Введение к работе
Актуальность работы. Получение пен, стабилизированных твердыми частицами, известно с начала ХХ века. В таких пенах удается практически полностью остановить процесс синерезиса, снизить диффузионный перенос газа и существенно увеличить время их жизни. Предполагается, что их уникальные свойства объясняются большой энергией адгезии частиц к поверхности раздела жидкость-газ, но одного этого фактора недостаточно для получения стабильной трехфазной пены.
Влияние твердых стабилизаторов на скорость истечения жидкости (синерезис) и на устойчивость пены может быть разнообразным в зависимости от размера частиц, их смачиваемости и концентрации. Однако, условия стабильности данных дисперсных систем в зависимости от указанных параметров недостаточно изучены. Кроме того, не изучена взаимосвязь между устойчивостью пенных пленок и пен, стабилизированных твердыми частицами, а также их параметров, не ясно влияние структурообразования на этот процесс. В связи с этим, представляется необходимым установление этой взаимосвязи и разработка метода для определения реологических характеристик жидких прослоек в пленках, содержащих твердые частицы.
По сравнению с пенами, полученными из растворов ПАВ, исследуемые дисперсные системы даже при низком содержании твердой фазы гораздо более стабильны. При исследовании пен со временем жизни более нескольких дней или месяцев не ясно, какой параметр или критерий следует использовать для оценки их устойчивости. Одним из возможных подходов к регулированию и оценке стабильности трехфазных пен, содержащих органомодифицированные частицы коллоидального кремнезема и гидроксида алюминия, является применение метода создания перепада давлений в дисперсионной среде (Foam Pressure Drop Technique, FPDT), разработанного ранее П.М. Кругляковым и Д. Ексеровой. Данный метод позволяет обеспечивать подвижность дисперсионной среды и приводить к разрушению пены. При его использовании также возможно описание скорости синерезиса. Используемый ранее метод FPDT с двумя пористыми пластинами допускает исследование стационарного течения через пену. Но на практике синерезис пен является нестационарным процессом, при котором радиус кривизны каналов Плато-Гиббса меняется по высоте пены и во времени. Поэтому существовала необходимость создания нового простого и эффективного метода, обеспечивающего одновременное измерение давления в разных точках жидкой фазы пены и учитывающего влияние градиента давления, что было одной из задач данной работы.
Уникальная устойчивость пен, стабилизированных частицами коллоидального кремнезема и гидроксида алюминия, открывает широкие перспективы для их практического применения, например, в качестве различных пористых материалов (таблетки, катализаторы, керамика с регулируемой пористостью, сорбенты). Стабилизация пен твердыми частицами представляет интерес и с экологической точки зрения, поскольку позволяет снизить количество органических ПАВ и, следовательно, уменьшить загрязнение ими природной среды. Развитие прикладного аспекта трехфазных пен должно базироваться на фундаментальных исследованиях, в основе которых лежит изучение физико-химических свойств пен, факторов их устойчивости и механизма стабилизации. Решению этой актуальной задачи посвящена основная часть диссертации.
Целью диссертационной работы являлось исследование свойств и устойчивости пен, стабилизированных органомодифицированными частицами коллоидального кремнезема и гидроксида алюминия. Научная новизна:
исследованием свойств пенных пленок, стабилизированных твердыми частицами, под действием приложенного перепада давления установлено, что толщина и характер их разрушения зависят от концентрации твердой фазы, степени агрегирования и смачиваемости частиц;
показана возможность образования бислойных пенных пленок, полученных из суспензий кремнезема (аэросила, Ludox HS-40) с исходным размером частиц -15 нм;
с помощью разработанной методики определены значения напряжения сдвига в пленках, стабилизированных твердыми частицами, и показано влияние структурообразования на устойчивость пленок и пен;
на основе сравнительного анализа разрушения пен и пленок в гравитационном поле и под действием приложенного перепада давлений объяснена устойчивость пен в зависимости от степени модификации твердых частиц;
разработан и впервые применен метод FPDT с одной пористой пластиной для исследования нестационарного синерезиса пен, стабилизированных ПАВ и твердыми частицами;
разработан оптимальный состав сорбента на основе органомодифицированного аэросила с использованием пен, стабилизированных твердыми частицами, для очистки воды от углеводородных пленок.
Практическая ценность работы. С использованием развитых научных подходов в работе предложен состав сорбента на основе пен, стабилизированных твердыми частицами, для очистки воды от углеводородных пленок.
Результаты исследования пен, стабилизированных твердыми частицами, использовались как иллюстративный материал для монографии «Стабилизация пен и эмульсий нерастворимыми порошками» (авторы: А.В. Нуштаева, Н.Г. Вилкова, С.И. Еланева, Пенза: ПГУАС, 2011. - 132 с.) и учебного пособия «Физическая и коллоидная химия: учебно-методическое пособие» (авт.: П.М. Кругляков, А.В. Нуштаева, Н.Г. Вилкова, А. А. Шумкина, Пенза: ПГУАС, 2011.
80 с.).
Принято положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ получения сорбента для удаления углеводородной плёнки с поверхности воды» (№ 2011150549/20).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
результаты исследования коллоидно-химических свойств модельных пенных пленок, стабилизированных твердыми частицами;
-
результаты исследования зависимости устойчивости пен от концентрации и степени смачиваемости твердых частиц;
-
результаты исследования влияния структурообразования в дисперсионной среде пены на ее устойчивость;
-
механизм стабилизации пен твердыми частицами различной степени гидрофобизации;
-
новый вариант метода исследования нестационарного синерезиса и результаты изучения течения в пенах, стабилизированных ПАВ и твердыми частицами;
-
состав сорбента с использованием пен, стабилизированных органомодифицированными твердыми частицами, для очистки воды от углеводородных пленок.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа (в том числе 6 публикаций в журналах ВАК).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на УІІІ Национальной конференции с международным участием «Природни Науки - 2009» (Варна, 2009); Международной научной конференции «Развитие теории и практики фундаментальных и прикладных исследований» (Пенза, 2009); Международной научно-технической конференции «Прикладные и фундаментальные науки» (Пенза, 2009); Международной научно-технической конференции молодых ученых и исследователей «Прикладные и фундаментальные науки» (Пенза, 2010); I региональной научно-практической конференции «Фундаментальные исследования в Пензенской области: состояние и перспективы» (Пенза, 2010); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Неорганические вещества и функциональные материалы» (Казань, 2010); Международной научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» (Пенза, 2011); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы естествознания» (Пенза, 2011); I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); Национальной конференции с международным участием «40 Години Шуменски университет 1971 - 2011» (Шумен, 2011).
Результаты использовались при выполнении НИР «Исследование и регулирование свойств пен, стабилизированных твердыми частицами». (Финансовая поддержка Министерства образования и науки РФ. Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственный контракт № 14.740.11.0725 от 12.10.2010).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 151 наименование. Диссертация изложена на 176 страницах, содержит 14 таблиц и 78 рисунков.
Похожие диссертации на Исследование устойчивости и синерезиса пен, стабилизированных частицами коллоидального кремнезема и гидроксида алюминия
-
