Низкая цена
Всего 249a за скачивание одной диссертации
Скидки
75 диссертаций за 4900a по акции. Подробнее
О проекте

Электронная библиотека диссертаций — нашли диссертацию, посмотрели оглавление или любые страницы за 3 рубля за страницу, пополнили баланс и скачали диссертацию.

Я впервые на сайте

Отзывы о нас

Исследование устойчивости и синерезиса пен, стабилизированных частицами коллоидального кремнезема и гидроксида алюминия : диссертация ... кандидата химических наук : 02.00.11

Год: 2013

Номер работы: 2464

Автор:

Стоимость работы: 249 e

Без учета скидки. Вы получаете файл формата pdf

Оглавление и несколько страниц
Бесплатно

Вы получаете первые страницы диссертации в формате txt

Читать онлайн
постранично
Платно

Просмотр 1 страницы = 3 руб



Оглавление диссертации:

Пену с жидкой дисперсионной средой используют различных целей (флотация руд, концентрирование и для многих разделение получение поверхностно-активных веществ (ПАВ), пожаротушение, теплоизоляционных материалов, металлокерамики, для пылезащиты и пылеулавливания и других) [1,2,3]. Предъявляемые к пене требования зависят от ее назначения. Стабилизаторами пены обычно являются коллоидные (мицеллообразующие) ПАВ и растворимые полимеры. В дополнение к жидкому раствору и газовой фазе пена м

Пена — дисперсия газа (чаще всего воздуха) в жидкой дисперсионной среде — представляет собой типичную лиофобную систему. Различают разбавленные дисперсии газа в жидкости, которые за их сходство с разбавленными эмульсиями обычно называют газовыми эмульсиями, и собственно пены с содержанием газовой фазы более 70 % по объему. В качестве характеристики концентрации пены часто используют отношение объема пены к объему содержащейся в ней жидкости, эту величину называют кратностью пены [1, 2, 12, 13

В момент получения пены количество жидкости в ней обычно значительно превосходит то, которое должно соответствовать гидростатическому давлению. Поэтому сразу после её формирования происходит выделение жидкости из пены. Избыточная жидкость из плёнок вытекает в каналы и по каналам стекает из верхних слоев пены в нижние в направление силы тяжести до тех пор, пока градиент капиллярного давления не уравновесит действия силы тяжести [1]. Когда давление в нижних слоях пены превысит внешнее давле

Для описания процесса синерезиса было предложено большое число эмпирических и полуэмпирических уравнений [42-61]. Наиболее полный анализ уравнений синерезиса на языке механики сплошных сред дан в работах Кротова [42, 43-45]. В работе [42] также показано, что гидропроводность пены носит чисто каналовый характер, если выполняется условие: V 3 f/V 2 K «1, где Vf=l,64h/R, VK=0,33r2/R (г-радиус кривизны канала Плато-Гиббса; R радиус пузырьков для модели ячейки в виде четырнадцатигранника). При эт

1.3.1 Пены, стабилизированные твердыми частицами Возможность использования твердых частиц в эмульсиях известна еще из работ Рамсдена и Пикеринга (начало XX века) [78, 79]. Исследованию факторов, влияющих на устойчивость эмульсий, стабилизированных твердыми частицами, посвящено большое количество работ [78, 80-84]. При проведении исследований было установлено, что наиболее устойчивые эмульсии получаются при определенных краевых углах твердых частиц (0) (0 =60-90° для прямых эмульсий и 0=90

1.3.2 Методы получения пен, стабилизированных твердыми частицами Известные в литературе [5, 6, 8, 94] методы получения пен, стабилизированных твердыми частицами, включают два этапа: получение суспензии гидрофобизатора в воде и ее встряхивание или интенсивное перемешивание до образования пены. В качестве частиц стабилизаторов могут выступать: оксид алюминия, портладцемент ортофосфат [94], тефлон [94]. [10], полистирольный латекс пен [7, 105], кальция Для получения устойчивых большое

Беликов присутствии [9] исследовал полистирольных влияние ПАВ латексных на утончение частиц. В пленок в пленках, стабилизированных додецилсульфатом натрия (ДДСН), все гидрофильные частицы перемещались из пленки в мениски. При использовании катионного ПАВ цетилтриметиламмонийбромида (ЦТАБ) частицы латекса становились гидрофобными в результате адсорбции ПАВ на их поверхности. Такие частицы самопроизвольно закреплялись на обеих сторонах пленки, препятствуя дальнейшему её утончению. При уве

Кремнезем (Si0 2 ) представляет собой трехмерный гетероцепной полимер, элементарным звеном которого является группа =Si-0-, а на поверхности частиц присутствуют силанольные =Si-OH и силоксановые =Si—О—Si= группировки [108]. Частицы немодифицированного кремнезема имеют гидрофильную поверхность (0=0°) [109]. Оптимальная степень модификации поверхности частиц, соответствующая образованию устойчивой пены, составляет 20-33% силанольных групп [6, 102]. Обычно используют два основных типа част

Раствор сульфата алюминия A1 2 (S0 4 ) 3 в воде имеет кислую реакцию, при добавлении щелочи образуется золь гидроксида алюминия. Схематически Ф. Винклер располагает продукты гидролиза в порядке возрастания рН по следующей схеме [115]: А1(Н 2

0) 4 (ОН) 2 + при рН < 4 it [А16(ОН)15]3+ <> [А18(ОН)20]4+ при рН = 4-5 - IT [А1(Н20)з(ОН)3] при рН = 5,5 it [А12(ОН)7]', [А1(ОН)4]" при рН > 7. По данным [116], точка нулевого заряда частиц А1(ОН)3, приготовленных выщелачивание

Поверхностно-активные вещества 1. Додецил сульфат натрия (ДДСН) (фирмы "Merk") - Ci2H 2 5-0-S0 3 Na анионный ПАВ, хорошо растворимый в воде. Молярная масса 288,38 г/моль, ККМ 7,6 мМ [117, 118]. 2. Тритон Х-100 (фирмы "Ferrak") неионогенный ПАВ, хорошо растворимый в воде. Молярная масса 625 г/моль, плотность 1,07 г/см , ККМ 0,23 мМ [117, 118]. 3. Гексиламин (99%, Merck) т - C 6 H 13 NH 2 - катионный ПАВ, хорошо растворимый в воде. Молярная масса 101 г/моль. Плотность 0,766

Для измерения твердых поверхностного частиц и без натяжения них водного раствора два в присутствии использовали метода: взвешивание рамки с плёнкой и измерение максимального давления в пузырьках.

а) Метод взвешивания рамки [15, 119]. В основе лежит измерение веса гидрофильной рамки с пленкой и без нее. Метод позволяет определить поверхностное натяжение в области высоких концентраций ПАВ или в присутствии порошкообразных стабилизаторов, когда образуются устойчивые пленки. В ус

Для частиц микронного (и меньше) размера нет метода для определения реальных углов отекания воды, поэтому обычно для маленьких твердых частиц краевые углы измеряют на макроскопической поверхности такого же или подобного химического состава. Химический состав стекла близок к составу кремнезема: основной компонент SiC>2. Поверхность стекла так же, как и кремнезема, отрицательно заряжена в нейтральных и щелочных водных растворах. В ходе экспериментов наблюдалось, что частицы кремнезёма

Напряжение сдвига определяли методом тангенциального смещения пластины [124-127]. В суспензию помещали рифленую металлическую пластину, закрепленную посредством жесткой металлической проволоки с коромыслом торсионных весов. Оставляли систему в покое в течение 10 мин. Прикладывали с помощью торсионных весов определенную нагрузку и фиксировали расстояние, пройденное пластиной в суспензии с помощью катетометра (т.к. суспензии были непрозрачными, то наблюдали смещение проволоки, посредством кото

Для получения модельных (изолированных) пенных пленок была использована известная методика [1] вытягивания рамки из водного раствора вещества-гидрофобизатора частицы. По этой методике получены макроскопические вертикальные пленки на платиновой рамке или отверстии в пористой стеклянной пластине. Формирование такой пленки на прямоугольной гидрофильной рамке через поверхность, содержащую твердые позволяет определить натяжение поверхности вода/воздух в присутствии твердых частиц, а на круглой ра

Толщину модельных пенных пленок определяли кондуктометрическим методом [128], измеряя электропроводность пленки с помощью кондуктометра Эксперт-002 при содержании 0,005 М NaCl в водной фазе. Удельная электропроводность раствора [117]. Схемы измерительных ячеек показаны на рисунках

2.7,

2.8. NaCl аз у д ь =

128.8-10^ ом ~'-см-1 Круглая рамка (рисунок

2.8) сконструирована из платиновой проволоки толщиной 0,26 мм (диаметр рамки 4,8±0,16

мм) и позволяет исс

а) Турбодиметрический метод [124]. В основе метода лежит зависимость коэффициента экстинкции г от длины волны Я. Мутность среды измеряется методом нефелометрии или рассчитывается из оптической плотности D, измеренной на фотокалориметре при длине кюветы (L) 1,007, 2,007 и 3,011 см в области длины волны Л от 340 до 590 нм: T=2,303D/L (

2.13) На основании измеренной оптической плотности D при нескольких значениях Л находят коэффициент k = -Aln т/ЛЫЛ. По полученному значению к опре

Пену получали смешиванием определенной навески Аэросила-380 с определённым объёмом дистиллированной воды. К полученной суспензии по каплям добавляли гексиламин до образования устойчивой пены. В таблице

2.1 представлены массовое содержание аэросила и концентрация гексиламина (при рН = 10,6), используемые для приготовления пены. Отметим, что для получения пен с малым массовым содержанием твердых частиц (со<1%) необходимо длительное встряхивание и перемешивание суспензии миксером в те

Для исследования течения растворов ПАВ через пену использовали методы, описанные в работах [133-137]. В частности, исследование течения раствора ПАВ через пену в гравитационном поле и при больших перепадах давлений (AP»pgH) проводили в ячейке, аналогичной использованной в работе [134]. Величина АР задает радиус каналов: г=^ = ^ , Р а АР + 1,8а/a (

2.21) где а -поверхностное натяжение; Ра=А Р+1,8а/а - капиллярное давление в пене [135]. При больших АР поправкой на капиллярное давление в

Для изучения нестационарного синерезиса пены мы использовали разработанный нами метод с одной пористой пластиной и двумя микроманометрами [138, 139]. Схема установки для исследования течения с одной пористой перегородкой, под которой создается пониженный перепад давлений, представлена на рисунке

2.14. Пена помещается в стакан (1), дном которого является пористая пластина (2). На пластину внутри стакана устанавливается стеклянный цилиндр (3) (d = 20

мм) с двумя горизонтальными эле

Расположение твердой частицы на границе раздела зависит от степени заполнения её поверхности определяется поверхностными и межфазным жидкость-газ гидрофобизаторами и натяжениями: между жидкостью и газом аВг, твердой частицей и газом оТг, твердой частицей и жидкостью о"твВ зависимости от степени гидрофобности возможны различные варианты расположения частицы на поверхности жидкость-газ (рисунок ЗЛ). овг л? отв ^ ОТГ в г овгс о~тг лS А •^У 0"ТВ в / в г Рисунок 3 Л - Схема

Исследовали гексиламином при смачивание концентрации кремнезёмов, 18-66 модифицированных Используемая ммоль/л. концентрация кремнезёма в исходной суспензии в пересчете на Si0 2 составляла от 0,6 до 6%. Исследовались два типа коллоидного кремнезёма с диаметром частиц 15 и 13,6 нм. В исходных суспензиях частицы были агрегированы. Средний радиус агрегатов, определенный в результате анализа суспензий в отсутствие ПАВ: Rarp = 80,6 нм в золе Ludox (турбодиметрический метод) и Rarp = 3 - 3 0

Хорошо известно, что частицы кремнезёма, диспергированные в воде, могут агрегировать за счет силанольных связей, образуя крупные хлопья. Агрегаты частиц при высокой концентрации твердой фазы могут формировать трехмерную сетку в объеме суспензии. Такие структуры в литературе иногда отмечают, как «физический гель» [140, 141]. Формирование частицами пространственной сетки в значительной степени увеличивает вязкость жидкости, жидкость становится тиксотропнои и обладает определенным напряжением

Изолированные пенные пленки являются удобной изучения различных свойств жидких прослоек, системой для для недоступных исследования в пенах. Изучалось утончение изолированных пенных пленок при самопроизвольном вытекании дисперсионной среды и при приложенном внешнем пониженном давлении (методами, описанными в разделе

2.6, рисунки

2.7 и

2.8), а также влияние адсорбции твердых частиц на поверхностное натяжение.

3.4.1. Устойчивость пленок Устойчивые модельные пенные пленки, содержащие на поверхности твердые частицы, были получены на платиновой рамке. Визуально такие пленки матовые, непрозрачные в отличие от пленок, стабилизированных ПАВ. Устойчивые в гравитационном поле макроскопические плёнки были получены из суспензий Аэросила с содержанием твердой фазы 0,5 - 6% и из суспензий Людокса с содержанием твердой фазы 2, 20%. Пленки, полученные из суспензий с содержанием твердой фазы менее 0,5%, лопалис

Кинетика утончения модельных пленок в гравитационном поле, выраженная через изменение электропроводности во времени, представлена на рисунке

3.7. Пленки самопроизвольно утончались под влиянием гравитации в течение 2 минут до некоторой толщины, которая оставалась практически постоянной (электропроводность системы уже не менялась) (рисунок

3.7). В таблице

3.3 представлены толщины пленок, а также время их жизни и механизм разрушения. Неустойчивые пленки разрушались за 0,5 -

3.4.3. Реология пленок Исследование пленок в условиях создания пониженного перепада давления в её жидкой фазе позволило определить напряжение сдвига. К пленкам, полученным в отверстии пористой пластины (метод описан в разделе

2.6, схема ячейки представлена на рисунке

2.8), прикладывали АР и фиксировали изменение электропроводности во времени. Результаты опыта выражали графически в координатах t - 1/h . На рисунке

3.8 представлена полученная при исследовании суспензий с соде

Поверхностное натяжение определяли методом взвешивания платиновой рамки и методом наибольшего давления образования пузырьков. Для определения зависимости поверхностного натяжения от концентрации твердой фазы проводили измерения натяжения в пленках, полученных из суспензий кремнезема с постоянным содержанием гидрофобизатора и различным содержанием Аэросила. В таблице

3.5 представлены значения поверхностного натяжения суспензий, содержащих 0,6 - 6% кремнезёма и 76, 6 ммоль/л гексил

Исследована устойчивость пен, стабилизированных кремнезёмом (Аэросил - 380, Ludox-HS, гидрофобизатор - гексиламин) и гидроксидом алюминия (гидрофобизатор - масляная кислота). Пены с содержанием Аэросила 6% (масс.) не выделяли жидкости в отсутствие каких-либо внешних воздействий, в то время как в пенах с содержанием менее 4% сразу после получения наблюдается вытекание некоторого избыточного количества жидкости. Пены с содержанием твердых частиц менее 0,5% получить не удалось, что вызвано,

Для оценки устойчивости в гравитационном поле пены, полученные встряхиванием, наблюдали в закрытых цилиндрах во избежание влияния испарения на устойчивость пены. Суспензии кремнезёма без добавок гексиламина не обладают пенообразующей способностью. Раствор гексиламина без твердых частиц 90 образует пены, разрушающиеся в течение нескольких секунд с момента получения. В таблице

4.1 представлены результаты исследования пен, стабилизированных Ludox, в гравитационном поле. Пены, полученные и

Исследовано влияние перепада давления (метод FPDT) на разрушение столба пен (высотой 1 -2

см) и тонких слоев (2мм), полученных из суспензий с содержанием Аэросила 0, 6 - 6%, а также Ludox 0,5 - 20%. Время воздействия варьировалось от 1 до 25 ч, а АР от 0 до 0, 25 атм в зависимости от концентрации твердой фазы.

Во всех экспериментах изменение кратности пены происходило как изза вытекания жидкости, так и из-за частичного разрушения ее столба. К максимально устойчивым пенам, полученным из суспензий кремнезёма с содержанием частиц 6%, прикладывали пониженное Ар = 0,1 0, 25 атм в течение 24 и 5 часов соответственно. При АР = 0,1 кратность пены уменьшалась незначительно и к моменту переходы пены в твердообразную систему не превышала значения п = 7 (кратность исходной пен п = 3,8) (рисунок

4.1). Ув

На рисунках

4.19,

4.20 показано изменение кратности пен, стабилизированных золем Ludox. Увеличение концентрации твердой фазы в исходных суспензиях приводит к росту устойчивости пен к приложенному пониженному перепаду давлений (рисунок

4.19). Рисунок

4.19 - Изменение кратности пен, стабилизированных Ludox: х - 0,5% Si0 2 + 11 мМ гексиламина, Ар = 0,01 атм; о - 2% SiCb + 11 мМ гексиламина, Ар = 0,01 атм; • - 20% Si0 2 +121 мМ гексиламина, Ар = 0,04 атм. В пенах

Важным свойством, которое может найти практическое применение, является сжатие определенного объема пены под действием избыточного (по сравнению с атмосферным) перепада давления или расширение под действием разрежения. Впервые такие исследования были проведены в работе [4]. Исследовали пену кратностью 100, полученную из разбавленного картофельного сока при изменении избыточного (по сравнению с атмосферным) давления от 12,5 до 48 кПа. Показано, что сжимаемость такой пены согласуется с уравнен

5.1 Аналитические уравнения для течения жидкости в пене и нестационарного синерезиса Как было показано в разделе

1.2.2, в гравитационном поле средняя линейная скорость течения с жидкости по каналу Плато-Гиббса в полиэдрической пене неподвижными поверхностями описывается уравнением Леонарда-Лемлиха [46]: 0,16R2 . v =- — pgcosa 5 Or) где и - динамическая вязкость; R - радиус кривизны канала Плато-Гиббса; р - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести; а' - угол между каналом

На рисунке

5.1 представлены результаты исследований скорости течения через пену, стабилизированную додецилсульфатом натрмя ДДСН с ньютоновскими черными пленками, при высоте пены 2 см и изменении радиусов каналов от 16 до 90 мкм по методу FPDT с двумя пластинами (подраздел

2.9.1). Видно, что экспериментальные значения линейной скорости vL совпадают с вычисленными по уравнению Нгуйена (

5.5), но превышают значения, предсказываемые по уравнению Леонарда-Лемлиха (

5.2).

Причиной устойчивости пен, стабилизированных твердыми частицами, является снижение поверхностной энергии в результате выхода модифицированных частиц на границу раздела. Помимо адгезии частиц на устойчивость пен влияет образование тиксотропных гелей в дисперсионной среде. Увеличение концентрации твердой фазы (выше 2% для золей Ludox и выше 0,5% для золей гидроксида алюиния) и увеличение гидрофобизации поверхности (значения краевого угла выше 40°) приводит к увеличению вязкости и напряжения сд