В дальнейшем данные по количественным соотношениям между фракциями используют для построения кривой распределения частиц по размерам. Кривые распределения являются важнейшей технологической характеристикой дисперсных систем, в том числе пищевых продуктов. По ним, например, можно судить о степени гомогенизации пищевых продуктов при тех или иных условиях. На рис. 12.7 приведены кривые распределения шариков жира в молоке по размерам в зависимости от давления гомогенизации.
Рис.12.7. Кривые распределения шариков жира по диаметру в зави-симости от давления гомогенизации [8]:
1 – молоко негомогенизированное (контроль); 2, 3, 4 – молоко гомогенизированное при давлении соответственно 10, 15 и 20 МПа
Очень часто седиментационное равновесие изучают в условиях центрифугирования исследуемой системы. В поле действия центробежных сил седиментационное равновесие обычно характеризуют концентрационным распределением по длине центрифужной пробирки.
Центрифугирование
Центрифугирование позволяет, не вызывая серьезных изменений в дисперсионной среде, значительно ускорить седиментацию частиц, которые в гравитационном поле осаждаются очень медленно. Центрифугирование успешно применяют вместо фильтрования в случае веществ, которые могут забить поры фильтра. Кроме того, этот метод удобен для разделения эмульсий, образование которых затрудняет выполнение жидкостной экстракции.
Теоретические основы метода
В основе метода лежат следующие важнейшие положения, которые вытекают из уравнения (3.24), описывающего скорость осаждения частиц дисперсной фазы:
- Более массивные и плотные частицы должны двигаться быстрее.
- Скорость движения частицы снижают увеличение плотности среды и коэффициент трения.
Поэтому оценка скорости движения частиц дисперсной фазы составляет основную задачу исследования методом центрифугирования. Чтобы унифицировать исследования данных по скорости седиментации обычно седиментационные свойства рассматривают в зависимости от величины скорости осаждения чакстиц деленной на центробежное ускорение, т. е. константы седиментации (Ssed):
(12.3)
где r - расстояние от частицы до центра вращения, t - время осаждения, G- центробежная сила.
Грубую оценку времени центрифугирования достаточного для разделения дисперсной системы можно выполнить по следующему уравнению:
(12.4)
где t - время за которое частица с плотностью r пройдет расстояние от точки с радиусом вращения х1 до точки с радиусом вращения х2, w - угловая скорость вращения (рад/с), К- константа, характерная для частиц определенной конфигурации. Эта константа для сферических частиц равна 2/9 или 0,222, а для частиц неправильной формы, например природных фосфатов К=0,154.
Пример расчетов по данным центрифугирования
Надо оценить время, за которое на дно центрифужной пробирки, удаленное на 20 см от центра вращения осядут частицы, которые имеют плотность 1,05, радиус 0,25 мк и находятся на поверхности воды, удаленной от центра вращения на 10 см. Вода имеет плотность 0,998 и вязкость 1,005 спз. Скорость вращения центрифуги равна 3 000 об/мин.
Оценка угловой скорости приводит к результату: w= 2p×(3000/60) =314.
Форму частиц принимаем сферической. Тогда вычисления по уравнению (12.4) показывают, что:
Таким образом, при заданных условиях частица может достигнуть дна пробирки только через 2,75 час центрифугирования. Подобным расчетом можно показать, что увеличение числа оборотов до 30 000 об/мин позволяет сократить время осаждения дисперсной фазы до 2 мин.
Аппаратура и техника исполнения
Исследуемую систему заливают в специальные пробирки и центрифугируют с заданной скоростью вращения ротора, на котором крепятся пробирки с образцом. Под действием центробежной силы частицы дисперсной фазы начинают осаждаться. В результате этого жидкость делится на два слоя: сверху чистый растворитель, а снизу мутная дисперсная система.
Надо отметить, что под растворителем понимается дисперсионная среда. Пусть, например, дисперсная фаза находится в воде, тогда растворителем следует считать воду, а если вода содержит KCl, то в этом случае растворителем будет раствор KCl заданной концентрации.
Существуют два основных типа центрифуг: препаративные и аналитические. Препаративные центрифуги предназначены главным образом для отделения и очистки дисперсной фазы. Выделение коллоидных частиц начинается при скорости вращения порядка 30 тыс. об/мин. Для непрерывного разделения дисперсных систем применяют проточные центрифуги. Главной частью таких центрифуг является трубчатый ротор, который может вращаться со скоростью от 30 тыс. до 50 тыс. об/мин. При помощи центрифуг подобного типа можно успешно обрабатывать большие количества разбавленных коллоидных систем и собрать достаточное количество материала.
Аналитические центрифуги снабжены оптической системой, которая позволяет оценивать распределение концентраций полимера в любой момент времени. Наиболее часто используется оптическая система, способная отслеживать перемещение границы раздела между чистым растворителем и мутной дисперсной системой по показателю преломления.
Аналитические центрифуги широко используют для анализа растворов полимеров. Успешно с их помощью исследуют растворы молочных белков.
Контрольные вопросы
1. Экспериментально установленное значение s 20, В для чистого белка в 0,2 н растворах KJ и КNO3 отличаются примерно на 10 %. Чем можно объяснить такое различие?
2. Что такое кривая распределения? Можно ли данные для кривой распределения получить на основе результатов центрифугирования?
3. Почему центрифугирование оказывается более предпочтительным для исследования лиофильных золей, чем метод седиментации в гравитационном поле?
4. Приведите примеры пищевых продуктов, дисперсный анализ которых следует выполнять методами центрифугирования.
12.3. Исследование дисперсионной среды
12.3.1. Ионометрия
Ионометрия исследование состава дисперсной системы с помощью мембранных ионоселективных электродов, потенциал которых измеряют относительно подходящего электрода сравнения.
Иономерия относится к методам исследования не разрушающим образец. Поэтому она широко применяется для непрерывного контроля состава дисперсионной среды in sitn (внутри объекта исследования). В настоящее время существует значительное количество аттестованных методик ионометрического определения ионов в различных биологических средах. Для примера в табл. 12.6. сопоставлены нормативы ПДК в Новосибирской области для сточных вод разного качества и интервалы ионометрических определений некоторых ионов с помощью аттестованных методик.
Таблица 12.6.
Нормативы ПДК и интервалы ионометрических определений [12]
Ион | Интервал для очищенной | ПДК, мг/л для воды | ||
сточной воды*, мг/л | питьевой | сточной | рыбхоз. назначения. | |
Аммоний | 0,4 ÷ 180 | 0,5 | 8,0 | 0,5 |
Медь | 1,0 ÷ 100 | 0,1 | 0,001 | |
Нитрат | 0,14÷ 1400 | 10 | 10,4 | 40,0 |
рН | 1 ÷ 12 | 6,0 ÷ 9,0 | - | - |
Фторид | 0,1 ÷ 1900 | 0,7 ÷ 1,5 | 3,3 | 0,05 |
*ПДК для сточных вод Новосибирской области
Теоретические основы метода
На рис. 12.8. даны принципиальная схема мембранного ионселективного электрода (ИСЭ) и устройство измерительной ячейки.
Рис. 12.8. Схема измерительной ячейки
Входящие в электрод мембраны обладают избирательной ионной проводимостью, поэтому через нее могут проходить ионы только одного типа по направлению к раствору с меньшей активностью этих ионов. На поверхности мембраны возникает потенциал, который препятствует дальнейшему перемещению ионов и способствует установлению равновесия на границе раствор - мембрана. В самом общем виде полуэмпирическое выражение для потенциала мембранного электрода Е можно представить уравнением Никольского:
(12.5)
где Eo’ - формальный потенциал индикаторного электрода; S - крутизна электродной функции, равная RT/zF; ai и aj - активности ионов определяемого и фона соответственно; Ki,j - коэффициенты селективности по отношению к отдельным ионам фона; zi и zj -заряды определяемого иона и соответствующего иона фона.
Если мембрана обладает высокой селективностью по отношению к i- тому типу ионов, тогда ai» Ki,j и уравнение Никольского упростится до уравнения Нернста, которое используется в ионометрии в следующем виде:
E =Eo’ + S lg (yx cx) (12.6)
где: yx и cx - соответственно коэффициент активности и концентрация определяемых ионов в растворе пробы с маскирующим веществом;
.
Аппаратура и техника измерений
Ионоселективные электроды в зависимости от природы мембраны могут быть различных типов, в том числе: пленочные, стеклянные, на основе монокристаллов или смеси мельчайших кристаллов и др. Схемы устройства часто встречающихся типов электродов представлены на рис. 12.9.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 |
Основные порталы (построено редакторами)