-каркас. При спливанні бульбашки вивільняються від слабко зв’язаної води, відбувається концентрування емульсії та перетворення її на піну. Частка рідкого дисперсійного середовища зменшується до 2 – 13%. Отже, піни можна розглядати як висококонцентровані емульсії газу в рідині.

Методи одержання пін:

NaHCO3 + HCI → NaCI + H2O + CO2↑ ‑ внаслідок якої газоподібна фаза створює піну.

У випадку небажаного піноутворення використовують способи піногасіння, які ґрунтуються на руйнуванні адсорбційних шарів, стабілізуючих піну. Як піногасники використовують такі поверхнево-активні речовини: жири, масла, ефіри, спирти, які витискують стабілізатори з поверхні розділу і цим зменшують стійкість піни.

Піноутворювачі поділяють на два типи:

  1. першого роду (слабкі піноутворювачі) – нижчі спирти, кислоти; вони знаходяться в об’ємі розчину і в адсорбційному шарі в молекулярному стані, не утворюють на поверхні розділу фаз механічно міцних структур, а лише зменшують величину поверхневого натягу і тим самим знижують термодинамічну нестійкість пін. Піни, що містять такі стабілізатори, нестійкі і швидко розпадаються. Такі піни мають практичне використання лише у випадках, коли не потрібні стійкі піни (флотація).

  2. другого роду – мила, алкалоїди, таніни, деякі барвники. Піни з такими стабілізаторами стійкі, внаслідок адсорбції піноутворювачів на поверхні розділу фаз у утворення міцних драглеподібних плівок. Із збільшенням концентрації піноутворювача підвищується стійкість пін. У виробництві кулінарної продукції для отримання стійкої піни при виготовленні кулінарних страв і виробів як піноутворювачі використовують яєчний білок, кров’яний альбумін, молочний та риб’ячий білки.

Практичне значення пін і процесів піноутворення:

Піноутворення в кондитерському виробництві та приготуванні солодких страв

У кондитерському виробництві при виготовленні бісквітного тіста замість яєць часто використовують меланж. Піноутворююча здатність меланжу залежить від його в’язкості: чим менша в’язкість, тим вища піноутворююча здатність, проте нижча стійкість піни (при замішуванні з борошном повітряні бульбашки яєчно-цукрової маси частково руйнуються. При підвищеній в’язкості меланжу якість тіста погіршується: воно менш насичене повітрям і має високу густину. На піноутворюючу здатність меланжу впливає температура: з підвищенням температури піноутворююча здатність меланжу зростає (оптимальна температура для меланжу перед його збиванням 10 С).

Напівфабрикат виготовляють без борошна, тому він – легкий, поруватий і крихкий. Перед збиванням білки охолоджують до температури 2 С (неохолоджені білки погано збиваються, а випечений напівфабрикат буде твердим і розпливчастим). Тривалість збивання залежиться від ціноутворюючої здатності білків і досягає 20 – 40хвилин. При недостатньому часі збивання утворюється плотний, низький напівфабрикат, при дуже тривалому збиванні білків із цукром маса осідає, розріджується і стає глянцевою.

В підприємствах харчування із збитих вершків готують десерти, муси, самбуки, креми, де як піноутворювачі використовують ПАР гідрофільно-колоїдні білкові або інші речовини. Тісто, хліб та борошняні вироби належать до систем з піноподібною структурою із затверділими плівками між чарунками (тверді піни). Для стабілізації піни іноді використовують желатин або агар-агар.

У деяких харчових виробництвах піноутворення є небажаним процесом. Наприклад, висока піноутворююча здатність дифузійного соку у цукровому виробництві обумовлена наявністю піноутворювача – сапоніну. При продуванні повітря дифузійний сік може перетворитися на піну практично повністю. Піна сильно впливає на нормальний процес випаровування соку, тому його попередньо очищують. В результаті очищення сапонін коагулює і сік перестає пінитися.

Також піноутворення є небажаним у дріжджовому виробництві. Наприклад, при вирощуванні дріжджів розбавлені поживні середовища підлягають інтенсивній аерації, що спричиняє утворення стійких пін. Як піногасник використовують водні емульсії олеїнової кислоти, які руйнують піну і забезпечують нормальне вирощування дріжджів.

Аерозолі – це дисперсні системи, в яких дисперсна фаза – це дрібні часточки твердої або рідкої речовини, а дисперсійне середовище – газ або суміш газів (завис твердих або рідких частинок у газі). Розмір частинок дисперсної фази аерозолів знаходиться у межах 10-7 – 10-4м.

За ступенем дисперсності аерозолі класифікують на системи:

В підприємствах харчування використовують такі аерозолі: сухе молоко і молочні продукти, сухий меланж, харчових альбумін і коптильний дим. У природі виникають природні аерозолі (туман, пил).

Аерозолі класифікують за агрегатним станом дисперсної фази:

Форма частинок аерозолів залежить від агрегатного стану речовини дисперсної фази: в туманах краплинки рідини кулясті, у димах – голчасті, пластинчасті, зіркоподібні.

За своїм походженням системи з газовим дисперсійним середовищем поділяють на диспергаційні та конденсаційні аерозолі.

Способи одержання аерозолів:

І. Методи конденсації, в основу яких покладена конденсація пересичених парів. Пересичення парів досягається за рахунок охолодження системи або при утворенні пари внаслідок хімічної реакції.

Охолодження, перенасичення і конденсація парів може відбуватися наступними шляхами:

Розрізняють:

Хімічні реакції, в результаті яких утворюються аерозолі, можуть мати різний характер. Так, внаслідок окислення при згоранні палива виникають димові гази, які містять речовини з досить малим тиском пари. Змішуючись з холодним повітрям, ці продукти конденсуються і утворюють топ очний дим.

Дими утворюються також при взаємодії газоподібного аміаку з хлороводнем:

NH3 (газ) + HCI (газ)NH4CI (тверда фаза),

При згорянні фосфору на повітрі (утворюються частинки Р2О5), при взаємодії сірчистого ангідриду з парами води

SO2 (газ) + H2O (газ)H2SO3 (рідка фаза)

Внаслідок фотохімічних реакцій тощо.

Таким чином, процеси утворення конденсаційних аерозолів досить поширені і відбуваються як стихійно, так і створюються штучно.

ІІ. Методи диспергування базуються на подрібненні і розпиленні твердих тіл або рідин у газовому дисперсійному середовищі. За розміром частинок аерозолі, одержані диспергаційними методами, ‑ більші розміри частинок і менш однорідні за ступенем дисперсності.

Властивості аерозолів:

Внаслідок великої різниці у густині, а відповідно і в показниках заломлення обох фаз, світло розсіювання у аерозолів більш інтенсивне, ніж у лізолів, і вони не пропускають світла. Завдяки цій властивості аерозолі широко застосовують для створення маскувальних димових завіс. З усіх димів найкращу здатність розсіювати та відбивати світло має дим Р2О5, тому його маскувальна здатність береться за стандарт.

Більшість туманів і димів здаються білими, оскільки хвилі різної довжини приблизно однаково розсіюються або відбиваються великими частинками аерозолів. Внаслідок сильного світлорозсіювання аерозолі, що знаходяться у верхніх шарах атмосфери, зменшують інтенсивність сонячної радіації, тим самими впливаючи на кліматичні умови.

В аерозолях довжина вільного пробігу молекул дисперсійного середовища газу може бути більша за розмір частинок дисперсної фази. Завдяки меншій в’язкості середовища броунівський рух аерозольних частинок інтенсивніший, ніж рух частинок у ліозолях.

Для аерозолів характерні такі специфічні явища, як термофорез та термопреципітація, що пов’язані з кінетичними властивостями.

Зміна ступеня дисперсності різко змінює властивості дисперсної фази. Багато речовин, що знаходяться у грубо дисперсному стані, не реагують з повітрям. Якщо ступінь подрібнення достатньо висока, то проявляється хімічна активність дисперсної фази, яка зростає із збільшенням інтенсивності броунівського руху. Наприклад, цукор, борошно, крохмаль, подрібнені до стану аерозолів, при спалювані згорають із вибухом.

У частинок аерозолів відсутній подвійний електричний шар, однак вони можуть набувати електричного заряду внаслідок адсорбції на їх поверхні газових іонів, які виникають під дією на газ космічних променів, фону природної радіоактивності або іонізуючого випромінювання. При одержанні аерозолів розпиленням порошків відбувається тертя частинок одна об одну та об стінку апаратури, що призводить до виникнення на них заряду. Розпилення рідин також супроводжується одержанням заряджених частинок, оскільки рідини завжди містять електроліти, причому залежно від природи рідини та електроліту на поверхні сорбуються іони того чи іншого знаку. Під час утворення краплин відбувається розподіл присутнього в рідині електричного заряду.

За певних умов, особливо в суху погоду, може відбуватися вибух. Мінімальна концентрація, при якій можливий вибух для аерозолів пшеничного борошна 10мг/л, крохмалю – 7мг /л та цукру – 13,5 мг/л. Внаслідок вибуху виникає значний тиск. так,1 г крохмалю під час вибуху у замкненому просторі створює тиск 20 атм. Для запобігання вибуху борошняного пилу в млинах і хлібокомбінатах використовують аерозольтранспорт та аерацію борошна. Наприклад, при зберіганні борошно через 4-6 днів злежується, втрачає здатність до текучості. Для повернення борошну властивості свіжого матеріалу, борошно в силосі (спеціальна залізобетонна конструкція) підлягає аерації: відбувається подавання повітря в силос, повітря проникає у товщу борошна і розрихлює. Отже, борошно стає знову набуває текучості.

Аерозолі ‑ нестійкі дисперсні системи (не мають стабілізаторів) є агрегативно нестійкими системами. Завдяки інтенсивному броунівському рухові в системах з газовим дисперсійним середовищем аерозолі коагулюють.

На швидкість коагуляції аерозолів впливає:

Способи руйнування аерозолів:

Значення аерозолів:

Емульсії – мікрогетерогенні системи, складаються з двох рідин, які взаємно не змішуються (одна рідина диспергована в іншій у вигляді дрібних крапель.

Система: масло + вода + емульгатор

Роль емульгатора: надання агрегативної стійкості.