Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Газовая эмульсия
Газовые эмульсии отличаются от многих видов других дисперсных систем значительной нестабильностью состава и свойств во времени, а также зависимостью от изменения внешних условий. Основные процессы, протекающие во времени в газовых эмульсиях, в принципе аналогичны процессам в других видах дисперсных систем, однако, скорость их протекания значительно больше. Рассмотрим кратко основные показатели устойчивости газовых эмульсий и происходящие в них процессы. [2]
Газовые эмульсии часто образуются за счет выделения газовой фазы из жидкой вследствие возникновения пересыщения при изменении параметров состояния газового раствора ( температуры, давления) или состава жидкой фазы. Пересыщенный раствор газа в жидкости может быть получен или ее предварительным насыщением или путем протекания химических, электрохимических, микробиологических и других процессов, сопровождающихся выделением газообразных продуктов реакции. Очень часто газовые эмульсии получаются при комбинированном действии различных факторов. [4]
Газовые эмульсии могут получаться при сплавлении или растекании дисперсных частиц полимеров ( порошков, капель), захватывающих содержащуюся между ними газовую фазу. [5]
Газовые эмульсии и пены, как и другие дисперсные системы, получают двумя способами: даспергационным и конденсационным. Диспергирование осуществляется встряхиванием, перемешиванием газа и жидкости или продавливанием его в жидкость. Газовые эмульсии возникают, напрмер, при выходе нефти на поверхность. В результате понижения давления из нефти постепенно выделяются растворенные в ней газы, способствующие подъему нефти. [6]
Газовые эмульсии в полимерных растворах являются термодинамически и кинетически нестабильными. [8]
Газовые эмульсии по сравнению с обычными эмульсиями типа жидкость в жидкости имеют ряд отличий, обусловленных резким различием в свойствах дисперсной фазы — пузырьков газа и капель жидкости. Например, в газовых эмульсиях невозможно обращение фаз. [9]
Газовые эмульсии весьма широко распространены в природе. Они встречаются при выходе подземных вод и некоторых видов нефти на поверхность. [10]
Данная газовая эмульсия является агрегативно-устойчивой, поэтому согласно ранее рассмотренной методике вначале при кратковременном ( вследствие относительно высоких значений растворимости и коэффициента диффузии воздуха) воздействии давления необходимо растворить наиболее мелкие пузырьки. [11]
Газовую эмульсию помещают в узкую кювету с плоскопараллельными прозрачными стенками. Фотографирование ведут под микроскопом в проходящем или отраженном свете. Обычно получают несколько фотоснимков в различных частях кюветы с целью сведения к минимуму ошибок, обусловленных агрегацией или седиментацией пузырьков. [12]
Газовыми эмульсиями называются низкоконцентрированные системы газа в жидкости, в которых газовые пузырьки находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга и имеют сферическую форму. [13]
Исследованы газовые эмульсии азота , ацетилена, водорода, воздуха, кислорода, окиси углерода, метана, этана и других малорастворимых газов. Полученные газовые эмульсии, вследствие малого размера пузырьков, достаточно стабильны во времени, хотя через несколько десятков минут становились заметными коалесценция и седиментация. [15]
Источник
Дисперсные системы в природе и технике (стр. 7 )
| | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
В химической промышленности с эмульсиями имеют дело при проведении различных синтезов, эмульсии образуются в экстракционных аппаратах, при процессах перемешивания. Для получения синтетических латексов используется эмульсионная полимеризация – полимеризация в каплях дисперсной фазы. Эмульсии применяются для получения пористых органических сорбентов, мембран, пленок, покрытий.
Биологическое значение эмульсий
Велико значение эмульсий в жизни человека. Жиры в крови и лимфе находятся в эмульгированном состоянии (эмульгаторы – белки крови).
Жиры являются необходимым компонентом питания, между тем они нерастворимы в водной среде, составляющей основу жизнедеятельности организма. Поэтому организм хорошо усваивает жиры, находящиеся в эмульгированном состоянии, например, молоко, сливки, сметану, сливочное масло. Другие жиры, потребляемые с пищей (растительное масло, животный жир), усваиваются только после перевода их в эмульгированное состояние, вначале в желудке, а потом – в двенадцатиперстной кишке, куда поступает желчь, содержащая холиевые кислоты. Высокое значение рН в верхнем отделе кишечника (8.0-8.5) способствует переводу холиевых кислот в соли, являющиеся исключительно хорошими эмульгаторами. Опыты показали, что растворы солей желчных кислот могут обладать поверхностным натяжением менее 1 мДж/м2, т. е. настолько низким, что может идти самопроизвольное раздробление жира. Таким образом, желчь имеет большое значение для переваривания и всасывания жиров в желудочно-кишечном тракте. Перистальтические движения кишечника оказывают диспергирующее действие. Получающаяся высокодисперсная прямая эмульсия всасывается далее через стенки тонких кишок и поступает в лимфу и кровь.
При введении лекарственных препаратов через рот целесообразно использовать прямые эмульсии, а при их введении через кожу – эмульсии обратного типа (втирания, мази, кремы), поскольку кожа непроницаема для воды и растворимых в ней препаратов.
Эритроциты в крови можно по ряду свойств рассматривать так же, как частички гидрофобной эмульсии. На их поверхности адсорбированы молекулы белков, аминокислот и ионы электролитов. Все они сообщают эритроцитам определенный отрицательный заряд, а противоионы создают диффузный слой. При различных патологических процессах в организме, когда в крови увеличивается содержание некоторых видов белков (либо особого глюкопротеида, относящегося к α-глобулинам, либо при инфекционных заболеваниях – к γ-глобулинам), происходит процесс, очень напоминающий ионообменную адсорбцию: место ионов электролитов на поверхности эритроцитов занимают белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещенных ими ионов. В результате заряд эритроцитов уменьшается, они быстрее объединяются и оседают – увеличивается СОЭ (скорость оседания эритроцитов). Этот процесс зависит еще от ряда факторов: содержания других белковых фракций и мукополисахаридов, концентрации эритроцитов в крови, наличия в крови микробов.
3.3 ПЕНЫ И ГАЗОВЫЕ ЭМУЛЬСИИ
Жидкая пена представляет собой систему, в которой дисперсной фазой является газ или пар, а дисперсионной средой – жидкость.
Часто дисперсной фазой служит воздух, пузырьки которого находятся в воде. К пенам относятся концентрированные и высококонцентрированные системы. Низкоконцентрированные системы (содержание дисперсной фазы менее 0.1%), в которых газовые пузырьки находятся на сравнительно большом расстоянии друг от друга, называются газовыми эмульсиями. Примерами газовых эмульсий могут служить газированная вода, пиво, шампанское, содержащие пузырьки углекислого газа. Если пены по своему строению и свойствам очень схожи с концентрированными эмульсиями, то газовые эмульсии сходны с эмульсиями разбавленными.
Пены относятся к грубодисперсным системам — в момент возникновения пузырьки видны невооруженным глазом. При образовании пены ее ячейки имеют сферическую форму, которая с течением времени переходит в полиэдрическую. Характерной идеализированной фигурой ячеек является пентагональный додекаэдр — двенадцатигранник с пятиугольными гранями, имеющий 30 ребер и 20 вершин, где грани ячеек – тонкие жидкие пленки (рис. 3.12). Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемые треугольники Плато. В каждом ребре многогранника (рис. 3.13 а) сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 1200. Сечение пленки жидкости пены по линии АА (рис. 3.12) показано на рис. 3.13 а.
В местах стыков пленок образуются утолщения, которые называют каналами (рис. 3.12 и 3.13 а). Каналы в поперечном сечении являются треугольниками. Четыре канала сходятся в одной точке, создавая узлы (рис. 3.12). Каналы и узлы пронизывают всю структуру пены.
Жидкие пленки в центре плоскопараллельны (рисб). Вблизи каналов они утолщаются и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы; этот отток на рис.3.13 б показан стрелками. Под действием гравитации жидкость собирается в каналы и по узлам стекает в нижнюю часть пены. В результате оттока жидкости пленки утончаются.
Пены могут быть получены как диспергационными, так и конденсационными методами. Пена получается при барботаже газа в жидкость из узкого отверстия – струя газа разрывается и разбивается на пузырьки. Пена образуется и при механическом перемешивании газа с жидкостью, что можно наблюдать при флотации, стирке и других процессах. Применяют и пеногенераторы различных конструкций, во многих из которых образование пены происходит на сетке; при этом, задавая расход воздуха и пенообразователя, можно получить пену заданной кратности.
Примером конденсационного метода получения является образование пены в газированных напитках, насыщенных СО2 (физическая конденсация). При уменьшении давления при открывании бутылки растворимость углекислого газа резко уменьшается, и образуются пузырьки новой фазы, которые, всплывая на поверхность, образуют пену. Примером химической конденсации является получение пены в пенных огнетушителях.
Из всех дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой пена – самая неустойчивая. Время ее жизни определяется временем существования пленки жидкости. В воде, не имеющей примесей, время жизни пены ничтожно мало. Пена разрушается практически сразу после ее образования. Она может существовать только в динамическом режиме – когда скорость образования пузырьков газа равна скорости их разрушения. Вспенивание идеально чистых жидкостей происходит при скорости газа 0.7-1.3 м/с. Снижение скорости газа практически мгновенно вызывает исчезновение пены.
Плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа. Поэтому в разбавленных системах происходит «обратная седиментация», т. е. всплытие газовых пузырьков. В концентрированных системах, образующих пену, пузырьки соприкасаются и лишены возможности свободного перемещения (отсутствует броуновское движение).
Естественная полидисперсность ячеек, заполненных воздухом, приводит к повышению давления внутри малых ячеек, а, следовательно, к диффузии воздуха через пленки из малых ячеек в большие. Этот процесс, аналогичный изотермической перегонке, имеет следствием увеличение неоднородности, уменьшение дисперсности и, в конечном счете, разрушение пены. Наряду с этим, пониженное давление, возникающее вследствие образования кривизны в «углах» — местах соединения пленок пены, приводит к отсасыванию жидкости из середины пленки к краям, вызывая самопроизвольное утончение пленок. При разрушении пены может преобладать тот или иной процесс в зависимости от природы и состояния пены. В пенах с тонкими жидкими прослойками сначала происходит истечение жидкости, приводящее к утончению пленок, а затем диффузия газа и разрыв пленок. Разрушение пен высокой кратности («сухих») обусловлено в основном диффузией газа и порывом пленок.
Как показали эксперименты, проводимые космонавтами на околоземной орбите, в условиях невесомости отток жидкости из пленок по каналам исключен, и время жизни пен значительно возрастает.
Своеобразный рекорд долголетия поставил мыльный пузырь диаметром 61 см, в котором содержалось 113 л воздуха. Он был изготовлен при помощи специальных технических ухищрений и в искусственных условиях просуществовал 3 года, постепенно уменьшаясь в объеме, пока, в конце концов, не превратился в пленку.
Устойчивые пены получают при диспергировании газа в жидкости, содержащей стабилизаторы или, как их называют в данном случае, пенообразователи. В качестве пенообразователей можно использовать различные ПАВ – мыла, жирные кислоты, спирты и т. д.
Механизм стабилизации жидких пен заключается в том, что в результате введения различных веществ в тонком слое жидкости, составляющем оболочку пены, образуются адсорбционные слои (рис. 3.14). Адсорбция вызывает изменение поверхностного натяжения на границе воды с воздухом. В результате уменьшения поверхностного натяжения замедляется отток жидкости из пены, что приводит к увеличению ее устойчивости.
Пенообразователи делят на два типа.
Пенообразователи 1-го рода – низшие спирты, кислоты, — которые находятся в объеме раствора и адсорбционном слое в молекулярном состоянии. Пены, содержащие эти ПАВ, быстро распадаются (время их существования не превышает, как правило, 20 с) по мере истечения междупленочной жидкости. Максиму устойчивости пены отвечает определенная концентрация пенообразователя (рис.3 15).
Концентрация, при которой наблюдается максимум устойчивости пены, снижается с увеличением числа углеродных атомов в гомологическом ряду. Например, в ряду спиртов оптимальная концентрация пенообразователя снижается с 0.3 до 3·10-4 М при переходе от этилового к октиловому спирту. Высшие члены гомологического ряда обладают недостаточной растворимостью и поэтому не являются хорошими пенообразователями.
Мыла дают гораздо более устойчивые пены, чем спирты и кислоты, очевидно, благодаря наличию в их молекулах ионогенных групп. Так же, как для спиртов и кислот, максимальная устойчивость пены отвечает мылам со средней длиной углеводородного радикала и их растворам средней концентрации.
Пенообразователи 2-го рода. К ним относятся различные высокомолекулярные соединения – белки, сапонины – гликозиды, выделяемые из растений, и т. д. Устойчивость пен, стабилизированных ВМС, значительно выше (они могут существовать сотни и тысячи секунд), поскольку на поверхности пузырьков образуются прочные гелеобразные пленки. Устойчивость пен, стабилизированных пенообразователями 2-го рода, непрерывно увеличивается с ростом концентрации ВМС. Каркас пены очень устойчив и может сдерживать истечение жидкости из пленок. Пенообразующая способность ионогенных ПАВ существенно выше, чем неионогенных, что связывают с большей скоростью образования адсорбционных слоев.
Факторы, влияющие на устойчивость пен
Исследования свойств пен проводятся, в основном, на свободных пленках, являющихся вполне адекватными моделями пленочной структуры пен. Современная классификация пленок выделяет два основных типа – толстые пленки, внутри которых имеется слой жидкости, обладающий свойствами объемной жидкой фазы, и тонкие – образованные поверхностными слоями. Можно полагать, что дисперсионная среда в тонких пленках представляет собой совокупность молекул ПАВ, продуктов их диссоциации и связанных с ними сольватных оболочек, в которые входит вся содержащаяся в системе жидкость.
Источник
