Характеристика дисперсной фазы
Свойства дисперсных систем в значительной степени определяются концентрацией и диапазоном размеров частиц дисперсной фазы. Остановимся на характеристике трехмерной дисперсной фазы. Различают численную νч, объемную νоб и массовую νм концентрации дисперсной фазы.
Численная (иногда ее называют счетной или частичной) концентрация определяется числом частиц N дисперсной фазы в единице объема Vд.с. дисперсной системы. Она показывает число частиц в 1 м3:
νч = N/Vд.с., м—3. (1.8)
Массовая концентрация характеризует массу дисперсной фазы Мд.ф. в единице объема дисперсной системы:
νм = Мд.ф./Vд.с., кг/м3. (1.9)
Объемная концентрация — величина безразмерная, она показывает, какая часть объема дисперсной системы Vд.с. занимает объем дисперсной фазы Vд.ф.:
νоб = Vд.ф. /Vд.с., или νоб = (Vд.ф. /Vд.с.) 100%. (1.10)
В зависимости от условий и свойств дисперсных систем для выражения концентрации дисперсной фазы используют различные величины. Содержание пыли в воздухе, например, выражают в виде численной или массовой концентрации. Численная концентрация мучной пыли может составлять 103 — 104 частиц на 1 см3, или 109 — 1010 частиц на 1 м3. Массовая концентрация частиц мучной пыли диаметром 10 мкм колеблется в пределах 10—5 — 10—4 кг/м3, или 10—100 мг/м3. Содержание дисперсной фазы в эмульсиях представляют в виде объемной концентрации, которая может колебаться от 0,01 до 99%.
|
|
Для перевода численной концентрации в массовую можно воспользоваться следующим выражением:
nм = V1ρnч, (1.11)
где V1, ρ —объем одной частицы и плотность материала частиц соответственно.
В зависимости от концентрации и условий взаимодействия между собой частиц дисперсной фазы различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы. В свободнодисперсных системах частицы способны свободно перемещаться друг относительно друга. Связнодисперсные высококонцентрированные системы в отличие от свободнодисперсных образуют структуру и обладают определенной прочностью; подробнее см. гл. 11. В отношении двухмерных пористых систем разработана своя специфическая классификация (см. параграф 6.1).
Различают монодисперсные и полидисперсные системы. Монодисперсные системы состоят из частиц одного размера. Подобные системы встречаются крайне редко. Можно говорить лишь о системах, близких к монодисперсным. Подавляющее большинство дисперсных систем относятся к полидисперсным. Они состоят из частиц различного размера.
|
|
Системы, дисперсные фазы которых двухмерны или одномерны, также могут быть полидисперсными и монодисперсными. Для одномерных систем полидисперсность характеризуется неодинаковой толщиной мембран или пленок (см. рис. 1.3, в), для двухмерных — диаметром капилляра, нити или волокон (см. рис. 1.3, б). Форма нитей, волокон и капилляров, относящихся к двухмерным системам, может отличаться от цилиндрической, а их размеры — изменяться по длине.
Следует подчеркнуть, что монодисперсные системы, которые характеризуются одинаковым размером всех частиц, принадлежат только к одному классу дисперсных систем (см. табл. 1.3).
Дисперсные системы имеют еще ряд особенностей. Эти особенности заключаются, во-первых, в наличии более двух фаз у некоторых систем и многокомпонентности самих фаз; во-вторых, в том, что в процессе получения конечного продукта из сырья происходит изменение агрегатного состояния фаз дисперсных систем и типа самой системы.
Так, грунт можно рассматривать как твердую многокомпонентную дисперсную систему, включающую образования в виде газа и жидкости с растворенными в ней веществами, т.е. систему Ж,Г/Т. В воздухе находятся жидкие и твердые аэрозольные частицы различного состава, формы и размера; они образуют дисперсную систему типа Т,Ж/Г. В естественных водоемах могут возникать газовые пузырьки и находиться взвешенные различные твердые и жидкие частицы, образующие систему Т,Ж,Г/Ж.
|
|
При производстве сухого молока распыляют жидкость, которая превращается в твердые частички. В определенный период в воздушной среде могут одновременно находиться раздробленные твердые и жидкие частицы, т.е. образуется система типа Т, Ж/Г.
Тесто после замеса представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. Ее можно представить как систему типа Т, Г, Ж/Т. Зерна крахмала, частички оболочек зерна и набухшие нерастворимые белки составляют твердую фазу. В несвязанной воде находятся в виде растворов минеральные и органические вещества (водорастворимые белки, декстрины, сахара, соли и др.). Часть белков образует коллоидные растворы, способные к набуханию. Жир, вносимый в тесто, может находиться в виде капель. Газообразная фаза образуется за счет захвата пузырьков воздуха при замесе и процесса брожения. В результате технологических процессов при производстве продуктов питания может изменяться вид дисперсной системы. Подобное изменение можно проследить на примере выпечки хлеба. Технологический цикл хлебопекарного производства с учетом изменений агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды можно представить следующей схемой:
|
|
Мука (Т/Г) → Тесто (Т, Г, Ж/Т) → Хлеб (Г/Т).
В случае производства сахара этот цикл выглядит следующим образом:
Сахарная свекла (Т, Г/Т) → Диффузный сок (Т/Ж) → Сахар-песок (Т/Г).
В такой последовательности изменяется вид дисперсной системы при окраске изделий:
Краска (Т, Ж/Ж) → образовавшееся покрытие (Т/Т).
В ходе изучения курса мы неоднократно убедимся в том, что дисперсные системы обладают самыми разнообразными свойствами.
Упражнения
1. В соусах диаметр капель эмульсии масла зависит от способа приготовления и при ручном взбалтывании составляет 20 мкм, а при машинном перемешивании — 4 мкм. Определить дисперсность, удельную поверхность дисперсной фазы, а. также отношение этих величин, если плотность масла равна 1,14∙10 3 кг/м 3 .
В соответствии с формулой (1.6) дисперсность определим по уравнениям
D маш = 1/а = 1/(4∙10 —6 ) = 2,5∙10 5 , м —1 ;
D руч = 1/(20∙10 —6 ) = 5 ∙ 10 4 , м —1 .
Из формулы (1.7) находим
2. На пакетах молока указано, что содержание жира составляет 3,2%. Определить объем дисперсной фазы в упаковке вместимостью 1 л и численную концентрацию дисперсной фазы, если диаметр жировых капель равен 85 мкм. Чему равна численная концентрация в расчете на 1 м 3 ?
Объем дисперсной фазы (жира) согласно формуле (1.10) составит 32∙10 —3 л, или 32∙10 —6 м 3 .
Число жировых частиц N 1 в 1 л молока можно определить так: N 1 = V д.р. / V 1 — объем одной частицы, равный (4/3)πr 3 , r — радиус частицы. Тогда
Численная концентрация определяется по формуле (1.8)
ν ч = N 1 :10 3 = 9,95∙10 7 : 10 -3 = 9,95∙10 10 м —3 .
3. Массовая концентрация пыли в воздухе рабочих зон помещений составляет 4,2 мг/м 3 . Определить численную концентрацию пыли, если средний диаметр частиц составляет 3,7 мкм, а их плотность 1,1∙10 3 кг/м 3 .
По формуле (1.11), учитывая, что V 1 = (4/3) πr 3 , находим
В 1 м 3 воздуха содержится 144 млн. частиц, или в 1 см 3 — 144 частиц.
4. Рассчитать удельную поверхность одномерной, двухмерной и трехмерной дисперсной фазы, если диаметр частиц и цилиндра, а так же толщина пленки составляет 10 мкм, а плотность вещества дисперсной фазы — 1,5∙10 3 кг/м 2 .
Удельная поверхность равна:
— для одномерной системы (частицы) согласно формуле (1.4)
— для двухмерной системы (цилиндра) в соответствии с формулой (1.7, а)
— для трехмерной системы (пленки) согласно формуле (1.7, б)
При данных условиях максимальная удельная поверхность характерна для трехмерных систем, а минимальная — для одномерных.
Г л а в а 2
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 882; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!