Kolloidkémia9. Előadás

Aeroszolok, habok és emulziók

1Szőri Milán: Kolloidkémia

Kolloid rendszerek(szerkezet alapján)

2Szőri Milán: Kolloidkémia

Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban

Diszperziók típusai

Diszpergáltfázis

Diszperziós közeg

Név Példák

folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray

szilárd gáz szilárd aeroszol füst

gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab

folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém

szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta

gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab

folyadék szilárd szilárd emulzió opál

szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek

3Szőri Milán: Kolloidkémia

Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban

Diszperziók típusai

Diszpergáltfázis

Diszperziós közeg

Név Példák

folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray

szilárd gáz szilárd aeroszol füst

gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab

folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém

szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta

gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab

folyadék szilárd szilárd emulzió opál

szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek

4Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek

• Köd: Légnemű közegben folyadékcseppek

• Füst: Légnemű közegben szilárd részecskék

Szilárd részecskék nagy felülettel rendelkeznek (folyadékkondenzáció)

Kevert folyadék szilárd mikrofázis is kialakulhat

• Aerodiszperz rendszerek (méretük szerint):• Mikroszkópikus

• Szubmikroszkópikus (aeroszolok)

https://allaboutaerosol.com/aerosol-in-the-atmosphere/5Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek előállítása I.

• Ködök:• Mechanikai diszpergálás: a folyadékot szívó- vagy nyomóerővel vékony csövön

vagy résen kényszerítik át• Ultrahangos diszpergálás: kavitációs elven

• Füstök és porok:• Szárazőrlés + szétoszlatás:

• Probléma: • csak meghatározott méretig • aprítás vs. aggregáció (aprítási ellenállás)• Antiadhezív (trietanol-amin, Ca-sztearát)

• Kondenzáció: • Góchatás (elektromos tér, nagy fajlagos felület)• „chemtrail”

http://bonairshop.hu/boneco-7131kek-ultrahangos-hidegparasito-feher-vagy-kek/46https://en.wikipedia.org/wiki/Triethanolaminehttp://kardialgut.de/faqs.23.1.htmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Chemtrail_conspiracy_theory

Ultrahangos hidegpárásító (2,4 MHz)

Ca-sztearát

Trietanol-amin

6Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek élettani hatása I.

• „Aerosolum” gyógyszerkészítmények:3,0 μm > d > 0,5 μm részecskék 50%-a felszívódik a nyálkahártyán keresztül

Chauvin, Panthenol aerosolum 130.0http://shop-8041.ecom20.com/panthenol-aerosolum-130-0.3804.pd?l=en

The Lancet, 2011, 377, 1032–1045 7Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek élettani hatása II.

Kémiai összetétel fontos!Mérgező komponensek gyors felszívódása a tüdő nyálkahártyáján !!!

Pl.: Cd-, Hg-tartalomhttp://www.mhhe.com/biosci/genbio/tlw3/eBridge/Chp29/animations/ch29/1_nitrogen_cycle.swf

Aerodinamikai átmérő

PM10 ≤10 µm

PM2.5 ≤2,5 µm

PM1 ≤1 µm

UFP ≤0,1 µm

PM10PM2.5

PM1

8

• Szálló por mint környezetszennyező:

Szőri Milán: Kolloidkémia

Szálló por mérése

9

kalibráló (SONIMIX 6000C2)

PM10/PM2.5 (PM101M)

PM10: 10 μm-nél kisebb szálló porrészecskék koncentrációja PM2.5: 2,5 μm-nél kisebb szálló porrészecskék koncentrációja

Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek állandósága

• Ülepedés sebessége (Stokes-Cunningham-összefüggés):

𝑣ü𝑙𝑒𝑝𝑒𝑑é𝑠 =2𝑟2 ρ𝑆 − ρ𝐺

9η𝐺(1 + 𝐴

λ

𝑟)

• Az eloszl(at)ás állandósága kicsi, mert:• η𝐺 kicsi

• ρ𝑆 − ρ𝐺 nagy

• Nem akkora gond, mert jellemzően az aeroszolok megszüntetése a cél.

10Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek megszüntetése I.

• Mechanikai leválasztók:• Porkamrák:

• Lassú áramoltatás• Nagy helyigény• Durva méretű porok leválasztása (d>50 μm)• Hatásfok < 50%• Elő-leválasztóként használják

• Ciklonok:• Nagy sebesség • Részecskék spirál alakban áramolnak,

falhoz ütközve kiválnak

• Multiciklonok:• Párhuzamosan kapcsolt ciklonok

multiciklonhttp://www.aircontrolsystemsindia.com/multi-cyclone-fans.htmlhttp://www.metso.com/products/separation/cyclonic-air-classifiers/https://en.wikipedia.org/wiki/Dust_collector

11Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek megszüntetése II.

• Nedves mosók:• Porok mellett gázszennyezők eltávolítására (kohászat & vegyipar)

• Porszemcséket folyadékkal nedvesítik és a mosófolyadékkal távoznak

• Technikák:• Átbuborékoltatással

• Vízgőzön kondenzálással

• Folyadékcseppekkel ütközve

• Sorosan kötve egyéb gáztisztítóval

http://jacobsairwater.com/jaws-chemical-scrubber-systems/http://www.spray-nozzle.co.uk/spray-nozzles-by-industry/pollution-control/gas-scrubbing

12Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek megszüntetése III.

• Szűrőberendezések:• Pórusos anyagon vezetik át a tisztítandó

ipari gázt

• Anyaga: szövet, rostos, ömlesztett vagy zsugorított anyagok

• Portalanítási hatásfok > 95% (!)

• Leválasztás akár 1 μm>d>0,001 μm

• Korlátozott hőmérséklet tartomány

• Rövid élettartam

https://camfilapc.com/uploads/ckeditor/attachments/316/hemipleat-nano.pdf

13Szőri Milán: Kolloidkémia

Aerodiszperz rendszerek megszüntetése IV.

• Elektromos (és akusztikai) berendezések:• Elektromos erőtérben (U=10 000V)

porrészecskék feltöltődnek

• Elektródok között ionizálódnak

• Kollektoron felhalmozódnak

• A porrészecskék elválasztása (periodikus rázás, áramkikapcsolás)

• Koagulátorként is működtethetőek

http://www.uas-inc.at/shhttps://de.wikipedia.org/wiki/Elektrofilter

14Szőri Milán: Kolloidkémia

Ipari gáztisztítási eljárások összehasonlítása

http://www.particles.org.uk/particle_technology_book/chapter_14.pdf

15Szőri Milán: Kolloidkémia

Házi gáztisztítási eljárások (porszívók)

16Szőri Milán: Kolloidkémia

Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban

Diszperziók típusai

Diszpergáltfázis

Diszperziós közeg

Név Példák

folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray

szilárd gáz szilárd aeroszol füst

gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab

folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém

szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta

gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab

folyadék szilárd szilárd emulzió opál

szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek

17Szőri Milán: Kolloidkémia

Gázdiszperziók és habok

• Gázdiszperzió: durva diszperz rendszerek, amelyek folyékony közegében diszpergált állapotú gáz található

• Hab: gázra nézve tömény gázdiszperzió, ahol a közeg folyadék hártyaként jelenik meg (gömbhab/poliéderes hab)

Europhys. Lett., 2006, 76, 683–689.18Szőri Milán: Kolloidkémia

Gázdiszperziók és habok előállítása I.

• Diszpergálással:• Buborékoltató módszer:

a buborékoláshoz szükséges nyomás (küszöbnyomás):

𝑝 =2𝛾𝐿𝑟

• A egységnyi felületen lévő pórusok száma (r a kapilláris sugár)

• Felületi feszültség (kapilláraktív anyagok)

• Keverő módszer:• Keveréssel rázással áramoltatással diszpergálunk

• Kombinálhatóak

http://www.szeretlekmagyarorszag.hu/millionyi-szappanbuborek-szallt-a-szigeten/19Szőri Milán: Kolloidkémia

Gázdiszperziók és habok előállítása II.

• Kondenzációval:• Fizikai kondenzáció:

• Pl. csapból kiengedett víz (menza@ME)

• Kémiai kondenzáció:• Pl. gázfejlődéssel járó reakciók

• Pl. hő hatására folyadékban gáz keletkezik tűzálló felületaktív anyagokból hab képződik (tűzoltóhab)Habbal oltó: Na-alkil-szulfát, perfluoro-oktánsav(PFOA), perfluoro-oktánszulfonát (PFOS)

https://en.wikipedia.org/wiki/Perfluorooctanoic_acidhttp://www.crccare.com/knowledge-sharing/pfos-and-pfoa-guidelines

Aqueous film forming foams (AFFF)20Szőri Milán: Kolloidkémia

Gázdiszperziók és habok állandósága

• A gázdiszperziók termodinamikailag instabilak• Kolloidállandóságuk is kismértékű:

• Koaguláció: buborékok egyesülnek• Disszolúció: gáz feloldódik a folyadékban• Tiszta folyadékban stabilis habot nem lehet létrehozni

• Stabilizálás (vö. DLVO):• Tenzidek:

• Anionos felületaktív anyagok (pl.: alkáliszappan) + glicerin• Makromolekulák:

• Fehérjék (protein és fluoroprotein oltóhabok)• Finomszemcsés szilárd anyagok:

• Grafit• Szénpor• Fém-szulfidok

21

glicerin

Felületaktív anyagok csoportjai:

https://hu.wikipedia.org/wiki/Glicerinhttp://knowledge.ulprospector.com/3106/pc-surface-active-agents-surfactants/

Szőri Milán: Kolloidkémia

Habok jellemzése

• Habkiadósság: megadja, hogy egy bizonyos mennyiségű habképző anyagot tartalmazó oldatból milyen térfogatú hab képződött. • Nehézhab: ha a habkiadósság 5-20• Középhab: ha a habkiadósság 20-200• Könnyűhab: ha a habkiadósság 200-1500

• Habállandóság: a habtérfogat idővel csökken 𝑉 𝑡 = 𝑉0𝑒

−𝑘𝑡

𝑡1/2 = 𝑙𝑛2/𝑘• Befolyásoló tényezők:

• Folyadék felületi feszültsége• Folyadék viszkozitása (maximum görbe)• Folyadékhártya szerkezete• Hab előállítási módja is befolyásolja:

• Statikus habállandóság: nincs habképzés mechanikai hatással• Dinamikus habállandóság: habképzés folyamatos

22http://braukaiser.com/blog/wp-content/uploads/2012/06/pitching_rate_tasting-1.jpghttp://www.ventor.hu/rendszerek/habbal-oltok/

Szőri Milán: Kolloidkémia

Habok megszüntetése

• Hab megjelenése káros is lehet. Pl.:• Gombatörzsek oxigénellátását zavarja a penicillingyártásakor• A nyers cukorlé tisztítás során cukoriparban

• Habzásgátló (később HLB):• Habképzőkkel nem habképző vegyületek képzése:

Na-, K-szappanok + Al2O3

nyers cukorlé + T + égetett mész/mésztej (koagulálás + lecsapás)• Erősen felületaktív, nem habképzők adagolása:

• leszorítják habképzőket a felületről:• Hosszú szénláncú alkoholok, karbonsavak vizes diszperziói• alkil-polisziloxánok (szilikonok)

• poliakil-glikolok (PAG): polietilén glikol és polipropilén glikol kopolimerek

• Alkil-poliakrilátok

• Kombináltan is lehet23

polialkil-glikol (PAG)

Szilikonos

Al2O3

http://www.water-treatmentchemical.com/sale-7651454-al2o3-30-poly-aluminum-chloride-powder-settling-flocculant-chemicals.htmlhttp://olaszsped.com/index.php?main_page=product_info&products_id=493

polidimetilsziloxán

Szőri Milán: Kolloidkémia

Habok gyakorlatban I.

• Flotálás:• Szennyvíztisztás

• Ércfeldolgozás• Cél: buborékokból képződő hab (gyűjtőanyag) az őrléssel előkészített kőzetből minél több

értékes anyagot vigyen magával

• Adszorpció a három határfázisú élen játszódik le, ehhez trifil molekulára van szükség

• Xanátok:

24https://www.youtube.com/watch?v=6kFONdchY0U

Nátrium-etil-xanát

levegő

oldat

kőzet

Szőri Milán: Kolloidkémia

Habok gyakorlatban II.

• Olajipari felhasználás:• Kőolajtelepek harmadlagos kitermelése

• Csökkenjen a felületi feszültség (kapillárisnyomás) és nőjön az olaj mobilitása:• Szerves savat tartalmazó olajokba szappanképzőket injektálnak

• Vízoldható polimerek növelik a lepréselt víz viszkozitását

• Szulfonátok vagy biológiai eredetű felületaktív anyagok (ramnolipidek) lesajtolása

25ramnolipidJournal of Surfactants and Detergents, 2015, 18, 887–893.http://epa.oszk.hu/00000/00028/00055/pdf/EPA00028_msz_2014_63_26-33.pdf

Szőri Milán: Kolloidkémia

Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban

Diszperziók típusai

Diszpergáltfázis

Diszperziós közeg

Név Példák

folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray

szilárd gáz szilárd aeroszol füst

gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab

folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém

szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta

gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab

folyadék szilárd szilárd emulzió opál

szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek

26Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulziók és típusaik

• Mind a diszpergált anyag, mind a diszperzió közeg az adott hőmérsékleten folyadék halmazállapotú

• Csoportosítás méret szerint:

• Fázisok jelölése emulzió típusok:

O: lipofil V/W: hidrofil

27O/V V/O V/O/V O/V/O

Chem. Commun., 2014, 50, 11871—11874.J. Sci. Technol., 2014, 36, 651-661.http://www.keywordpictures.com/keyword/microemulsion/

μE

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulziók előállítása I.

• Diszpergálás (emulgeálás):• A folyadék-folyadék határréteg feszültsége

ellen kell munkát végezni:• Rázás• Keverés • Dörzsölés• Homogenizátorok• Kolloidmalmok• Ultrahanggal• Hőenergiával• Elektromos energiával

• Kondenzáció:• Weimarn-féle oldószercsere

28https://dspace.lboro.ac.uk/dspace-jspui/handle/2134/10605

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulziók előállítása II.

• Emulzió jellege, típusa a külső megjelenés alapján nem határozható meg (nem a fázisarány határozza meg):• Hígítási próba

• Emulziócsepp csak a diszperzióközeggel folyik össze

• Megfestés• V: metilénkék

• O: szudánvörös

• Vezetőképesség-mérés

29Food Hydrocolloids 2015, 48, 17-26.

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulgeátorok I.

• Megfelelő töménységű és állandóságú emulziókat csak stabilizátor (emulgeátorok) segítségével nyerhetünk (csökkentik a határréteg feszültségét)

• Az emulgeátorok befolyásolják döntően az emulzió típusát:• Bancroft-szabály: az lesz a diszperzióközeg

amelyben az emulgeátor jobban oldódik

• Hidrofil-lipofil egyensúly (HLB)• Davies módszer

• Griffin módszer

30

Habzásgátló (2-3)

V/O emulgeálószer (3-6)

Nedvesítőszer (7-9)

O/V emulgeálószer (8-16)

Mosószer (13-15)

Szolubilizálószer (15-18)

Hidrofil(vízoldható)

Lipofil

Diszperzió vízben

HLB skála Alkalmazási területVízoldhatóság

https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrophilic-lipophilic_balanceSzőri Milán: Kolloidkémia

Az emulzióhoz megfelelő optimális HLB érték

• Griffin módszer (tenzidkeverék HLB-je):

𝐻𝐿𝐵 =(𝐻𝐿𝐵𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙𝑎,𝑖∙ 𝑤𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙𝑎,𝑖)

• Adott HLB tenzidkeverék:

𝑤1% = 100%𝐻𝐿𝐵𝑘𝑒𝑣𝑒𝑟é𝑘 − 𝐻𝐿𝐵𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑑,2𝐻𝐿𝐵𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑑,1 − 𝐻𝐿𝐵𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑑,2

Szőri Milán: Kolloidkémia 31

http://www.firp.ula.ve/archivos/historicos/76_Book_HLB_ICI.pdf

http://www.al-nasir.com/www/PharmCalc/exec_calc.php?ID=hlb

A táblázat tapaszatlaton alapszik:csak keverővel, <20 w% O fázisHLB bizonytalansága 1 HLB egység

Emulgeátorok II.

• Emulziós szám:

𝐸𝑠𝑧 =𝑉𝐸 − 𝑉0𝑉𝐸

100%

• Centrifugálással felgyorsítható a fázisszétválást (külön emulziós szám)

32

VE: emulgeált olaj térfogataV0: adott idő után elkülönült olaj térfogata

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulgeátorok (vö. DLVO)

• Tenzidek:• Anionos:

• zsírsav és fémionok hozzáadásával in situ• Fémion hozzáadásával in situ (ha O fázisban már van zsírsav)

• Kationos:• alkil.-ammónium és alkil-piridinium sók

• Nemionos :• Zsíralkoholok• Részben észterezett alkoholok

• Makromolekulás anyagok:• Polimer szénhidrátok (pektinek, alginátok)• Cellulózszármazékok (metil-cellulóz)• Proteinek (kazein, albumin)• Szintetikus (PVC)

• Szilárd őrlemények (Pickering emulziók)• Keverékemulgeátorok

33

Lecitin (O/V)

Koleszterin (V/O)

Arahidil-alkohol (O/V)

Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 2013. 439, 23–34.

Szilárd részecskék

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulzió átcsapása

• Emulzió átcsapása (Fázisinverzió): • emulgeátor liofilitását megváltoztatjuk

• Na-szappan stabilizált emulzió + BaCl2 → Ba-szappan inverz emulzió

34http://biomedfrontiers.org/infection-2013-11-51/Soft Matter, 2011, 7, 2297–2316https://butterysaltedcaramel.wordpress.com/2016/05/31/water-ganache/

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulziók állandósága I.

35http://soft-matter.seas.harvard.edu/index.php/Emulsions

Érés (öregedés)

( )közegdiszperzió

közegdiszperziócseppcsepp

ülepedés

grv

9

22

−=

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulziók állandósága II.

• FázisdiagramEmulzió stabilitás emulgeátor koncentrációjától maximumgörbe szerint változik

36http://mathmodelingfall2007.pbworks.com/w/page/20545446/Week%20Two%20QuestionsJ. Agric. Food Chem. 2013, 61, 2130−2139

Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulziók megszüntetése (demulgeálás)

• Fontos: tej →vaj

• Mechanikai demulgeálás:• Szűrés:

• O/V esetén: poláris szűrő (kvarc, agyag)• V/O esetén: apoláris szűrő (gumi)

• Centrifugálás (centrifugák, szeparátorok)• Ultrahang

• Kémiai demulgeálás:• Többértékű ionok hozzáadásával (Al3+, Fe3+)

• Külső állapotjelzők megváltoztatásával:• T emelése• Elektromos áram)

37Szőri Milán: Kolloidkémia

Emulziók gyakorlati szerepe• Bőripar:

• Bőr impregnálása: O/V emulzió stabilizálnak a bőrfelületen

• Kozmetikai ipar:• V/O: zsíros krémek• O/V: száraz vagy nappali krémek

• Papíripar:• Gyanta és paraffin emulziók behatolnak a cellulózrostok közé Al3+-os koaguláció, így szilárdabb és vízhatlanabb papírt állítanak elő

• Lakk és festékipar:• Filmképző makromolekulás gyanta emulgeált formában van jelen

• Gépipar és autógyártás:• CNC fúróknál emulzió: kenés + nagy hőkapacitás• Motorolajok

• Növényvédőszerek:• Hatóanyagot szerves oldószerben oldják + tenzid (felhasználás előtt vízzel hígítják)

• Gyógyszeripar• …

• Élelmiszeripar:• Tej: O/V emulzió (kazein az emulgeátor)

• Idővel a pH-ja csökken pH=4,7-nél a koagulál → aludttej• Tej fölöződés → tejföl (V/O)• Tej fölöződés szeparátorok segítségével → vaj (V/O) 38

Food Hydrocolloids 2010, 24, 259–265.

Szőri Milán: Kolloidkémia

39Szőri Milán: Kolloidkémia