CC BY
16
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив. Серия В. Техника и технологии, естествен ии хуманитарни науки, том XVI., Съюз на учените сесия "Международна конференция на младите учени" 13-15 юни 2013. Scientific research of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVI, ISSN 1311-9192, Union of Scientists, International Conference of Young Scientists, 13 - 15 June 2013, Plovdiv.
БАРИЦЕНТРИЧЕН МЕТОД И УСТРОЙСТВО ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА СЕДИМЕНТАЦИЯТА В ТЕЧНИ ДИСПЕРСИИ
Кирил Коликов1, Ил. Милкова-Томова2, Радка Колева1, Димо Христозов2 1. Пловдивски университет „Паисий Хилендарски" 2. Университет по хранителни технологии
Barycentric method and device for determining the sedimentary stability of
liquid dispersions
Abstract
In this work we describe a barycentric (center-of-mass) method and a device for determination of the sedimentary stability of liquid dispersions. Based on this method the shift of the center of mass of studied liquid dispersion is measured, in the conditions of constant temperature and pressure, in a steady homogeneous gravitational or centrifugal field. The device is characterized by easy feasibility, price affordability, regardless of colour and requirements for optical translucence. Using obtained by us formula we calculate the sedimentary stability of liquid dispersions.
1. Въведение
Всяка течна дисперсия (ТД) - суспензия и/или емулсия, се състои от дисперсна фаза и дисперсна среда. Правата и обратната седиментация водят до разслояване на всяка първоначално хомогенизирана ТД. Това разслояване става за по-кратко време, когато ТД се постави в центрофугално поле, в което центрофугалното ускорение достига много по-
големи стойности от земното ускорение g = 9,8 m / s2. За ТД, които запазват по-дълго време своето хомогенизирано състояние при постоянна температура и външно налягане се казва, че имат по-голяма седиментационна стабилност S . От всички известни методи за оценка на седиментационната стабилност S на ТД най-достъпен и най-широко разпространен е визуалният метод.
Нека K e права осевосиметрична кювета - цилиндрична или призматична, изпълнена изцяло с хомогенизирана ТД, с ос на симетрия п. В случай, например на емулсия, експериментално наблюдаваното разслояване, има вида на Фиг. 1. Първоначално, в момента време t = 0, когато изследваната емулсия е още в хомогенизирано състояние,
нейният център на масите (ЦМ) е в точка C0 - геометричен център на празната кювета
K . След време t > 0 този център вече се премества, например в точката Ct, и визуално се
наблюдава разслояване (деемулсификация). С h0 е означена височината на неразрушена
емулсия, с hl - на изплавъка (масло), с h2 - на водния разтвор, с h3 - на седимента. Тогава,
общата височина на ТД е Н = к0 + к1 + к2 + к3.
Ако Ь е лицето на напречното сечение на правата кювета К , то обемите на четирите
слоя са, съответно, V¡ = Ьк1, / = 0,1,2,3 . Тогава обемните дялове на всеки от тези четири слоя в К, спрямо обема V = ЬН на цялата ТД в К, можем да изразим, съответно, с
= к, ; = 0,1,2,3. ЬН Н
к
В случая, безразмерните величини — са четири числени характеристики, които изразяват степента на разслояване на емулсията в условията на земно гравитационно поле или в центрофугално поле. Очевидно, от две емулсии, третирани за време t при еднакви условия - височина Н , температура, външно налягане и гравитация, по-стабилна е тази,
която има по-голяма стоиност на
ко Н
числова характеристика на неразрушената емулсия.
При сравнението се отчитат и другите безразмерни величини: —, / =1,2,3 [1].
Н
I
I
ол ми
тс;
I
1С
I
Я.1-И
I
I
~г
Л,
А.
л.
Фиг. 1. Вертикално осево сечение на разслоена емулсия в права (цилиндрична или
призматична) кювета К
Визуалният метод за оценка на седиментационната стабилност на ТД е лесно реализуем, но измерванията могат да се извършват при прозрачност на стените на кюветата, както и на изследваната ТД. Освен това този метод се прилага само, когато може да се наблюдава ясна разделна граница между отделните слоеве в ТД. Такава граница, обаче, не винаги се установява, което води до ниска точност на визуалния метод в различните му модификации.
От инструменталните методи за изследване на седиментационна стабилност на ТД най-широко приложение имат абсорбционните оптични методи [2], които се отличават с висока чувствителност и с големи възможности за автоматично регистриране. Но оптичните методи също изискват прозрачност на ТД. Затова често пъти се извършва разреждане на пробата за изследване - чрез увеличаване на относителния дял на дисперсната среда (най-често вода). Но това разреждане изменя свойствата на изследваната ТД! Ще добавим още, че оптичните методи имат висока цена на апаратурната екипировка.
При създадените от нас барицентричен (центромасов) метод и устройство, няма изисквания за прозрачност на кюветата и на изследваната ТД, не се пропуска лъчение с цел измерване, а създаденото устройство се характеризира с достъпност и простота.
1. Барицентричен метод за определяне на седиментационната стабилност
296
Основната величина, която се измерва по предложения от нас нов метод за определяне
на седиментационната стабилност на ТД, е преместването С0С, = х1 на ЦМ на изследваната
проба от ТД с течение на времето ,. Величината х1 се определя при постоянни условия:
температура, външно налягане, интензитет § на гравитационного поле или когато се
използва центрофугално поле с §1 > § .
При права и/или обратна седиментация преместването на ЦМ на ТД в пълната осевосиметрична кювета К става по нейната ос на симетрия п надолу - към дъното на К . Това беше установено от нас в [3]. Така, след определен интервал време , > 0 общият ЦМ
на пълната кювета К е в точка С1, която лежи на оста п, и има хоризонтално ниво винаги под точката С0 - в долната половина на К (Фиг. 1).
Преместването х, = С0С, на ЦМ на изследваната ТД в К характеризира седиментационното поведение на всички частици. Величината х1 е основният параметър, чрез който ще получим формулата за определяне на седиментационната стабилност , за дадено , > 0, спрямо началото , = 0, когато ТД в К е била в хомогенизирано състояние.
шг
Нека п =- е фазовата част на ТД, където шг е масата на дисперсната фаза, а ш
ш
е масата на изследваната ТД. Тогава, при един и същ вид ТД големината на х, зависи от
количеството фаза в ТД, като х1 нараства с увеличаване на фазовата част п . Следователно, средната скорост на преместване на ЦМ на ТД трябва да се изчислява за единица фазова част, т.е. да се определя от равенствата:
- V ш х,
(1) ' п ш/-'
По-малка V, означава по-слабо разслояване на ТД и в случай, например на емулсия, означава по-малко разрушаване (по-малка деемулсификация), или по-голяма стабилност на
тази емулсия. Следователно, седиментационната стабилност Б 1 е пропорционална на -1 и
V
може да се представи във вида:
1 шг , V = к — = к—^—,
(2) V ш х'
където к е коефициент на пропорционалност, който зависи от единиците на величините
в (2). Ако приемем к = 1, то в момента време , за седиментационната стабилност се получава формулата:
ш, ,
Б, =-.
(3) ш х>
В случая, когато не е известна масата ш, можем да ползваме формулата:
£——.
От (2) и (4) е ясно, че размерността на £ е [5 / т] (секунди разделени на метър).
Начинът за определяне преместването х1 = С0С на центъра на масите на изследвана ТД, която изпълва осевосиметрична кювета К , схематично е изобразен на Фиг. 2. В случая приемаме, че К е кювета с форма на прав кръгов цилиндър. В началния момент време t = 0 ТД с маса т, която изпълва кюветата, е в хомогенизирано състояние. Тогава нейният
ЦМ, както отбелязахме по-горе, съвпада с геометричния център С0 на кухината на К , която е окачена във външна точка Q от стената на К, точно над геометричния център
С0 на кюветата, в условията на гравитационно (земно) поле, като QA = QB. След това, за интервал време t > 0, изпълнената с ТД кювета се поставя изправена в хомогенно гравитационно поле (или се поставя в центрофугално поле), при постоянна температура и външно налягане. При настъпилото разслояване ЦМ на ТД, за това време t, се премества на
разстояние х1 = С0С1 - по осевата линия п на К (Фиг. 1). С цел измерване на х1, кюветата К се оставя да заеме свободно равновесно положение в пространството - наклонено
спрямо вертикалната ос ^ под ъгъл — + а, (Фиг. 2).
Фиг. 2. Осеви сечения на пълната цилиндрична кювета К ( с пунктир - К при t = 0)
Ако О, е общият ЦМ на кюветата К и на седиментиралата ТД след време t, то означаваме у, = 0,С0 и zt = OtС1. Тогава преместването xt = уг + zt. Кюветата К е с външен радиус г = QC0. Точката Q е избрана да е среда на външната образувателна АВ на цилиндричната кювета К , т.е. h = QA = QB . От правоъгълния триъгълник QC0Ot на
Фиг. 2 следва, че — = tgat, където аг е ъгълът между правата QC0 1п и правата QOt || § .
г
Този ъгъл практически се определя чрез завъртането на точката А до точката А1. Тогава в момента I съгласно Фиг. 2, имаме:
(5)
У, = г1:§а,.
Общата маса М на К с ТД в нея е М = тК + т , където тК е масата на празната
кювета K , ада - масата на ТД, която изпълва K . Общата сила тегло Mg се разлага на
сила тегло mKg, с рамо dj = y t cosa и сила тегло mg , с рамо d2 = z t cosa . Наклоненото равновесно състояние на окачената K е възможно при равенство на моментите на силите:
mKgy t cosa = mgzt cosa . Оттук:
mK y, = mz,,
(6)
където z t = xt - y t. Съгласно формули (5) и (6) е в сила равенството mKrtgat = да (xt - rtgat) . Следователно,
M
x, = — rtga,, (7) да
където M = даK + да е общата маса на пълната с ТД кювета K .
За преместването xt от формула (7) може да определим максималните абсолютна и относителна неточности [4, 5].
2. Барицентрично устройство за определяне на седиментационната стабилност
На Фиг. 3 е дадено обемно изображение на направеното от нас барицентрично (центромасово) устройство. Това устройство е с два основни елемента: вертикален екран E с вертикален стълб F, като E и F са на общ хоризонтален фундамент R . Означенията, свързани с цилиндричната кювета K са както на Фиг. 2.
В точка Q, която е среда на образувателната на цилиндричната кювета K е закрепена тънка метална ос I, перпендикулярна на тази образувателна. Чрез металната
ос I кюветата K се поставя на дъгови опори Y за измерване на дъгата AAt. И това се
прави след третиране на ТД в K , в условията на земна гравитация с интензитет g или на
центрофугално поле с интензитет gj > g .
Устройството на Фиг. 3 е по-нататъшно развитие на нашите идеи за използване на преместването на ЦМ за определяне на седиментационната стабилност и извършване на седиментационен анализ на суспензии [6, 7, 8]. Тези начални центромасови идеи са заложени в патентовани от нас центромасови устройства и метод [9, 10].
Фиг. 3. Обемно изображение на ъглов седиментометър
3. Експеримент
Приготвена беше емулсия от масло - олио, емулгатор - обезмаслено сухо мляко и вода. Маслената фазова част от тази емулсия беше 40 тегловни проценти (%). С тази емулсия
299
в хомогенизирано състояние напълнихме две еднакви цилиндрични епруветки К1 и К2,
които затворихме с подходящи тапи. Във всяка епруветка (с външен радиус г = 6,2 тт и
височина Н = 100 тт ) имаше 0,62 g емулгатор и вода.
В началното време , = 0, епруветка К1 поставихме на устройството, както е показано на Фиг. 3 и на милиметровата скала върху вертикалния екран Е отбелязахме мястото
на точка А . След това епруветката К1 оставихме да стои във вертикално положение за
време , = 120 5 и после отново я поставихме на устройството за намиране положението
на точка А1. Аналогично определихме мястото на точка А за епруветка К2, при , = 0.
След това епруветка К2 поставихме за същото време , = 120 5 в центрофуга за третиране с
центрофугално ускорение g1 = 64g като g = 9,8т/52 и окачихме повторно на устройството
за намиране на точка Аг върху скалата.
Получените от нас експериментални данни са поместени в Таблица 1.
Таблица 1. Експериментални резултати с епруветките К1 и К2
№ К g т g М g 5 г тт И тт АА, тт АА гad М х1 =— Мт т, , т х, 5 Д5, %%
1 2,60 23,34 60,48 120 6,2 52 4,0 0,077 1,24 10,6 26,16
2 2,58 23,15 60,29 120 6,2 51 10,0 0,196 3,16 4,2 3,37
4. Заключение
Седиментационната стабилност на ТД - продукта на хранителната, млекопреработвателната, фармацевтичната, козметичната, химическата и други промишлености, е свързана с качеството и пазарния вид на тези продукта. При широко използваните методи - визуални и оптични, седиментационната стабилност се определя при условие кюветите и ТД да са прозрачни. Това определя ограниченото им приложение.
Описаните от нас барицентричен (центромасов) метод и устройство са с висока степен на неинвазивност - не се вкарват измерителни елементи в ТД - пипети, чашки, електроди и др. Освен това няма изискване за прозрачност на изследваните ТД, не се извършва разреждане на ТД, не се пропуска лъчение през ТД. Определянето преместването
х1 на ЦМ на ТД в К и окачването на К с цел измерване на х1 се реализират достъпно и евтино - чрез специално създадено просто центромасово устройство. Получената от
нас формула за определяне на седиментационната стабилност се осъществява с лесни
математични операции за получаване на числената стойност на .
Благодарности
Резултатите от настоящите изследвания се публикуват с финансовата подкрепа на Фонд „Научни изследвания" към МОМН по договор № ТО 1/2.
Литература
1. Козин 1966: Козин, Н. И. Применение эмульсий в пищевой промышленности / Н.И. Козин [и др.]; Под ред. д-ра. техн. наук, проф. Н. И. Козина. - М.: Пищевая промышленность (1966): 249.
2. Кинтана 2002: Quintana, M., Califano, A., Zaritzky, N. Microstructure and stability of NonProtein Stabilized Oil-in-Water Food Emulsions Measured by Optical Methods. J. Food Sci., 67, 3, (2002): 1130-1135.
3. Коликов 2011: Kolikov, K., Hristozov, D., Krystev, G.t, Koleva, R. Unidirectional displacement of center of masses at sedimentation in dispersions and application of this effect. Scientific Researches of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv, Series B, Natural Sciences and the Humanities, vol. XIII, (2011): 246-255.
4. Коликов 2010: Kolikov, K., Krastevt, G., Epitropov, Y., Hristozov D. Analytically determining of the absolute inaccuracy (error) of indirectly measurable variable and dimensionless scale characterising the quality of the experiment. Chemometr Intell Lab, 102, (2010): 15-19.
5. Коликов 2012: Kolikov, K., Krastev, G., Epitropov, Y., Corlat, A. Analytically determining of the relative inaccuracy (error) of indirectly measurable variable and dimensionless scale characterising the quality of the experiment, CSJM, vol. 20, no. 1 (2012): 314-331.
6. Христозов 1998: Christozov, D. Evaluation of the Effect of Centrifugation using a barycentric method. Z. Lebensm Unters Forsch A 206, (1998): 303-304.
7. Кръстев 1994: Krystev, G.1, Khristozov, D. Method and apparatus for Determination of Sedimentation Stability and Sedimentation Anisotropy Angle. Kolloidnyi Zhurnal, 56, 5, (1994): 661-667.
8. Дакова 2002: Dakova, D., Christozov, D., Beleva, M. Barycentric method of determing the Physical parameters of a single-phase particle in liquid disperse systems. Journale of Colloid and Interface Science 256, (2002):447-479.
9. Христозов 1998: Hristozov D. D., Krustev G. A. and others. Patent № 26040, Bulgaria, Device for sedimentary analysis of liquid disperse systems, 1979.
10. Коликов 2012: Метод за определяне на седиментационна стабилност и извършване на седиментационен анализ на течни дисперсни системи: Заявка за патент № 111207, Заявен 18.05.2012 / Коликов К. X.
