Разбавленных суспензий. Задача разрушения суспензий является весьма насущ­ной, так как сточные воды промышленных и сельскохо­зяйственных предприятий

Задача разрушения суспензий является весьма насущ­ной, так как сточные воды промышленных и сельскохо­зяйственных предприятий, а также бытовые стоки – это,

в той или иной степени, разбавленные суспензии. Сле­довательно, очистка сточных вод от твердых частиц – это разрушение суспензий. Существует множество мето­дов разрушения суспензий.

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Они основаны на отделении вещества дисперсной фазы от дисперсионной среды, возможном благодаря седиментационной неустойчивости суспензии. Для этого используют различные устройства: отстойники, фильтры, центрифуги. Механические методы разрушения используются, как пра­вило, на завершающем этапе, когда агрегативная устойчи­вость суспензий уже отсутствует или значительно снижена.

ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Они основаны на изменении температуры суспензии. Их можно свести к двум типам:

1) замораживание суспензий с последующим их оттаи­ванием;

2) высушивание суспензий (по сути, их концентрирова­ние).

Эти методы требуют больших энергетических затрат и, как правило, не используются в промышленных масшта­бах, когда требуется разрушить большие объемы суспензий.

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Эти методы основаны на использовании химических реагентов, поэтому их часто называют реагентными ме­тодами разрушения суспензий. Химическое действие ре­агентов может быть различным, но цель добавления хи­мических реагентов одна – понизить агрегативную ус­тойчивость суспензии, т. е. уничтожить потенциальный барьер коагуляции, Е зависимости от факторов устойчи­вости, которые реализовывались в данной суспензии, и стабилизаторов, которые в ней присутствовали, подбира­ют необходимые химические реагенты.

Для эффективного разрушения суспензии надо пред­варительно выяснить ее фактор устойчивости.

Если главный фактор устойчивости суспензии – элек­тростатический, т. е. обусловлен наличием на поверхнос­ти твердой частицы ДЭС и дзета – потенциала (суспензия стабилизирована низкомолекулярным неорганическим электролитом), то необходимо использовать химические реагенты, уменьшающие абсолютное значение дзета – потенциала частицы вплоть до нуля. В качестве таких химических реагентов используются индифферентные электролиты. Кстати сказать, плодородные дельты боль­ших рек – Тигра, Евфрата, Нила, Волги и т. д. – воз – никли в результате того, что частички плодородных почв и ила, присутствовавшие в речной воде в виде суспензии, при встрече с соленой водой морей и океанов (содержав­шей ионы Na⁺, Сl, К⁺ и т. д.) коагулировали и выпали в осадок, образовав дельты рек.

Если в суспензии в качестве стабилизатора использовалось коллоидное ПАВ, т. е. реализовывался адсорбционно – сольватный фактор устойчивости, то химический реагент должен его снизить. Действовать можно в двух направлениях:

1) изменить химическую природу стабилизатора; на­пример, из растворимого в воде олеата натрия получить нерастворимый олеат кальция:

2C₁₇H₃₃COONa + СаС1₂ = (С₁₇Н₃₃СОО)₂Са + 2NaCl;

2) не изменяя химической природы стабилизатора, изменить строение адсорбционного слоя. Например, умень­шить смачиваемость частицы дисперсионной средой, об­разуя на ней второй слой молекул ПАВ, противоположно ориентированных.

Если суспензия стабилизирована амфолитным поли­электролитом, то эффективным является приближение рН – среды к его изоэлектрической точке.

Для разрушения суспензий, частицы которых имеют заряд, широко используется гетерокоагуляция – слипа­ние разнородных частиц. Если в исходной суспензии час­тицы были положительно заряжены, то в нее полезно добавить многозарядные анионы (в виде хорошо раство­римых солей).

В том случае, когда в исходной суспензии присутству­ют только отрицательно заряженные частицы дисперс­ной фазы, эффективным является добавление солей алю­миния или железа, например, сульфата алюминия или хлорида железа. В результате гидролиза этих солей обра­зуются положительно заряженные золи гидроксидов алю­миния или железа, которые вызывают взаимную коагу­ляцию взвешенных отрицательных частиц суспензии.

Весьма эффективно применение коагулянтов с повы­шенной основностью, например, гидроксосульфатов и гидроксохлоридов железа и алюминия. Они проявляют себя в виде полимерных гидроксокомплексов, которые дают прочные крупные хлопья. Наиболее оптимальными являются смеси этих солей.

В процессе гидролиза коагулянта образуются положи­тельно заряженные полиядерные акзагидроксокомплексы металла, которые слипаются с отрицательно заряжен­ными частицами суспензии.

Из хлорсодержащих соединений алюминия наиболь­шее распространение получили хлорид алюминия и гидроксохлориды алюминия. Гидроксохлориды алюминия – это соединения переменного состава, которые выражаются об­щей формулой [А1(ОН) _{3 - x} Cl _x] _n, где х меняется от 0 до 3.

В настоящее время преимущественно используется пентагидроксохлорид алюминия А1₂(ОН)₅С1, так как он имеет меньшую кислотность, интенсифицирует хлопьеобразование, дает малое остаточное содержание алюми­ния, его растворы не требуют использования нержавею­щих сталей и противокоррозийной защиты аппаратов и оборудования.

Эффективным методом понижения агрегативной ус­тойчивости суспензий является сенсибилизация. Для это­го обычно используются флокулянты – линейные по­лимеры с длиной цепочки до 1 мк, несущие полярные группы на обоих концах цепи. Длинная молекула поли­мера присоединяется двумя концами к двум разным ча­стицам дисперсной фазы, скрепляя их углеводородным мостиком. Образуются флокулы – рыхлый хлопьевид­ный осадок.

Частицы различного происхождения имеют различное распределение зарядов, гидрофильных и гидрофобных обла­стей на поверхности. Вследствие этого не представляется возможным применение некоего универсального полимер­ного флокулянта, необходим набор флокулянтов.

Полиакриламид, ПВС, ПДМДА являются наиболее ши­роко применяемыми флокулянтами, выпускаемыми оте­чественной промышленностью. Из зарубежных флокулян­тов, имеющих доступ на российский рынок, высокими фло – кулирующими свойствами обладают японские санфлоки:

N – 520p, АН – 70р, AS – З0р, А1 – 310р, А1 – 110р, СН – 799.

Необходимая концентрация флокулянта в суспензии зависит от концентрации в ней взвешенных частиц. Ко­личество флокулянта должно составлять 0, 01 – 2% от мас­сы твердой фазы. В противном случае может быть достиг­нут обратный эффект – произойдет коллоидная защита взвешенных частиц.

Способ внесения полимера существенно сказывается на результатах коагуляции суспензии. Установлено, что лучше всего флокулянт добавлять дробно в виде двой­ной добавки, т. е. вся доза флокулянта первоначально добавляется к половине объема суспензии, а через неко­торое время этот раствор сливается со второй половиной исходной суспензии.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

РАЗРУШЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Эти методы используются в тех случаях, когда частицы в суспензиях имеют заряд, т. е. стабилизированы ионогенными веществами. В разрушаемой суспензии создается раз­ность потенциалов, приводящая к направленному движе­нию заряженных частиц и осаждению их на соответствую­щем электроде. Эти методы требуют больших энергетических затрат и специального оборудования и обычно не использу­ются для разрушения больших объемов суспензий.

ПАСТЫ

Пасты – это высококонцентрированные суспензии, обладающие структурой. Структура – это простран­ственная сетка, образованная частицами дисперсной фазы, в петлях которой находится дисперсионная среда.

Можно сказать, что пасты занимают промежуточное положение между порошками и разбавленными суспен­зиями. Их и получают, соответственно:

• растирая порошок в жидкости, обладающей достаточ­но большой

вязкостью; например, некоторые сорта зубной пасты готовят путем

смешивания мела с вяз­кой жидкостью, полученной путем варки крахмала

в глицериновом водном растворе с добавлением неболь­шого количества

ПАВ;

• в результате седиментации разбавленной суспензии.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

В ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СУСПЕНЗИЯХ

Определяющей характеристикой пасты, независимо от метода получения, является наличие в ней структурно – пространственного каркаса, образованного сцеплением между собой частиц дисперсной фазы. Минимальную кон­центрацию, при которой возникает такая структура, называют критической концентрацией структурообразования.

Возможность образования структуры определяется соотношением между относительной силой тяжести час­тицы (V •(р – р ) • g) и силой сцепления ее с соседними частицами ( Р_к).Чем больше преобладают силы сцепления между соседними частицами над силой тяжести, тем более прочная образуется структура.

На структурообразование влияют следующие основ­ные факторы:

• агрегативная устойчивость разбавленной суспензии, из которой получают

пасту (величина Р_к);

• концентрация частиц дисперсной фазы;

• размеры частиц дисперсной фазы (ее дисперсность);

• форма частиц дисперсной фазы.

РОЛЬ АГРЕГАТИВНОЙ

УСТОЙЧИВОСТИ СУСПЕНЗИИ

В ОБРАЗОВАНИИ СТРУКТУРЫ

Как было установлено выше, разбавленные суспензии являются седиментационно неустойчивыми системами, в них самопроизвольно образуется осадок, объем которого определяется не только количеством частиц, но и тем, в какой суспензии происходит седиментация – в агрегативно устойчивой или агрегативно неустойчивой. В агрегативно устойчивых суспензиях в результате седимента­ции образуется компактный осадок с упаковкой частиц дисперсной фазы, близкой к плотнейшей. Структура в таких осадках или не образуется вовсе или очень непроч­ная, так как Р_к (сила сцепления в контакте частиц) близ­ка к нулю, поскольку межчастичные связи в агрегативно устойчивых суспензиях практически отсутствуют.

По мере снижения агрегативной устойчивости меж­частичные взаимодействия нарастают, Р_к увеличивает­ся, что способствует возникновению и упрочнению струк­туры.

Обычно структуру в системе количественно оценива­ют с помощью реологических кривых – зависимости ско­рости деформации () от напряжения сдвига (Р). Подроб­нее см. раздел 11.3.

РОЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ

ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ СУСПЕНЗИИ

В ОБРАЗОВАНИИ СТРУКТУРЫ

Зависимость структуре образования от концентрации суспензии имеет сложный характер. Весь концентраци­онный интервал делится на три части, разграничиваю­щие качественно различные состояния системы. В облас­ти малых концентраций (1-я часть) суспензия является бесструктурной. В области средних концентраций, но мень­ших, чем критическая концентрация структурообразования (2-я часть), появляются отдельные структурные эле­менты (агрегаты), не связанные между собой. Такую сис­тему можно назвать структурированной жидкообразной системой (Р_т = 0). В области концентраций больших или равных критической концентрации структурообразования (3-я часть) суспензии имеют предел текучести, т. е. в них возникает и развивается структура. Такую систему молено назвать структурированной твердообразной системой (Р_т > О).

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

(СТЕПЕНИ ДИСПЕРСНОСТИ)

НА СТРУКТУРООБРА30ВАНИЕ В СУСПЕНЗИЯХ

Увеличение дисперсности суспензии способствует структурообразованию. Этот процесс резко интенсифи­цируется с уменьшением размера частиц. И лишь при переходе в область размеров частиц коллоидной дисперс­ности по мере возрастания степени их участия в броунов­ском движении процессу структурирования начинает со­путствовать альтернативный — самопроизвольное дис­пергирование (дезагрегирование). Наибольший размер частиц, при котором возможно образование структуры, называется критическим (d_Kp). Его можно определить из условия соизмеримости сил сцепления между частицами в структурной сетке и их весом. Хотя в каждом конкрет­ном случае прочность элементарных контактов между ча­стицами и соответственно прочность возникающих в них структур зависят от физических свойств и химической природы поверхности твердой фазы, состава и свойств дисперсионной среды, наибольший размер частиц, при котором начинает проявляться агрегирование и образова­ние пространственной структуры, составляет 10 ⁶ – 10 ⁴ м.

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ЧАСТИЦ

НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

В СУСПЕНЗИЯХ

Если частицы анизометричны и имеют форму нитей (палочек), пластинок или цепочек, длина которых суще­ственно превышает ширину и толщину, но абсолютное значение длины частиц весьма мало, сцепление частиц будет происходить по углам, ребрам и другим неровнос­тям, на участках наибольшей концентрации свободных молекулярных сил, где происходит разрыв адсорбционно – сольватных оболочек дисперсионной среды, необходимый для возникновения межчастичных связей.

В основе образования этих структур лежит обычный коагуляционный механизм, но только места сосредоточе­ния молекулярных сил должны быть распределены пре­имущественно по углам и ребрам частиц твердой фазы.

Чем сильнее анизометрия частиц и агрегатов, тем при меньшей концентрации частиц появляется предел текуче­сти (т. е. возникает структура), например, у суспензии кизельгура (мягкая пористая горная порода), частицы которого имеют вид пленкоподобных неправильных пласти­нок, предел текучести наблюдается уже при концентра­ции около 3, 0% (об). Нитевидные молекулы органических полимеров, особенно с полярными группами, придающи­ми жесткость макромолекулам, образуют твердообразные структуры в водной среде при очень малых концентраци­ях полимера (агар 0, 1%, желатин 0, 5%). Придание же частицам формы, близкой к сферической, способствует достижению высоких значений концентраций при сохра­нении текучести суспензии (т. е. противодействует структурообразованию).

Таким образом, мы рассмотрели влияние на структурообразование каждого из четырех факторов по отдель­ности. Совместное их действие можно оценить по величи­не предельного напряжения сдвига (Р _т ), рассчитанного по следующей приближенной зависимости:

Р _т = . (15.1)

где а – коэффициент, учитывающий геометрию упаков­ки частиц, а 1; _CB – среднее значение силы сцепления в контакте; – функция концентрации; ₀ – средний характерный размер частиц.

Из уравнения видно, что предельное напряжение сдви­га (Р _т), также как и вязкость системы, резко возрастает с уменьшением среднего характерного размера. Величина =n характеризует число контактов между частицами в единице объема; это число обратно пропорцио­нально квадрату радиуса частиц. Сила же сцепления между частицами _CB растет пропорционально радиусу частиц. Поэтому в целом Р _т растет обратно пропорционально радиусу частиц .

СВОЙСТВА ПАСТ

Так как пасты – структурированные системы, опре­деляющими являются их структурно-механические свой­ства, которые характеризуются такими параметрами, как вязкость, упругость, пластичность. Пасты обладают упруго – вязко – пластическими свойствами.

Пасты имеют коагуляционную структуру, поэтому их механические свойства определяются, главным образом, механическими свойствами межчастичных жидких про­слоек. Через эти прослойки действуют силы притяжения между частицами, зависящие от расстояния между ними (толщины прослоек) и обусловленные ван – дер – ваальсовыми и водородными связями. Прочность коагуляционного контакта составляет величину порядка 10 ¹⁰ Н и ниже. Причем, прочность контакта могут уменьшать силы от­талкивания между частицами, обеспечивающими агрегативную устойчивость суспензии, именно поэтому струк­туры в агрегативно устойчивых суспензиях не образуют­ся или, если и образуются, то очень непрочные.

Таким образом, механические свойства паст обусловли­ваются совокупностью двух различных основных причин:

1) молекулярным сцеплением частиц дисперсной фазы друг с другом в

местах контакта, там, где толщина прослоек дисперсионной среды между

ними минимальна. В предель­ном случае возможен полный фазовый

контакт. Коагуляционное взаимодействие частиц вызывает образование

струк­тур с выраженными обратимыми упругими свойствами;

2) наличием тончайшей пленки в местах контакта между частицами.

Коагуляционные структуры отличаются резко выражен­ной зависимостью структурно – механических свойств от ин­тенсивности механических воздействий. Примером исклю­чительной чувствительности структурно – механических свойств коагуляционных структур к механическим воздей­ствиям является зависимость равновесной эффективной вязкости (р) от скорости деформации или напряжения сдвига Р. Уровень (р) отвечает вполне определенной степе­ни разрушения трехмерного структурного каркаса в усло­виях деформации системы. Диапазон изменений (р) = f(P) может достигать 9 – 11 десятичных порядков.

Для паст, так же как и для любой коагуляционной структуры, характерны следующие свойства: невысокая механическая прочность (обусловлена малой прочностью коагуляционного контакта – порядка 10 ¹⁰ Н и ниже), тиксотропия, синерезис, ползучесть, пластичность, набу­хание (см. раздел 11.1).

Рассмотрим наиболее типичные из этих свойств при­менительно к пастам.

ТИКСОТРОПИЯ

Восстановление структуры обычно контролируется по увеличению вязкости системы, поэтому явление тиксотропии молено определить как уменьшение вязкости сис­темы во времени при наложении нагрузки и постепенный рост вязкости после снятия нагрузки. Чем медленнее вос­станавливается структура (вязкость) после снятия нагруз­ки или чем медленнее она разрушается (уменьшается вяз­кость) при данном напряжении сдвига, тем сильнее выра­жено явление тиксотропии.

Тиксотропия пасты имеет большое практическое зна­чение. В подтверждение этого рассмотрим некоторые при­меры. Тиксотропные свойства бентонитовых глин обуслов­ливают применение глинистых суспензий как основного компонента буровых промывочных растворов в нефтедо­бывающей промышленности. При работе бура такие ра­створы ведут себя как типичные жидкости; поток бурово­го раствора, нагнетаемого в скважину, выносит на поверхность грубодисперсные частицы выбуренной породы. Приостановке бура (например, в случае необходимости удале­ния труб) возникает опасность быстрого оседания – седи­ментации выбуренной породы и в результате – заклини­вания бура, т. е. серьезной аварии. Тиксотропные свой­ства высокодисперсной глинистой суспензии обеспечивают возникновение коагуляционной структуры, удерживающей в своей сетке частицы породы и тем самым препятствую­щей их оседанию. При возобновлении работы бура коагуляционная структура глинистых частиц легко разрушает­ся, и система вновь приобретает жидкообразные свойства.

Вместе с тем учет тиксотропных свойств грунтов, осо­бенно оводненных глинистых, чрезвычайно важен при раз­работке технических условий и осуществлении строитель­ства зданий, мостов, при прокладке дорог. Катастрофичес­кие провалы на некоторых песчаных грунтах, пропитанных подпочвенной водой (зыбучие пески), также объясняются тиксотропией суспензий: они остаются неподвижными до нарушения их покоя и приобретают текучесть при меха­ническом воздействии на них. По этой же причине строи – тельные растворы доставляют на стройку в специальных машинах, снабженных перемешивающим устройством, предупреждающим преждевременное схватывание раство­ра, при перевозках на необорудованных машинах необхо­димо создавать условия постоянного движения в системе.

Тиксотропные свойства структуры пигментов в мас­ляных красках обусловливают технические свойства это­го широко используемого материала: перемешивание обес­печивает разрушение коагуляционной структуры пигмен­та, легкоподвижность материала и тем самым возможность нанесения его требуемым тонким слоем, тогда как быст­рое восстановление структуры препятствует отеканию краски с вертикальной поверхности.

Тиксотропия способствует эффективному проведению ряда технологических операций. Например, тиксотропия позволяет проводить вибрационную обработку материалов_, при которой происходит разрушение структуры, что облегчает процессы перемешивания, обеспечивает плот­ную упаковку, снятие внутренних напряжений и т. д.

Несмотря на огромное практическое значение, стро­гой количественной теории тиксотропии до настоящего времени не существует.

СИНЕРЕЗИС

Синерезис обусловлен нарастанием числа и прочности контактов между частицами во времени, а в некоторых случаях – появлением кристаллизационных мостиков, соединяющих частицы. Такой процесс срастания частиц может, в предельных случаях, привести к образованию монолитных сплошных тел. Другими словами, в резуль­тате синерезиса коагуляционная структура пасты может самопроизвольно перейти в конденсационно – кристалли – зационную с «выжиманием» жидкости. Синерезису бла­гоприятствуют все факторы, способствующие коагуляции, а именно: увеличение концентрации индифферентного электролита, повышение температуры, введение в систе­му десольватирующих агентов и т. д.

На практике превращение пасты (коагуляционная структура) в монолитное твердое тело (конденсационно – кристаллизационная структура) провоцируется и уско­ряется путем высушивания, прессовки и спекания пас­ты. Например, обжиг гончарных изделий.

Но синерезис играет и отрицательную роль, когда при хранении уплотняется структура, что приводит к ухуд­шению качества продукта или даже к его полной непри­годности. Так, при длительном хранении зубной пасты в результате синерезиса образуются комки с выделением жидкости, что делает зубную пасту непригодной к упот­реблению. Аналогичный процесс происходит при хране­нии крем – пудры. Каждый из нас мог бы привести еще множество примеров отрицательной роли синерезиса, но важно сделать вывод, что замедляют его все те факторы, которые замедляют коагуляцию.

НАБУХАНИЕ

Если в пастах частицы связаны довольно прочно, то пасты набухают сравнительно незначительно. Если связи слабые, то в такой пасте структура разрушается и система переходит в разбавленную суспензию (уже бесструктур – ную систему). Если паста имеет очень прочную структуру (т. е связи между частицами очень прочные), то поглоще­ние дисперсионной среды приводит к пластификации, т. е. к резкому понижению прочности, сопровождающемуся, однако, возрастанием пластических свойств пасты.

СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАСТ

Пасты, в отличие от разбавленных суспензий, явля­ются седиментационно устойчивыми системами, т. е. они сохраняют неизменным во времени распределение частиц по объему системы, способны противостоять силе тяжес­ти. Главным фактором, ее обеспечивающим, является фиксация положения частиц дисперсной фазы в сплош­ной пространственной структурной сетке в результате возникновения коагуляционных или атомных контактов между частицами.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАСТ

Понятие «агрегативная устойчивость» применитель­но к пастам существенно отличается от этого понятия применительно к разбавленным суспензиям.

Во – первых, для разбавленных суспензий (бесструктур­ные системы) существует только два четко выраженных состояния (без каких – либо промежуточных): агрегативной устойчивости и агрегативной неустойчивости, а в па­стах возможно множество промежуточных состояний, связанных с ослаблением или усилением связей в струк­турной сетке. Крайними будут, с одной стороны, состоя­ние, соответствующее образованию и максимальному уп­рочнению пространственной структурной сетки (уровень вязкости практически неразрушенной структуры ₀ и ее прочности Р _т = Р ), с другой стороны – состояние пре­дельного разрушения структуры (уровень вязкости соот­ветствует наименьшему значению вязкости предельно разрушенной структуры _min и прочность Р _т = 0).

Во – вторых, ласты зачастую получают концентрирова­нием разбавленных суспензий, потерявших свою агрегативную устойчивость, т. е. образование и упрочнение структуры паст – это результат отсутствия агрегативной устойчивости в разбавленных суспензиях.

Таким образом, в пастах, в классическом смысле сло­ва, агрегативная устойчивость изначально отсутствует. Однако этот термин для паст используют, чтобы оценить способность последних сохранять неизменной во времени свою пространственную структуру (в первую очередь – толщину прослоек жидкости и прочность контакта в струк­турной сетке).

В коагуляционных структурах оболочки жидкой дис­персионной среды при сближении частиц полностью не вытесняются, а принимают минимальную толщину, близ­кую к бимолекулярному слою. Структурирование в са­мих пленках дисперсионной среды препятствует даль­нейшему уменьшению толщины прослоек. Оно усилива­ется при использовании стабилизаторов.

В качестве стабилизаторов паст применяют:

1) анион­ные коллоидные ПАВ;

2) неионогенные коллоидные ПАВ;

3) поверхностно – активные полимеры.

При использовании таких стабилизаторов реализуют­ся, в первую очередь, адсорбционно – сольватный и струк­турно – механический факторы устойчивости. Являясь ПАВ, они адсорбируются на поверхности твердой части­цы и снижают свободную поверхностную энергию, тем самым, делая систему более устойчивой. Но с другой сто­роны, обладая длинноцепочечным углеводородным ради­калом, эти вещества способны образовывать определен­ную структуру в адсорбционном слое, придающую меха­ническую прочность и упругость защитной оболочке.

Смесь анионоактивного и неионогенного ПАВоблада­ет синергетическим эффектом стабилизирующего дей­ствия. Механизм этого эффекта обусловлен образованием смешанного адсорбционного слоя, в результате чего уве­личивается вклад адсорбционной и структурной состав­ляющих факторов устойчивости структурно – механичес­кого барьера.

Если стабилизатор является ионогенным веществом, то в дополнение к выше отмеченным реализуется элект­ростатический фактор устойчивости, связанный с образо­ванием ДЭС на поверхности частицы и возникновением электростатических сил отталкивания.

РАЗРУШЕНИЕ ПАСТ

Никакие массообменные процессы в структурирован­ных системах нельзя успешно осуществить, не разрушив предварительно в них структуру.

Разрушение пространственных структур в пастах – достаточно сложный процесс, характеризуемый тем, что по мере увеличения степени разрушения существенно изменяется и сам механизм распада структуры.

Можно выделить три основных этапа разрушения структуры:

1) разрушение сплошной структурной сетки, сопро­вождающееся распадом структуры на отдельные, доста­точно крупные агрегаты;

2) разрушение агрегатов, сопровождающееся умень­шением их размера и увеличением их числа, высвобож­дением из агрегатов и увеличением числа отдельных час­тиц, образованием новых агрегатов;

3) предельное разрушение структуры при полном от­сутствии агрегатов из частиц.

Четкая граница между этими этапами размыта, т. е. переход из одного состояния структуры в другое по мере постепенного увеличения интенсивности внешних воздей­ствий, разрушающих структуру, происходит постепенно.

Однако каждый из этих этапов специфичен. Условия разрушения сплошной структурной сетки кардинальным образом отличаются от условий разрушения агрегатов, «плавающих» в дисперсионной среде, а значит, и пара­метры внешних воздействий, необходимых для разруше­ния сплошной структурной сетки и отдельных агрегатов их частиц, не могут не быть существенно различными.

Количественно изменение состояния структуры пас­ты оценивается совокупностью реологических характе­ристик, прежде всего вязкостью , напряжением сдвига Р, упругостью Е и периодом релаксации . Наиболее резкоe, на много десятичных порядков, изменение с разру­шением структуры претерпевают вязкость и период ре­лаксации.

Для разрушения структуры используются следующие воздействия:

• механическое помешивание;

• вибрация, более эффективной является поличастот­ная вибрация с

частотой от 10 Гц до 10 кГц;

• ультразвук;

• нагревание;

• электрические и магнитные поля;

• изменение природы поверхности твердых частиц (глав­ным образом, путем добавления коллоидных ПАВ). Часто сочетают механические вибрационные воздей­ствия с ультразвуковыми, тепловыми воздействиями.

Такое сочетание не только существенно изменяет энер­гию активации процесса разрушения структуры, но в значительной степени сказывается на свойствах конеч­ного продукта.

Совместное действие на пасту вибрации и, например, ультразвука приводит к гораздо большему разрушению структуры и вместе с тем к достижению существенно более высокой ее однородности, чем под влиянием каж­дого из этих видов воздействий с той же интенсивностью в отдельности.

Важным является сочетание механических воздей­ствий с физико – химическим управлением прочностью сцепления в контактах между частицами путем измене­ния природы поверхности частиц.

Модифицирование твердых фаз добавками ПАВраз­личного строения является универсальным методом ре­гулирования силы и энергии взаимодействия в контак­тах между частицами. Этот эффект – следствие сочета­ния двух факторов:

• раздвижения частиц на двойную толщину адсорбци­онного слоя;

• снижения поверхностного натяжения на поверхности частиц.

В последние годы все шире стали применяться мето­ды модифицирования поверхности частиц не индивиду­альными ПАВ, а смесями ПАВ различных видов, напри­мер, ионогенных и неионогенных.

При правильном подборе нескольких видов ПАВобна­руживается синергизм, т. е. взаимное усиление их действия.

Исключительная эффективность совместного действия вибрации и ПАВ объясняется характером разрушения струк­туры при вибрации и особенностями действия ПАВ. ПАВ, адсорбируясь в первую очередь на наиболее энергетически активных участках микромозаичной поверхности частиц, ослабляют преимущественно наиболее прочные коагуляционные контакты. Введение в систему ПАВ из расчета обра­зования монослоя на поверхности частиц позволяет почти в 500 раз понизить интенсивность вибрации, необходимую для достижения предельного разрушения структуры.

Не менее эффективно для ряда систем сочетание вибра­ции, добавок ПАВ и температурных воздействий. В тех случаях, когда вязкость структурированных систем весьма чувствительна к изменению температуры, такое комплекс­ное воздействие наиболее целесообразно. Многие пищевые, в особенности кондитерские массы (шоколадные, пралиновые и т. п.), относятся именно к такого рода системам.