Эмульсиялар

Жалпы сипаттама. Эмульсия – екі сұйықтың бір-бірінде еріген микрогетерогенді системасы. Эмульсиядағы дисперсті фаза да, дисперстік орта да бірдей агрегаттық күйде, аиап айтқанда сұйық коллоидты система екен. Егер мұндай системаларды бірі екіншісінде ерімейтін сұйықтар құрайтын болса, онда ұзақ уақыт сақталады.

Эмульсиялардағы дисперсті фазаны құрайтын шар тәрізді бөлшектердің өлшемі әр түрлі болады: кәдімгі көзге көрінетін бөлшектен бастап коллоидтық дәрежедегі дисперстілікке дейін эмульсиядағы дисперстік фазаның бөлшектері көбінесе 0,1–10,0 мкм аралығында болады. Сондықтан да оларды кәдімгі жай оптикалық микроскоп арқылы байқауға болады. Эмульсиялар да суспензиялар тәрізді табиғат пен өңдірісте кең таралған. Мысалы, сүт, жұмыртқаның сары уызы, құрамында дисперстелген суы бар мұнай, каучук өсімдіктерінің шырыны, салқын күйдегі металды өңдеуге қолданылатын техникалық эмульсиялар және басқалар. Полимер өңдірісінде эмульсиялық полимерлеу әдісі қолданылады. Егер полимер тек мономер басқа сұйықта еритін катализатормен тікелей түйіскенде ғана жүретін болса, онда осы шартқа сәйкес жағдай жасалады. Мұндайда өзінде катализаторы бар сұйықпен түйісетін мономердің беткі қабаты біраз артады да, оған орай болатын полимерлеу реакциясының жылдамдығы сонша есе артады.

Дисперстік ортаның ролін су атқарып, дисперстік фаза ретінде – майлар, минералды майлар, бензол, толуол және басқалар қолданылатын эмульсиялар жиі кездеседі. Суда ерімейтін сұйықтардың бәрін «май» деп атап, оларды М әрпімен, ал суды В әрпімен таңбалайды. Дисперстік фазаның аталуын бөлшектің алымына, ал дисперстік ортаны бөліміне жазады. Мысалы, майдың судағы эмульсиясы болып келетін кәдімгі сүтті, сол сияқты бензол немесе толуолдың да судағы эмульсияларын М/В деп белгілейді. Ал судың мұнайдағы және судың сары майдағы эмульсиялары В/М деп көрсетіледі.

Эмульсиялардың тұрақтылығы. Эмульсиялардың тұрақтылығы жайлы көптеген ғылыми-зерттеулер жүргізілген. Сүт тағамдарын сақтағанда, түрлі салқындатқыш сусындар мен балмұздақты даярлағанда эмульсиялардың тұрақтылығы ескеріледі. Кейбір жағдайларда эмульсия тұрақтылығы нашарлап, құрамындағы сұйық фазаларды жеке бөліп алуға тура келеді. Мысалы, мұнайды өңдеуден бұрын, оның құрамындағы эмульсиялық бөлшек ретінде таралған суды немесе табиғи каучукті, шырын құрамындағы суды бөлу қажет. Сол сияқты май мен судан тұратын сүттен сары майды, қаймақты бөліп алу үшін, әрине эмульсияны бұзады.

Эмульсиялардың кинетикалық тұрақтылығы ондағы бөлшектердің өлшемімен сипатталады. Эмульсиялардағы бөлшектердің өлшемі мен массалары коллоидты ерітіндегіден едәуір артық. Сондықтан да эмульсиялардың кинетикалық тұрақтылығын сипаттайтын бөлшек санының (концентрациясының) биіктікке қатынасы коллоидты ерітіндегіден үлкен. Көптеген эмульсиялардағы дисперсті фазаның тығыздығы дисперстік ортаның тығыздығынан аз болатынын ескерген жөн. Мұндайда эмульсиядағы бөлшектер тұнбаға түспестен, сұйық бетіне қалқып шығуға тырысады. Әрине, осындай кезде дисперстік фазадағы бөлшектердің концентрациясы оның төменгі жағынан гөрі жоғарысында артықтау болатыны даусыз. Мысалы, сүтті сақтағанда, әсіресе, қайнатқаннан кейін оның бетінде қаймақты қабат пайда болады.

Әдетте, эмульсиялардың дисперстілік дәрежесіне тәуелді болатын седиментациялық тепе-теңдік жағдайындағы ауысу жылдамдығы коллоидты ерітіндегіден артық. Эмульсиялардың тұрақтылық дәрежесі түрліше мәнде болады, олар агрегативті тұрғыдан тұрақсыз. Эмульсилық системаның өздігінен дисперстік фазаға жиналып, ондағы жанасу шегінің пайда болуы, шар тәрізді бөлшектердің біріне-бірі түйісіп жабысуы арқылы жүреді. Мұндай құрылысты коалесценция дейді. Демек, эмульсияның коалесценциясы ұюмен бірдей. Мысалы, сумен бензолдың бірдей мөлшерін алып, шайқап араластырса, эмульсия пайда болады. Егер оны шайқауды тоқтатса, бірте-бірте бензол мен судың ұсақ бөлшектері біріге келіп, екі қабатқа бөлінеді.

Эмульсия құрамына енетін фаза арасындағы жанасу шектегі беттік керілу жоғарылаған сайын, олардың агрегативтік тұрақсыздық дәрежесі артып, полярлілік дәрежесіндегі айырмашылық көбейеді. Жанасу шегіндегі беттік керілу айырмашылығы өте аз болатын екі сұйық фазаны тауып алуға болады. Мысалы, фенол мен су өзара бірі-бірінде шекті араласып ериді. Қалыпты жағдайда фенолдың судағы және фенолдағы ерітінділері құрамдары айтарлықтай өзгеше болады. Егер осы екі ерітіндіні алып, олардың температурасын жоғарлата бастаса, онда олардың құрамдық мөлшері біріне-бірі жақындай түседі де, жанасу шектегі беттік керілу азаяды. Осы қоспа кризистік температурада (65,5°С-та) бір-бірінде тең араласып ериді және осы сәтте олардың жанасу шегіндегі беттік керілу нөлге тең болады. Мұндай ерітінділерден пайда болған эмульсиялар термодинамикалық тұрғыдан алғанда өте тұрақты және бұл жай олардың агрегативті тұрақтылығын анықтайды.

Эмульсияларды агрегативті тұрақтылығына орай үлкен екі топқа бөледі: сұйытылған және концентрлі. Бүкіл эмульсия көлеміндегі дисперсті фазаның үлесі 0,1%-тен аспайтын болса, оны бірінші топқа, яғни сұйытылған эмульсиялар тобына жатқызады. Бұған бу машиналарындағы минералды майлардың конденсаттағы эмульсиясы мысал болады. Мұндай эмульсиядағы дисперстік фаза тамшысының бетінде адсорбцияланған иондардың болуы оны коалесценциядан сақтайды. Сондай-ақ, эмульсияның электрокинетикалық потенциалы айтарлықтай жоғары болса, онда мұндай жағдайда коалесценция процесі жүрмейді. Концентрленген эмульсияларда дисперстік фазаның көлемі үлкен болуы мүмкін. Монодисперсті эмульсиялардағы дисперсті көлемнің 74-ін алады. Бірақ, кейде мұндай эмульсиялар әрі полидисперсті, әрі дисперсті фазаны құрастыратын тамшылар түрлі күш әсерінен түрін өзгертіп, майысатындықтан, оның көлемі 99%-ке, кейде 99,9%-ке жетеді. Концентрлі эмульсиялар бөлшектің электр заряды болса да тұрақсыз болады. Эмульсиялардың тұрақтылығын арттырып, коалесценция құбылысын болдырмау үшін оларға эмульгатор деп аталатын заттар қосады. Эмульгатор ретінде молекула құрамындағы полюсті және полюссіз тобы айқын көрінетін беттік активті заттар мен жоғары молекулалық қосылыстар қолданылады. Мысалы жоғары молекулалық қосылыс өкілі – белок сұйық фазаның кішкене тамшысының беткі қабатына адсорбцияланады және ол осы сәтте екі жақты байланыстыратын жұқа қабықша түзеді. Ал мұндай қорғаушы қабықшасы жоқ өзге тамшылар бірімен-бірі түйіскенде тез бірігеді, яғни коалесценция құбылысы жүреді. Ендеше, сольватты қабат пен кішкене тамшы арасындағы жұқа қабықша оларды өзара бірігіп, коалесценцияланудан сақтайды. Эмульсиядағы шар тәрізді тамшы үстіне адсорбцияланған беттік активті заттардың молекулалары өздерінің полюсті жағымен полюссіз сұйыққа, ал полюссіз жағымен полюсті сұйыққа бағытталып орналасады. Мұның нәтижесінде тамшы үстінде екі өлшемді, құрылымдық кристалл тәрізді қабықша пайда болады. Бұған кәдімгі сабын көбікшелері мысал болады. Суды қаншама көпіртсе де, сабын болмаса ондай көбік тұрақсыз және сол сәтте-ақ жойылады. Ал, сабын көбігінен түрлі өлшемдегі шар үрлеуге болады және олар едәуір механикалық әсерге шыдайды.

Әдетте М/С тектегі эмульсияны гидрофилді, ал С/М тектегіні олеофилді эмульгаторлармен тұрақтандырады. Тұрақтандыру механизмі қатты ұнтақ көмегімен тұрақтандырудан айқын байқалады: гидрофилді ұнтақты екі сұйық қоспасымен араластырғанда ондағы түйіршіктер олардың жанасу шегіндегі беткі қабатқа орналасады және сужақсы жұғысқандықтанол сол су жағына орналасады. Егер ұнтақ гидрофобты болса, онда ол маймен жұғысып сол майлы жаққа тартылады (төмендегі сурет).

11-сурет.

Суретте гидрофилді ұнтақтың эмульсиядағы жанасу шекке адсорбциялануы кескінделген: а) М/С тектегі, б) С/М тектегі эмульсиялар. Бұдан ұнтақ түйіршіктері өз сипатына сәйкес жанасу шегіндегі беткі қабатқа орналасып, тамшыны қоршайды (а-сурет) және оны басқамен біріктірмейді. Демек, мұндай ұнтақтар су тамшысын коалесценциядан қорғамайды екен (б-сурет). Олай болса, мұндағы су тамшылары өзара жолыққанда оңай бірігеді де үлкейе түседі, ал гидрофобты ұнтақтар керісінші В/М тектегі эмульсияларды тұрақтандырады.