CC BY
26Тарасова Г.И., д-р техн. наук, проф., Шевага О.Н., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБРАТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И МЕХАНИЗМ ИХ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕРМОЛИЗНЫМ ДЕФЕКАТОМ ТД600*
taga307@yandex.ru
Вопросы получения, стабилизации и регулирования физико-химических свойств дисперсных систем, в частности обратных (гидрофобных) эмульсий, относятся к числу наиболее актуальных проблем. Статья посвящена изучению взаимосвязи изменения дзета-потенциала обратных эмульсий и механизма их стабилизации термолизным дефекатом ТДбоо. Исследованы электрокинетические характеристики модельных эмульсий вода - соляровое масло от рН, агрегативной устойчивости и времени хранения. В качестве эмульгатора-стабилизатора обратных эмульсий предложен термо-лизный дефекат ТДбоо. Он представляет собой тонкодисперсный порошок черного цвета, основа СаСОз с поверхностным слоем углерода - сажи. Структура, строение и физико-химические свойства термолизного дефеката представлены в ранее опубликованных работах.
Ключевые слова: обратные эмульсии, механизм стабилизации, твердый эмульгатор-стабилизатор ТДбоо, двойной электрический слой (ДЭС), дзета-потенциал (£).
Введение. Стабилизация эмульсий возможна с помощью высокодисперсных порошков. Порошки с достаточно гидрофильной поверхностью (глина, кремнезем и др.) стабилизируют прямые эмульсии. Гидрофобные порошки (сажа, гидрофобизированный аэросил и др.) способны к стабилизации обратных эмульсий. Частицы порошка на поверхности капель эмульсий располагаются так, что большая часть их поверхности находится в дисперсионной среде. Для обеспечения устойчивости эмульсий необходимо плотное покрытие порошком поверхности капли. Если степень смачивания частиц порошка-стабилизатора средой и дисперсной фазой сильно различается, то весь порошок будет находиться в объеме фазы, которая его хорошо смачивает, и стабилизирующего действия он оказывать не будет [1].
С точки зрения коллоидной химии важнейшей электрокинетической характеристикой эмульсионных систем является величина дзета -потенциала (0 [2], которая характеризует агре-гативную устойчивость системы в целом, и косвенно может служить характеристикой механизма процесса стабилизации эмульсий. Причина, по которой ^ - потенциал является важным параметром при коагуляции, заключается в том, что он дает представление о величинах электростатических сил отталкивания, а, следовательно, и об устойчивости коллоидных систем, в частности, эмульсий [3].
Обратные эмульсии обладают электрокинетическим зарядом, большой удельной поверхностью дисперсной фазы и твердого эмульгатора -стабилизатора, следовательно, в характеристике всей системы велика роль именно поверхностных явлений. Влияние этих явлений возрастает с
разбавлением модельных эмульсий, изменением рН среды и времени их хранения [4].
В практике получения и стабилизации обратных эмульсий электрокинетические явления пока не нашли широкого распространения, однако измерение этих величин позволит внести существенный вклад в развитие теории стабилизации коллоидных систем.
Теоретическая часть. Дзета - потенциал является мерой электростатического взаимодействия (отталкивания или притяжения) между частицами, а также одним из основных параметров, влияющих на стабильность дисперсных систем. Измерение ^ - потенциала позволяет глубже понять и лучше контролировать механизмы диспергирования, агрегации или флоку-ляции, и может применяться для улучшения свойств дисперсий, коллоидных растворов, эмульсий и суспензий на этапах разработки и производства.
На величину электрокинетического потенциала по современным представлениям оказывают влияние многие свойства коллоидных систем: 1) концентрация ионов в растворе: чем больше концентрация ионов, тем большее количество противоионов накапливается в твердом слое и тем меньше их будет в диффузной области; 2) заряд противоионов: чем больше заряд противоионов, тем сильнее они притягиваются к заряженной поверхности твердого тела, тем тоньше диффузный слой и соответственно меньше величина ^ - потенциала; 3) полярности противоионов: чем больше поляризуемость про-тивоионов, тем больше дополнительные силы притяжения и тем тоньше становится слой Гельмгольца; 4) лиофильность: оболочка из молекул растворителя снижает силу взаимодействия между поверхностью твердого тела и про-
тивоионами. Чем прочнее сольватная оболочка, тем толще диффузный слой и тем больше £ -потенциал [3].
Как известно, в дисперсных системах на поверхности частиц (на границе раздела частица - дисперсионная среда) возникает двойной электрический слой (ДЭС). Двойной электрический слой представляет собой слой ионов, образующийся на поверхности частицы в результате адсорбции ионов из раствора или диссоциации поверхностных соединений [5].
При движении частицы двойной электрический слой разрывается. Место разрыва при перемещении твердой и жидкой фаз друг относительно друга называется плоскостью скольжения. Плоскость скольжения лежит на границе между диффузными и адсорбционными слоями, либо в диффузном слое вблизи этой границы. Потенциал на плоскости скольжения называют электрокинетическим или дзета - потенциалом (^-потенциал).
Другими словами, £ - потенциал - это разность потенциалов дисперсионной среды и неподвижного слоя жидкости, окружающего частицу.
Теории двойного электрического слоя широко используются для интерпретации поверхностных явлений.
Для молекул и частиц, которые достаточно малы, высокий £ - потенциал будет означать стабильность, т.е. дисперсия будет устойчива по отношению к агрегации или коалесценции. Чем больше электрокинетический потенциал, тем устойчивее система.
Величина и знак £ - потенциала определяются из данных потенциалов течения, электрофореза или электроосмоса.
Целью данной работы является изучение электрокинетических характеристик обратных эмульсий и механизма их стабилизации термо-лизным дефекатом ТДбоо .
Эксперимент. Значения £ - потенциала на частицах ТДбоо определяли методом электрофореза по методике [б], измерив скорость движения частиц и зная градиент потенциала приложенного электрического поля, рассчитали элек-
4, мВ
трофоретическую подвижность частиц иэф (это путь, проходимый частицей за 1 секунду в поле с градиентом потенциала 1 В/см).
иэф= ^ = = (1)
эф ш н евн где - Ь.ч - путь, пройденный частицами, см; t -время, сек; Евн - разность потенциалов внешнего электрического поля, В; l - расстояние между электродами, см; Н - градиент потенциала на единицу длины, В/см.
Согласно теории Смолуховского, электро-форетическая подвижность связана с £ - потен-
циалом и вязкостью соотношением:
^эф =
V
(2)
или
( = ^ (3)
В данном случае иэф измеряется в .
Таким образом, измерение электрофорети-ческой подвижности позволяет рассчитать £ -потенциал.
Стабилизация эмульсии зависит от природы эмульгатора, соотношения фаз В/М, размера капель, размера и заряда твердых частиц эмульгатора [7].
Для частиц ТДбоо величина потенциала равна - 26,6 мВ, т.е. частицы, заряжены отрицательно.
На рис. 1 показана зависимость £ - потенциала модельной эмульсии с Ф = 0,5 от рН и различной концентрации ТДбоо.
Обсуждение результатов. С ростом концентрации ТДбоо (рис. 1) величина £ - потенциала плавно возрастает, а затем при концентрации 3 моль/м3 происходит перезарядка поверхности капель, £ - потенциал равен нулю, заряды скомпенсированы. Это говорит о том, что завершено построение адсорбционного слоя эмульгатора на поверхности капли воды и при дальнейшем увеличении концентрации эмульгатора выше 3 моль/м3, £ - потенциал возрастает до 28 мВ, затем его величина выходит на плато, что обусловлено окончанием процесса адсорбции ТДбоо на межфазной границе вода - соляровое масло.
-50
Сд, моль/л рН
Сд, моль/л
Рис. 1. Зависимость £ - потенциала модельной эмульсии от концентрации ТДбоо и рН
Следует отметить, что при концентрации ТДбоо равной 3 моль/м3 получаем стабильную эмульсию со временем жизни т = 300 ч. При дальнейшем увеличении концентрации эмульгатора до 5 моль/м3 эмульсия переходит в пастообразное состояние со временем жизни более одного года. Это можно объяснить тем, что ТДб00 переходит в дисперсионную среду соляровое масло и за счет гидрофобной ассоциации создает прочную коагуляционную структуру по всему объему эмульсии. Иначе говоря, эмульга-
тор-стабилизатор выступает в роли утяжелителя обратной эмульсии.
На рис. 2 показана предполагаемая схема механизма стабилизации обратных эмульсий твердым эмульгатором. Молекулы эмульгатора ТДб00 сосредотачиваются на поверхности раздела фаз вода - соляровое масло толщиной 5, равной 1 - 2 мкм. Заряд на каплях воды создается за счет ДЭС возникающего при адсорбции ТДбоо на каплях воды, т.е. в роли потенциалопределяю-щих ионов выступают отрицательно заряженные частицы твердого эмульгатора.
4
Рис. 2. Схема механизма стабилизации обратных эмульсий твердым эмульгатором ТДбоо: 1- капля воды; 2-диполь воды; 3 - частицы ТДбоо; 4 - дисперсионная среда - соляровое масло; 5 - толщина оболочки эмульгатора
Выводы. Таким образом, на основании проведенных исследований было установлено:
1. Для получения стабильной эмульсии вода - соляровое масло необходимо использовать твердый эмульгатор термолизный дефекат (ТДбоо).
2. Наилучшие результаты стабильности были получены при использовании ТДбоо с концентрацией 3 моль/м3, при этом £ - потенциал равен 28 мВ. Затем его величина выходит на плато, что обусловлено процессом адсорбции ТДбоо на межфазной границе вода -соляровое масло.
3. При концентрации ТДбоо 3 моль/м3 получаем стабильную эмульсию со временем жизни т = 3оо ч. При дальнейшем увеличении концентрации эмульгатора до 5 моль/м3 эмульсия переходит в пастообразное состояние со временем жизни более одного года, а £ - потенциал при этом остается постоянным.
* Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2о12-2о16 годы № А - 7/15.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клейтон В. Эмульсии. Их теория и технические применения. М.: Изд. Иностранной литературы, 195о. б79 с.
2. Чудинова Н.Н. Синтез и коллоидно-химические характеристики косметических эмульсий, стабилизированных смесями ПАВ: дис.... канд. хим. наук. М, 2014. 133 с.
3. http://www.photocor.ru/theory/zeta-potential/
4. Шаповалов Н.А., Ломаченко В.А., Лома-ченко Д.В., Яшуркаева Л.И., Гребенюк А.А. Влияние СБ-3 и комплексных добавок на агре-гативную и седиментационную устойчивость цементных суспензий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 4. С. 156-158.
5. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1982. 400 с.
6. Айвазов Б.В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции. М.: Высшая школа, 1973. 86 с.
7. Тарасова Г.И., Шевага О.Н. Исследование свойств обратных эмульсий, стабилизированных термолизным дефекатом/ В сб. XXII Межд. науч.-практ. конф. «КАЗАНТИП-ЭКО-2014». Харьков, 2014. С. 244-247.
becmhuk erty um. b.r. wyxoea
2015, №6
Tarasova G. I., Shevagа O. N.
ELECTROKINETIC CHARACTERIZATION OF MODEL EMULSIONS AND THEIR STABILIZATION MECHANISM THERMOLYSIS DEFECATE TD600
Questions produce, stabilize and regulate the physicochemical properties of disperse systems, in particular reverse (hydrophobic) emulsions, are among the most pressing problems. The paper studies the relationship changes the zeta potential of inverse emulsions and their stabilization mechanism thermolysis defecate TD600. Investigated electrokinetic characteristics of model emulsions water - diesel oil on the pH, aggregate stability and storage time. As an emulsifier, stabilizer inverse emulsions proposed thermolysis defecate TD600. Structure and physico-chemical properties of thermolysis defecate presented in previously published papers.
Key words: inverse emulsion stabilization mechanism, a solid emulsifier-stabilizer TD600, electric double layer (EDL), the zeta potential (£).
