Свойства дисперсных систем
Дисперсная система – это гетерогенная система, которая состоит из двух и более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.
Свойства дисперсных систем обусловлены наличием достаточно большой межфазной поверхностью и маленьким размером частиц. Поэтому определяющими являются свойства поверхности, а не частиц. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем обусловлены хаотическим перемещением молекул дисперсионной среды. Это движение складывается из:
- Вращательного движения молекул.
- Поступательного движения молекул.
- Колебательного движения молекул.
Дисперсионная среда – это непрерывное тело (фаза), в котором распределена дисперсная фаза в виде каплей жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц.
Молекулы жидкой или газовой дисперсионной среды всегда находятся в движении и сталкиваются с друг другом. Расстояние, которое проходит молекула до столкновения с другой называют длиной свободного падения. Каждая молекула обладает различной кинетической энергией. Кинетическая энергия для жидкой дисперсной системы вычисляется по следующей формуле:
$E = {(m • v)}^2 / 2 = 3 / 2 • k • T$
А для газообразной системы формула выглядит следующим образом:
$E = {(M • v)}^2 / 2 = 3 / 2 • R • T $
где, m – масса одной молекулы; М – масса одного моля; v – скорость движения молекул; k – константа Больцмана; R – универсальная газовая постоянна; Т – температура.
Оптические свойства дисперсных систем зависят от взаимодействия электромагнитного излучения, которое обладает энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенности оптических свойств дисперсных систем зависят от природы частиц, их размера, а также длиной волны электромагнитного излучения. Основными оптическим свойством дисперсных систем является светорассеяние.
Методы получения дисперсных систем
Мероприятия по получению дисперсных систем направлены на решение двух задач. Первая задача заключается в получении дисперсных частиц нужных размеров и форм, а вторая в стабилизации дисперсной системы (сохранение размера частиц в течении определенного времени). Способы получения дисперсных систем делятся на:
- Диспергационные.
- Конденсационные.
- Метод пептизации.
Диспергационные методы заключаются в измельчении крупных образцов вещества до размеров частиц дисперсной системы. В этом случае обычно агрегатное состояние вещества не меняется. Эти методы применяются для получения частиц размером от 1мкм и больше. Конденсационные методы получения дисперсных систем основываются на ассоциации молекул в агрегаты из истинных растворов. С помощью этих методов получают в основном высокодисперсные системы. Метод пептизации основан на переводе в коллоидный раствор осадков, которые уже имеют размеры высокодисперсных систем.
Способы регулирования свойств дисперсных систем
Основными способами регулирования свойств дисперсных систем в промышленности являются: изменение соотношения между содержанием дисперсионной среды и активной твердой фазы (к таким методам относятся концентрация, разбавление и т.п.), диспергация твердой фазы в растворе, увеличение содержания твердой фазы (утяжеление), аэрация, введение инертных наполнителей.
Первые два способа используются для регулирования фильтрационных и структурно-механический свойств дисперсной системы, третий и четвертый способ для регулирования плотности системы, пятый способ для регулирования закупоривающих свойств системы.
Нормальная концентрация дисперсной фазы обусловлена требованиями к ее свойствам, зависящих от ее содержания и дисперсности. Увеличение концентрации способствует росту плотности и структурно-механических свойств системы, а также понижению фильтрации. Для увеличения концентрации дисперсной системы в процессе бурения скважин достигается с помощью приготовления более концентрированного раствора и перемешивания его в циркуляционной системе скважины. Естественное увеличение концентрации достигается за счет поступления в промывочную жидкость мелких частиц разбуриваемых горных пород, выступающих в этом случае в роли активного компонента.
Процесс диспергации представляет собой измельчение твердых тел для получения эмульсий, порошков, суспензии и т.п. Для этого на промышленных предприятиях используют специальные мельницы, гомогенизаторы и высокоскоростные мешалки. К методам диспергации также относятся экструзия, размол, мокрая химия, вальцевание, плазменное распыление, ударное сжатие и т.п.
Для увеличения плотности дисперсной системы, обычно увеличивают содержание твердой фазы. Но, этот процесс способствует росту структурно-механических свойств, что нежелательно. Процесс утяжеления осуществляют с помощью добавления специальных инертных материалов с высокой плотностью – утяжелителей. Такие утяжелители обладают высоким статическим напряжением сдвига, а также увеличивают реологические свойства системы. Способ аэрации систем позволяет уменьшать плотность дисперсных систем в широких пределах.
Для придания системе способности закупоривать трещины и поры в нее вводятся специальные наполнители. Эффективность закупоривания определяется формой и размером частиц, фракционным составом наполнителя, его концентрацией. К физическим методам воздействия на свойства дисперсных систем относятся: обработка электрическим током, вибровоздействие, обработка магнитным полем.
