Материал, включающий более одной фазы, где по крайней мере одна из фаз состоит из тонкодисперсных фазовых доменов, часто в диапазоне коллоидных размеров, диспергированных в непрерывной фазе . [1]
Примечание 1 : Изменение определения в [2]
Дисперсия — это система, в которой распределенные частицы одного материала диспергированы в непрерывной фазе другого материала. Две фазы могут находиться в одном и том же или разных состояниях вещества .
Дисперсии классифицируются по ряду различных способов, включая то, насколько велики частицы по отношению к частицам непрерывной фазы, происходит ли осаждение или нет , и наличие броуновского движения . В общем, дисперсии частиц, достаточно больших для седиментации , называются суспензиями , тогда как дисперсии более мелких частиц называются коллоидами и растворами.
Дисперсии не имеют никакой структуры; т. е. предполагается, что частицы (или в случае эмульсий: капли), диспергированные в жидкой или твердой матрице («дисперсионной среде»), распределены статистически. Поэтому для дисперсий обычно предполагается, что теория перколяции надлежащим образом описывает их свойства.
Однако теория перколяции может применяться только в том случае, если система, которую она должна описывать, находится в термодинамическом равновесии или близка к нему. Существует лишь очень мало исследований о структуре дисперсий (эмульсий), хотя они многочисленны по типу и используются во всем мире в бесчисленных приложениях (см. ниже).
Далее будут обсуждаться только такие дисперсии с диаметром дисперсной фазы менее 1 мкм. Чтобы понять образование и свойства таких дисперсий (включая эмульсии), необходимо учитывать, что дисперсная фаза имеет «поверхность», которая покрыта («смочена») другой «поверхностью», которая, таким образом, образует интерфейс (химию) . Обе поверхности должны быть созданы (что требует огромного количества энергии), а межфазное натяжение (разница поверхностного натяжения) не компенсирует подводимую энергию, если вообще компенсирует.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что дисперсии имеют структуру, сильно отличающуюся от любого вида статистического распределения (которое было бы характерно для системы в термодинамическом равновесии ), но в отличие от этого демонстрируют структуры, похожие на самоорганизацию , которую можно описать неравновесной термодинамикой . [3] Это причина того, почему некоторые жидкие дисперсии превращаются в гели или даже твердые при концентрации дисперсной фазы выше критической концентрации (которая зависит от размера частиц и межфазного натяжения). Также было объяснено внезапное появление проводимости в системе дисперсной проводящей фазы в изолирующей матрице.
Дисперсия — это процесс, при котором (в случае диспергирования твердого тела в жидкости) агломерированные частицы отделяются друг от друга, и образуется новый интерфейс между внутренней поверхностью жидкой дисперсионной среды и поверхностью диспергированных частиц. Этот процесс осуществляется с помощью молекулярной диффузии и конвекции . [4]
Что касается молекулярной диффузии, дисперсия происходит в результате неравной концентрации введенного материала по всей объемной среде. Когда диспергированный материал впервые вводится в объемную среду, область, в которой он вводится, затем имеет более высокую концентрацию этого материала, чем любая другая точка в объеме. Это неравномерное распределение приводит к градиенту концентрации, который управляет дисперсией частиц в среде так, что концентрация постоянна по всему объему. Что касается конвекции, изменения скорости между путями потока в объеме облегчают распределение диспергированного материала в среде.
Хотя оба явления переноса способствуют дисперсии материала в объеме, механизм дисперсии в первую очередь обусловлен конвекцией в случаях, когда в объеме наблюдается значительный турбулентный поток. [5] Диффузия является доминирующим механизмом в процессе дисперсии в случаях, когда турбулентность в объеме незначительна или отсутствует, где молекулярная диффузия способна способствовать дисперсии в течение длительного периода времени. [4] Эти явления отражены в обычных реальных событиях. Молекулы в капле пищевого красителя, добавленного в воду, в конечном итоге диспергируются по всей среде, где эффекты молекулярной диффузии более очевидны. Однако перемешивание смеси ложкой создаст турбулентные потоки в воде, которые ускоряют процесс дисперсии посредством дисперсии, доминирующей конвекцией.
Термин дисперсия также относится к физическому свойству степени, в которой частицы объединяются в агломераты или агрегаты. Хотя эти два термина часто используются взаимозаменяемо, согласно определениям ISO в области нанотехнологий, агломерат представляет собой обратимую совокупность частиц, слабо связанных, например, силами Ван-дер-Ваальса или физическим запутыванием, тогда как агрегат состоит из необратимо связанных или сплавленных частиц, например, посредством ковалентных связей . [6] Полная количественная оценка дисперсии будет включать размер, форму и количество частиц в каждом агломерате или агрегате, силу межчастичных сил, их общую структуру и их распределение внутри системы. Однако сложность обычно уменьшается путем сравнения измеренного распределения размеров «первичных» частиц с распределением агломератов или агрегатов. [7] При обсуждении суспензий твердых частиц в жидких средах для количественной оценки степени дисперсности чаще всего используется дзета-потенциал , причем суспензии, обладающие высоким абсолютным значением дзета-потенциала, считаются хорошо дисперсными.
Раствор представляет собой однородную смесь, в которой диспергированные частицы не оседают , если раствор оставить в покое на длительный период времени.
Коллоид представляет собой гетерогенную смесь , в которой диспергированные частицы имеют по крайней мере в одном направлении размер примерно от 1 нм до 1 мкм или в которой в системе обнаруживаются разрывы на расстояниях этого порядка. [8]
Суспензия — это неоднородная дисперсия более крупных частиц в среде. В отличие от растворов и коллоидов, если оставить смесь в покое на длительный период времени, взвешенные частицы осядут из нее.
Хотя суспензии относительно просто отличить от растворов и коллоидов, может быть сложно отличить растворы от коллоидов, поскольку частицы, диспергированные в среде, могут быть слишком малы, чтобы их мог различить человеческий глаз. Вместо этого для различения растворов и коллоидов используется эффект Тиндаля . Из-за различных определений растворов, коллоидов и суспензий, представленных в литературе, трудно обозначить каждую классификацию конкретным диапазоном размеров частиц. Международный союз теоретической и прикладной химии пытается предоставить стандартную номенклатуру для коллоидов как частиц в диапазоне размеров, имеющих размер примерно от 1 нм до 1 мкм. [9]
Помимо классификации по размеру частиц, дисперсии также можно классифицировать по комбинации дисперсной фазы и фазы среды, в которой взвешены частицы. Аэрозоли — это жидкости, диспергированные в газе, золи — это твердые вещества в жидкостях, эмульсии — это жидкости, диспергированные в жидкостях (точнее, дисперсия двух несмешивающихся жидкостей), а гели — это жидкости, диспергированные в твердых телах.
Молоко является часто приводимым примером эмульсии , особого типа дисперсии одной жидкости в другой жидкости, где две жидкости не смешиваются. Молекулы жира, взвешенные в молоке, обеспечивают способ доставки важных жирорастворимых витаминов и питательных веществ от матери к новорожденному. [10] Механическая, термическая или ферментативная обработка молока изменяет целостность этих жировых шариков и приводит к широкому разнообразию молочных продуктов. [11]
Сплав с оксидной дисперсией (ODS) является примером дисперсии оксидных частиц в металлической среде, что улучшает устойчивость материала к высоким температурам. Поэтому эти сплавы имеют несколько применений в ядерной энергетике, где материалы должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры для поддержания работы. [12]
Деградация прибрежных водоносных горизонтов является прямым результатом проникновения морской воды в водоносный горизонт и рассеивания в нем после чрезмерного использования водоносного горизонта. Когда водоносный горизонт истощается для использования человеком, он естественным образом пополняется грунтовыми водами, поступающими из других областей. В случае прибрежных водоносных горизонтов водоснабжение пополняется как с сухопутной границы с одной стороны, так и с морской границы с другой стороны. После чрезмерного сброса соленая вода с морской границы попадет в водоносный горизонт и рассеется в пресноводной среде, что поставит под угрозу жизнеспособность водоносного горизонта для использования человеком. [13] Было предложено несколько различных решений для проникновения морской воды в прибрежные водоносные горизонты, включая инженерные методы искусственного пополнения и установку физических барьеров на морской границе. [14]
Химические диспергаторы используются при разливах нефти для смягчения последствий разлива и содействия деградации частиц нефти. Диспергаторы эффективно изолируют лужи нефти, находящиеся на поверхности воды, на более мелкие капли, которые рассеиваются в воде, что снижает общую концентрацию нефти в воде, предотвращая дальнейшее загрязнение или воздействие на морскую биологию и прибрежную дикую природу. [15]