Получение и разрушение эмульсий

Эмульсии могут образовываться самопроизвольно, искусственно их можно получить в результате механического диспергирования жидкостей, гомогенизации и другими способами.

Самопроизвольное эмульгирование характерно только для лиофильных систем и определяется минимальным значением межфазового поверхностного натяжения (см. параграф 10.4). Получаемые в этих условиях эмульсии полидисперсны. Размеры капель подобных эмульсий неодинаковы и характеризуются определенным разбросом.

Для получения и стабилизации эмульсий используют гомогенизацию. Этот способ, характерный только для эмульсий, заключается в продавливании жидкости через отверстия. Образующиеся тонкие струйки жидкости неустойчивы и распадаются на капли; из них формируется дисперсная фаза. Гомогенизация позволяет получать эмульсии и уменьшать размеры капель, что повышает устойчивость эмульсии. Для этой цели капли грубодисперсной эмульсии продавливают через отверстие небольших размеров. Гомогенизация позволяет получить монодисперсную или близкую к ней систему.

В результате, например, гомогенизации молока диаметр жировых капель молока может снизиться с 3 до 0,2 мкм, т.е. в 15 раз, что увеличивает седиментационную устойчивость и время хранения продукта.

Разрушение эмульсий, или деэмульгирование, может происходить самопроизвольно или под действием деэмульгаторов. Самопроизвольное разрушение эмульсий характерно для лиофобных систем. Деэмульгирование происходит в результате фазового перехода дисперсионной среды или дисперсной фазы (капель). Например, при нагревании капли дисперсной фазы могут испариться, а эмульсия перейдет в пену, т.е. в дисперсную систему типа Г/Ж. При охлаждении возможно затвердевание капель и образование суспензии, т.е. системы типа Т/Ж.

В качестве своеобразного способа разрушения эмульсий можно рассматривать обращение фаз, которое заключается в превращении прямой эмульсии типа М/В в обратную типа В/М. Обращение фаз эмульсии означает, что дисперсионная среда одной системы превращается в дисперсную фазу другой системы, а дисперсная фаза другой жидкости переходит в дисперсионную среду вновь образованной эмульсии. Обращение фаз осуществляется при определенных условиях; оно характерно для высококонцентрированных эмульсий, значение v_об которых превышает 74%. Обращение фаз происходит в результате механического воздействия и в присутствии эмульгаторов.

Например, в процессе взбивания сливок под действием продолжительных механических усилий получают сливочное масло. Прямая высококонцентрированная эмульсия типа М/В (сливки), характеризующаяся значительным содержанием масла и небольшим количеством воды, переходит в обратную эмульсию (сливочное масло) типа В/М. Масло содержит сравнительно небольшое число капель воды и представляет собой уже не высококонцентрированную, а лишь концентрированную и в некоторых случаях разбавленную обратную эмульсию.

Обращение фаз эмульсий происходит в несколько стадий. На рис. 15.5 показан переход прямой эмульсии (В/М) в обратную (М/В). Капли дисперсной фазы 1 растягиваются и превращаются в пленки или нити 2. Пленки 3 охватывают дисперсионную среду исходной эмульсии. Когда этот охват завершается (4), то первоначальная дисперсионная среда превращается в дисперсную фазу 5 обратной эмульсии.

Рис. 15.5. Обращение эмульсии М/В в эмульсию В/М:

1—5 — стадии процесса

Обращение фаз эмульсий можно осуществить с помощью эмульгаторов. При введении хлористого кальция в эмульсию М/В, которая стабилизирована натриевым мылом, происходит, процесс, который показан на pиc. 15.5. Капли масла деформируются, удлиняются, образуются шейки и в конечном счете возникает эмульсия типа В/М. В этих условиях процесс обращения фаз эмульсий происходит самопроизвольно и определяется концентрацией вводимого реагента.

Применение эмульсий

Эмульсии находят разнообразное применение в производстве продуктов питания. Часть продуктов питания и продукции пищевой промышленности представляет собой эмульсии. К эмульсиям относятся молоко, сливки, сливочное масло, сметана, маргарин, т.е. жиросодержащие продукты питания.

В состав молока (эмульсия типа М/В) входят жидкие и отчасти твердые жиры, представляющие собой дисперсную фазу, а в водной дисперсионной среде содержатся белки, различные соли и сахар. Сливки — более концентрированные эмульсии по сравнению с молоком. Маргарин представляет собой концентрированную эмульсию типа В/М, в которой в качестве дисперсной фазы служит вода, а дисперсионной средой является очищенный от примесей пищевой жир. Пищевой жир получают из соевых бобов, подсолнечного, хлопкового или кукурузного масла. Кроме того, в маргарин вводят витамины, красящие и другие вещества. Майонез является концентрированной эмульсией растительного масла типа М/В. Дисперсионной средой является вода, содержащая яичный желток, уксус, горчицу, сахар, специи. Сливочное масло — это высококонцентрированная структурированная система, в состав которой входят прямая и обратная эмульсии — в большей степени М/В и отчасти В/М.

Эмульсии широко используют в пищевой технологии. Жиры в тесто вводят в виде эмульсии типа М/В, что значительно улучшает качество хлеба и хлебобулочных изделий.

Следует отметить, что эмульсии играют большую роль в жизнедеятельности организма человека. В состав крови входит эмульсия, дисперсной фазой которой являются эритроциты, а в качестве эмульгаторов выступают белки. Жиры, необходимая составная часть продуктов питания, нерастворимы в воде и усваиваются только в эмульгированном состоянии.

Молоко, сливки, сметана, сливочное масло являются эмульсиями и дополнительного эмульгирования не требуют. Растительное масло и животный жир в водной среде не образуют эмульсий. Поэтому перед усвоением подобных продуктов они сначала переводятся в эмульгированное состояние. Эмульгирование осуществляется сначала в желудке, а потом в двенадцатиперстной кишке. В качестве эмульгатора выступает желчь, в состав которой входят желчные кислоты — монокарбоновые оксикислоты, относящиеся к классу стероидов. При относительно высоких значениях рН, равных 8,0—8,5, образуются соли желчных кислот. Эти соли являются хорошими эмульгаторами.

Межфазовое поверхностное натяжение воды на границе с маслом σжж составляет примерно 40 мДж/м2. Растворы желчных кислот снижают его в сотни раз, что обеспечивает выполнение условий (15.2) и (15.3) — система из лиофобной превращается в лиофильную; в желудке происходит самопроизвольное диспергирование жира, а образующаяся эмульсия будет устойчивой. Диспергированию жира и образованию эмульсий способствует перистальтическое движение кишечника. В результате образуется прямая эмульсия жира в воде типа М/В. Подобная эмульсия через стенки тонких кишок поступает в лимфу и кровь и усваивается организмом.

Лекарственные препараты часто также представляют собой эмульсии. Для введения их в организм через рот рекомендуется применять прямые эмульсии типа М/В. Через кожу в организм вводят лекарственные препараты в виде обратных эмульсий типа В/М, так как кожа является препятствием для воды и растворенных в ней веществ и легко пропускает другие жидкости.

Эмульсии широко используются не только в пищевой, но и в ряде других отраслей промышленности. Так, основной процесс мыловарения связан с образованием прямой эмульсии М/В. Эмульгирование имеет место при обезвоживании сырой нефти, при производстве нефтепродуктов и очистке нефтяных емкостей, получении асфальтовых смесей и переработке натурального каучука, производстве кинофотоматериалов, получении консистентных смазок и охлаждающих жидкостей для обработки металлов, а также в ряде других технологических процессах.

Синтетические лаки, представляющие собой эмульсии синтетического каучука и смолы, используют для склеивания и приклеивания бумаги, импрегнировании тканей, для приготовления заменителей кожи и различных резиновых изделий. Эмульсионные краски — нетоксичны и пожаро-взрыво-безопасны. Для опрыскивания растений препараты обычно применяют в виде эмульсий. К природным эмульсиям относится ряд ценнейших растительных и животных продуктов.

В промышленных условиях нередко приходится вести борьбу с образующимися эмульсиями. Например, при обезвоживании различных нефтяных продуктов, в бумажной и кожевенной промышленности для предотвращения осаждения капель дисперсной фазы на волокне.

Г л а в а 16

ПЕНЫ

Пены отличаются от других дисперсных систем подвижностью и способностью к изменению поверхности раздела фаз. Быстрое снижение поверхности раздела фаз сокращает время жизни пены и обусловливает необходимость применения ПАВ для сохранения устойчивости пен. Значительное увеличение удельной поверхности подвижной границы раздела фаз придает пенам особые свойства.

Пены образуются в некоторых технологических процессах, а также в условиях применения различных препаратов.

Свойства и особенности пен

Пены представляют собой дисперсную систему типа Г/Ж, в которой дисперсной фазой является газ или пар, а дисперсионной средой — жидкость. В качестве дисперсной фазы могут служить пузырьки воздуха, находящиеся в воде. Пены относятся к концентрированным и высококонцентрированным дисперсным системам. Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж, содержание дисперсной фазы которых менее 0,1%, называют газовыми эмульсиями (см. табл. 1.1). В разбавленных системах происходит обратная седиментация — всплытие газовых пузырьков. В концентрированных и высококонцентрированных системах типа Г/Ж, т.е. собственно пенах, пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободного перемещения.

В отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы [см. формулы (1.8)—(1.10)], пены характеризуются содержанием дисперсионной среды. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены β, которая показывает, во сколько раз объем пены Vп превышает объем жидкости Vж, необходимый для ее формирования

                                (16.1)

где V_п, V_r, V_ж, — объем пены, газа и жидкой дисперсионной среды соответственно.

Относительная доля газа ε в пенах равна

                                      (16.1, а)

Доля объема, занятого жидкостью, составляет 1 – ε = 1/β.

Пены называют влажными (низкократными), если β < 10, для сухих (высокократных) пен значение β превышает 100; если 10 ≤ β ≤ 100, то пены называют полусухими.

Пены являются крайне неустойчивыми дисперсными системами. Плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа, из которого формируются пузырьки пены.

Пены относятся к грубодисперсным системам (см. табл. 1.3). В момент образования пузырьки пены видны невооруженным глазом, а их размеры неодинаковы, т.е. пены — типично полидисперсные системы. С увеличением кратности пены увеличивается объем газовой дисперсной фазы V_г, что соответствует уравнению (16.1).

Пены как дисперсные системы типа Г/Ж имеют свои особенности, которые определяются свойствами дисперсной фазы и дисперсионной среды и границей раздела фаз между ними.

Изменение энергии Гиббса, характеризующее избыточную поверхностную энергию, для однокомпонентной системы [см. уравнение (2.1)] в отсутствие химического и электрического взаимодействий (dn_i = 0, dq_i = 0), в случае изобарно-изотермического процесса (dp = 0, dТ = 0) составляет

                              dG = σ_ЖГdB; ΔG = σ_ЖГΔB,                                          (16.2)

где σ_ЖГ — поверхностное натяжение на границе раздела Ж—Г; ΔB — изменение поверхности раздела фаз после пенообразования.

Для самопроизвольного процесса

                                                      dG < 0.                                                          (16.2, а)

Межфазовое поверхностное натяжение пен, т.е. σ_ЖГ, определяется свойствами жидкости и газовой среды. Если эти свойства не изменяются, то и σ_ЖГ будет величиной постоянной. Поэтому самопроизвольное снижение свободной поверхностной энергии в соответствии с условием (16.2) и (16.2, а) происходит, когда

                                                      (16.3)

В самопроизвольных процессах (см. рис. 2.1), когда dG < 0, σ_ЖГ = const, уменьшение энергии Гиббса сопровождается только снижением величины ΔB, что приводит к разрушению пен.

Условие (16.3) означает самопроизвольное сокращение поверхности раздела фаз. Оно также следует из формулы (2.14). У твердых тел условие (16.3) не соблюдается и сохраняется форма частиц и рельеф поверхности. В отношении жидких частиц условие (16.3) проявляется в образовании сферических капель, что имеет место для эмульсий (см, гл. 15). Для пен, обладающих эластичной поверхностью, уменьшение границы раздела фаз означает сжатие пузырьков и их исчезновение, т.е. разрушение пен.

 

Рис. 16.1. Структура пен в виде пузырьков (а), полиэдрического монослоя (б) и объемных многогранников (в):

1 — пузырьки газа; 2 — жидкость; 3, 4, 5 — пленки (слой жидкости), каналы и узлы

Приводим в качестве примера некоторые параметры, характеризующие пены на основе фторуглеродных ПАВ (общая формула R_FСOOХ, где R_F — радикал, содержащий атом фтора). Кратность таких пен равна 3—4; время жизни 180—280 с; межфазовое поверхностное натяжение 17,7¸21,3 мДж/м²; поверхностная активность                                   5,0—7,1 мДж·м/моль; предельная адсорбция (2,39¸3,35) ∙10^-6 моль/м².

Термодинамический подход, однако, не позволяет рассмотреть особенности структуры пен, которая определяется формой пузырьков, их размерами и упаковкой. Пузырьки дисперсной фазы пен могут иметь сферическую и многогранную (полиэдрическую) форму (рис. 16.1). Кроме того, различают еще и ячеистую структуру пен. которая образуется при переходе сферической формы пузырьков в полиэдрическую. Подобный переход имеет место, когда кратность пен колеблется в пределах 10—20.

В пене происходит контакт пузырьков, разделенных между собой слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков. Монослой полиэдрической пены будет иметь регулярную структуру с гексагональной упаковкой.

Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемые треугольники Плато (рис. 16.2). В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120°. Сечение пленки жидкости пены по линии АА (см. рис. 16.1, в) показано на рис. 16.2. В местах стыков пленок (ребер многогранников) образуются утолщения, которые названы каналами. Каналы формируют в поперечном сечении треугольники. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы (см. рис. 16.1, в). Каналы и узлы пронизывают всю структуру пены.

Жидкие пленки в центре плоскопараллельны. Вблизи каналов они утолщены и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы (этот отток на рис. 16.2 показан стрелками). Жидкие пленки утончаются.

Под действием гравитации жидкость собирается в каналы и по узлам стекает в нижнюю часть пены. Если для систем T/Ж и Ж/Ж гравитация способствует седиментации частиц дисперсной фазы, то для пен, т.е. систем Г/Ж, гравитация обусловливает сток жидкости, составляющую дисперсионную среду; размер и число пузырьков уменьшается — пена гасится.

Как показали эксперименты, проводимые космонавтами на околоземных орбитах, в условиях невесомости (точнее, микрогравитации), время жизни жидких пен возрастает в десятки и даже в сотни раз. Это объясняется тем, что исключается сток жидкости по каналам и узлам. В земных условиях необходимо применять дополнительные меры по сохранению устойчивости пен.

Пены обладают рядом коллоидно-химических и физико-химических свойств. Для них характерны электроосмос и потенциал течения. Пены способны поглощать и рассеивать свет. В слое жидкости, разделяющем пузырьки пены, возникает расклинивающее давление, а внутри пузырьков — капиллярное давление. Кроме того, пены могут обладать определенной электропроводностью. Для применения пен большое значение приобретает их вязкость.

Кинематическая вязкость пены превышает вязкость воды и зависит от скорости перемещения пены. При скорости 0,2—0,4 м/с кинематическая вязкость пены оставляет (200—300)10^–6 м²/с, а при меньших скоростях она снижается до (2—5)10 м²/с. Напомним, что кинематическая вязкость есть частное от деления динамической вязкости на удельную массу, для воды она равна 10^–6 м²/с и не зависит от скорости движения водной среды.

Устойчивость пен

В отношении пен, как и других дисперсных систем, различают агрегативную и седиментационную устойчивость.

Пены относятся к термодинамически неустойчивым лиофобным дисперсным системам. Избыточная поверхностная энергия [см. формулу (16.2)] вызывает процессы, которые ведут к изменению размеров пузырьков пены и к ее разрушению, и определяет агрегативную устойчивость пен. Из всех лиофобных дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой пены самые неустойчивые.

Как уже отмечалось подвижность границы раздела Ж—Г и стекание жидкой дисперсионной среды за счет гравитации приводит к уменьшению размеров пузырьков пены. Одновременно происходят процессы, ведущие к увеличению размеров пузырьков.

К числу их относится диффузия газов (воздуха) из мелких пор в более крупные, а также за счет утончения и прорыва слоя жидкости между пузырьками. Последний процесс по аналогии со слиянием капель называют коалесценцией. Повышение размеров пузырьков сопровождается структурной перестройкой пены — перемещением узлов и каналов, что может способствовать разрушению пены. Кроме того, разрушение пены вызывают внешние факторы, такие как уменьшение или увеличение давления и ряд других.

Основным параметром, характеризующим агрегативную устойчивость пен, является скорость уменьшения в единице объема пены удельной поверхности (v_y.п) или увеличения размеров пузырьков за счет их укрупнения (Δv^/_у.п). За агрегативную устойчивость (А_у) принимают величину, обратную скорости снижения удельной поверхности v_у.п или скорости увеличения среднего размера пузырьков v^/_у.п, а именно

                                      (16.4)

Сопоставление агрегативной устойчивости различных пен v_y.п проводят при одинаковом значении удельной поверхности или размеров пузырьков:

На практике оценку агрегативной и седиментационной устойчивости пен проводят при помощи коэффициента устойчивости К_У, который выражается уравнением

                                                 К_у = τ_p/V_п,                                                (16.5)

где τ_р, V_п — время разрушения и первоначальный объем пены.

Коэффициент устойчивости определяют по времени жизни столба пены определенной высоты, чаще 3 или 5 см. Кроме того, устойчивость пены определяют по времени ее разрушения в зависимости от приложенного давления. Так, время τ_p для столба пены высотой 3 см, образованной при использовании альбумина в качестве пенообразователя (0,1 моль/л) при давлении 10⁴ Па, составляет 11 ± 2 мин.

Пленки, обрамляющие пузырьки и образованные однокомпонентной жидкостью, спонтанно утончаются до определенной критической толщины разрыва (≈30 нм). Поэтому в однокомпонентной жидкости время жизни пены ничтожно мало; пены разрушаются практически сразу после их образования, т.е. после прекращения механического воздействия. Пенам придают ycтойчивость ПАВ. В присутствии ПАВ по достижении критической толщины пленки не разрываются, а скачкообразно переходят в более тонкие пленки, толщиной 5—10 нм, которые получили название «черные пленки». Эти весьма тонкие пленки не отражают свет и на темном фоне выглядят черными; отсюда их название.

Полиэдрические пены (см. рис. 16.1, в) образуют каркас, который в известной степени придает этим пенам агрегативную устойчивость. Однако эта устойчивость нарушается в результате утончения стенок, укрупнения крупных ячеек пены за счет исчезновения мелких, разрыва пленок жидкости и отекания ее в нижнюю часть пены под действием гравитации.

Когда концентрация дисперсной фазы незначительна и образуются шарообразные пузырьки газа, способные к взаимному перемещению, говорят о седиментационной неустойчивости пен. Пузырьки получают возможность всплывать, и тем самым нарушается седиментационная устойчивость пен.

Для получения пен, а также для придания им необходимой устойчивости применяют специальные вещества, называемые пенообразователями. Пенообразователи могут быть двух типов. Первые из них дают малоустойчивые пены, время жизни которых исчисляется всего десятками секунд. К ним относятся спирты, низшие члены ряда жирных кислот, ряд других ПАВ, не обладающих моющим действием (см. гл. 21).

Ко второму типу пенообразователей относятся мыла и синтетические коллоидные ПАВ (см. параграфы 21.1—21.3). К этому же типу принадлежит ряд природных ВМС, к числу которых относятся белки, желатин и др. Время жизни пен под действием подобных реагентов составляет уже минуты и даже часы.

Пены, полученные встряхиванием воды, исчезают мгновенно. Золи муки способны создавать пену в присутствии пенообразователей первого типа. Взбитые сливки, в состав которых входят пенообразователи второго типа, являются уже более устойчивой системой.

Устойчивость пены в присутствии пенообразователей определяется кинетическим, структурно-механическим и термодинамическим факторами, которые могут действовать отдельно или в совокупности. В случае использования ПАВ эти факторы обусловлены одним и тем же — адсорбцией молекул в тонком слое жидкости оболочки пены. Подобный слой в увеличенном масштабе показан на рис. 16.3. Кинетический фактор связан с изменением поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Если этими фазами являются жидкость (вода) и газ (воздух), то для пен речь идет о поверхностном натяжении σ_ЖГ. В результате изменения поверхностного натяжения замедляется отток жидкости из пены и ее утончение, что приводит к увеличению времени жизни пены.

Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности границы фаз и определяет механическую

прочность этой структуры. Кроме того, в тонком слое (см. рис. 10.4) возникает расклинивающее давление, которое препятствует утончению пленки и характеризует термодинамический фактор устойчивости.

На практике иногда необходимо исключить пенообразование как нежелательный процесс. Для разрушения образующейся пены применяют различные механические, физические и химические способы. Механические способы осуществляются струей воздуха, с помощью вращательных (мешалок, центрифуг) и других устройств. Физические способы основаны на термическом воздействии (нагрев, охлаждение), использовании электромагнитного излучения и вибрации. Широко распространен химический способ борьбы с пенообразованием путем использования специальных веществ, называемых пеногасителями. К их числу относятся жиры, масла, некоторые ПАВ, эфиры, жирные кислоты и ряд органических соединений. Так, например, при производстве сахара, когда образующаяся пена отрицательно сказывается на выходе готового продукта, в качестве пеногасителя применяют серосодержащие органические соединения.

Получение и применение пен

Как и в отношении других дисперсных систем, способы получения пен могут быть дисперсионными и конденсационными (см. рис. 12.2). Диспергирование осуществляется встряхиванием, при прохождении струи газа (воздуха) через жидкость, а также при контакте движущейся жидкости с преградой. Газированная вода — это типичный пример получения пены (при достаточной концентрации газа) диспергированием в результате введения диоксида углерода в воду.

Диспергирование интенсифицируется введением различных добавок, растворенных в жидкой дисперсионной среде. При диспергировании, которое сопровождается перемешиванием, барботажем с одновременным нагреванием, вспениваются растворы, содержащие белки, аминокислоты, углеводы, жиры и витамины. Значительное пенообразование сахарного сиропа обусловлено сапонином, а также такими веществами, как гуминовая кислота и продукты распада белков. Причем пенообразование происходит как в объеме жидкости, так и на ее поверхности.

Устойчивость пен продуктов бродильного производства (пива, солодовых напитков) вызвана присутствием альбумина, желатина, солодового экстракта и таннина. Наличие азотсодержащих веществ обусловливает вспенивание плодово-ягодного варенья и экстрактов чайного листа.

Особую роль пена играет при сбивании масла из сливок или молока. В жидкой дисперсионной среде на пузырьках пены концентрируются капельки и кристаллики жира молока. В результате коагуляции капель и кристалликов образуется масляная дисперсная фаза, окруженная водной средой. Прямая эмульсия М/В переходит в обратную В/М; этому способствует пена.

Конденсационный способ получения пен основан на пресыщении раствора газом. К этому способу относится получение пен в результате химических реакций и микробиологических процессов, которые сопровождаются выделением газа. Так, в процессе брожения теста, которое идет по схеме молочнокислого брожения, из глюкозы помимо молочной и янтарной кислот образуются газы (СО₂ + Н₂), вызывающие пенообразование.

При снижении давления и повышении температуры растворимость газа в жидкости снижается. Жидкость вспенивается, из нее может выделяться газ. Подобный процесс происходит при открывании бутылок с игристыми винами, пивом и другими напитками. В отличие от шампанского, лимонада и боржоми пиво содержит пенообразователи — хмелевые смолы, белки, декстрины и др.

Отметим важнейшие традиционные области применения пен: флотация (см. параграф 3.4), пожаротушение, тепло- и звукоизоляция, стирка, пенная сепарация, пылеулавливание и пылеподавление, очистка поверхностей, бурение.

Жидкие пены в определенных условиях переходят в твердые (см. параграф 18.2). В табл. 16.1 представлены различные виды пен применительно к пищевой промышленности и продуктам питания.

Т а б л и ц а 16.1

Возможные источники образования, тип и форма некоторых пен
в пищевой промышленности и продуктах питания

Источники образования	Тип пены	Пищевые массы, продукты питания, полуфабрикаты
Технологические процессы:
вспенивание	Твердые, образованные из жидких	Кондитерские массы, патока, зефир, суфле, халва, мороженое
	Жидкие	Взбитые сливки, коктейли
пеносушка	Жидкие, переходящие в твердые	Сухое молоко, кофе, пюре, другие порошки
брожение	Жидкие	Вино, пиво
Сопутствующие процессы	Жидкие	В процессе производства сахара, продуктов брожения и дрожжей
Продукты	Жидкие	Игристые вина, пиво, прохлаительные напитки
	Твердые	Хлеб

Пенообразование играет важную роль в процессе усвоения пищи. Слюна образует высокодисперсную и прочную пену. В результате этого процесс смачивания пищи проходит быстро — всего за 16—18 с; комок пищи получает способность свободно проходить в глотку и пищевод, а воздух, поступающий со слюной в желудок, способствует пищеварению. В различных технологических процессах, в частности в химической, микробиологической, пищевой (см. табл. I6.1) и других отраслях промышленности, возникает потребность в разрушении пен, т.е. предотвращение вспенивания. Нередко пенообразование не только нежелательно, но и опасно для человеческого организма. Речь идет о кессонной болезни, которая является профессиональной для водолазов и летчиков. При переходе из зоны повышенного давления в зону нормального давления происходит выделение пузырьков азота, который поступил в избыточном количестве в кровь при повышенном давлении; кессонная болезнь проявляется в вспенивании крови.

Г л а в а 17

АЭРОЗОЛИ

Аэрозоли играют большую роль в природе и в жизни человека. Так, воздух, окружающий Землю, представляет собой наиболее распространенную естественную аэрозольную систему. Специалист технолог очень часто сталкивается с аэрозолями в своей практической деятельности. Мероприятия по охране окружающей среды, связанные с уменьшением запыленности воздуха, основаны на разрушении аэрозолей. В воздухе некоторых предприятий, например, цементной промышленности, переходит ценное сырье, извлечение которого и использование по назначению снижает или исключает неоправданные потери. Осадки аэрозолей формируют сыпучие материалы (порошки) — едва ли не самые распространенные в некоторых отраслях промышленности дисперсные системы.

Классификация аэрозолей

К системам с газовой дисперсионной средой относятся аэрозоли и сыпучие материалы (порошки). Аэрозоли — это такие дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии. Первая часть сложного слова — «аэро» — характеризует газовую дисперсионную среду, а вторая — «золь» — раздробленность вещества, из которого образуется дисперсная фаза. Сыпучие материалы, структурно-механические свойства, которых приведены в гл. 12, можно рассматривать как осадок аэрозолей с твердой дисперсной фазой, т.е. как систему Т/Г. Для аэрозолей сложилась своя классификация в зависимости от агрегатного состояния и размеров частиц дисперсной фазы. Эта классификация приведена в табл. 17.1. Простейшими являются аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит только из твердых частиц или из капель. Каждая из разновидностей аэрозольных систем имеет свое название. Высоко- и среднедисперсные системы типа Т/Г принято называть дымом., а грубодисперсные — пылью. Средне- и высокодисперсные системы типа Ж/Г называют туманом, грубодисперсные — каплями. К среднедисперсным системам относятся атмосферные туманы и слоистые облака; размер частиц этих систем составляет 1—10 мкм. Диаметр капель дождя может достигать нескольких миллиметров. Системы, дисперсная фаза которых состоит одновременно из жидких и твердых частиц, иногда называют смогом [от английских слов smoke (дым) и fog (туман)]. Следует отметить некоторую условность классификации аэрозольных систем. Дым, например, ассоциируется главным образом с понятием об аэрозолях, которые образуются после сгорания топлива. Однако, не все топлива, сгорая, образуют дым, т.е. дисперсную систему типа Т/Г. В результате сгорания некоторых видов топлива в воздух переходит жидких частиц больше, чем твердых, причем жидкие частицы имеют конденсационное происхождение. Так, дисперсная фаза аэрозоля при сгорании древесины состоит в значительной степени из жидких частиц (воды, смолы). Подобный аэрозоль точнее было бы называть смогом, а не дымом.

Т а б л и ц а 17.1

Классификация аэрозолей

Дисперсная фаза	Обозначение	Название
Твердая	Т/Г	Дым, пыль
Жидкая	Ж/Г	Туман, капли
Твердая и жидкая	Т, Ж/Г	Смог
Пена	Ж, Г/Г   Т, Г/Г	Жидкая аэрозольная пена Твердая аэрозольная пена
Газовые образования	Г/Г*	Клатраты, газовые гидраты
Твердая	Т/ К**	Космическая пыль, космозли
* 0бразование такой системы маловероятно. ** Космическое, сильно разряженное пространство.

Иногда сложно охарактеризовать дисперсную фазу аэрозолей. В одной и той же системе могут находиться частицы различного размера. Подобные системы могут быть отнесены и к дыму, и к пыли.

Кроме основных, существуют менее распространенные, но не менее важные аэрозольные системы. В аэрозольных жидких (система Т, Г/Г) и твердых (система Ж, Г/Г) пенах газовый пузырек окружен пленкой (жидкой или твердой). Жидкие аэрозольные пены, в которых газовый пузырек обрамлен жидкой пленкой, применяют для тушения пожаров. Пепел и извергаемая вулканами лава, состоят из частиц, поры которых заполнены газом. Аэрозоли, сформированные из подобных частиц, можно рассматривать как твердые пены.

Некоторые разновидности аэрозольных систем привлекли внимание сравнительно недавно. К таким системам относятся клатраты (см. параграф 1.2).

Особая структура аэрозолей — космическая пыль и метеориты — возникает в космическом межпланетном пространстве. Подобные системы относятся к аэрозолям по следующим причинам. Космическая пыль и метеориты возникают из осколков планет и комет, которые, как правило, окружены атмосферой, т.е. в момент образования они представляли собой аэрозольные системы. В сильно разряженном пространстве они существуют в виде космозолей, которые условно можно обозначить, как Т/К. Знак / подчеркивает, что граница раздела фаз со стороны твердого тела характеризует их временное и специфическое аэрозольное состояние. При входе в плотные слои воздуха, например на высоте, менее 100 км от Земли, они опять превращаются в аэрозоли, а затем большая часть их сгорает.

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 632; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!