Диспергатор — устройство для диспергирования¶

Диспергатор — устройство (аппарат) для диспергирования, то есть для уменьшения размеров частиц вещества (или капель жидкости) и получения стабильных дисперсных систем: суспензий, эмульсий, паст, коллоидных растворов. Диспергаторы применяются в химической, пищевой, фармацевтической, лакокрасочной и других отраслях промышленности, а также в лабораторной практике.

¶Принцип действия

Диспергирование основано на механическом воздействии на материал — сдвиговых, ударных или кавитационных силах, — превышающем межчастичные силы сцепления. В результате крупные агрегаты и частицы разрушаются до размеров коллоидного или тонкодисперсного диапазона. Эффективность процесса зависит от конструкции рабочего органа, скорости обработки, времени диспергирования, свойств дисперсионной среды и введённых стабилизаторов.

¶Классификация

По типу воздействия на материал диспергаторы подразделяют на:

• Механические (роторные) — разрушение частиц происходит за счёт сдвига и трения между вращающимся рабочим органом (ротором) и неподвижной стенкой (статором) либо между слоями самой диспергируемой среды. Наиболее распространённая группа.
• Ультразвуковые — используют кавитацию, возникающую под действием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности (обычно 20–40 кГц). Кавитационные пузырьки, схлопываясь, создают локальные области с экстремальными давлениями и температурами, разрушающие частицы и агрегаты.
• Вибрационные — диспергирование происходит в результате высокочастотных колебаний рабочих органов.
• Струйные (жетонные) — материал разрушается при прохождении через сопло под высоким давлением или при столкновении со встречным потоком.
• Коллоидные мельницы — тонкое измельчение вязких материалов (паст, мастик, красок) между вращающимся валком и дном чаши или между валками.

По степени механизации диспергаторы делятся на лабораторные (малогабаритные, для обработки небольших объёмов) и промышленные (непрерывного или периодического действия).

¶Основные типы и их устройство

¶Роторно-статорные диспергаторы

Наиболее универсальный тип. Рабочий орган состоит из ротора (вращающегося наконечника с зубьями, прорезями или перфорацией) и статора — неподвижной насадки с отверстиями меньшего сечения. Диспергируемая жидкость многократно проталкивается через зазоры между ротором и статором, где подвергается интенсивному сдвигу, кавитации и турбулизации. Лабораторные роторно-статорные диспергаторы (гомогенизаторы) представляют собой ручной прибор с набором сменных наконечников разного диаметра, работающий от электродвигателя с регулируемыми оборотами (обычно до 25–30 тыс. об/мин). Промышленные аналоги устанавливаются в ёмкости с диспергируемой средой или встраиваются в трубопроводы.

¶Ультразвуковые диспергаторы

Основной элемент — ультразвуковой генератор и излучатель (вибратор), погружаемый в диспергируемую среду либо соединённый с потоковой камерой. Излучатель создаёт колебания с амплитудой, достаточной для возникновения кавитации. Ультразвуковые диспергаторы особенно эффективны для получения нанодисперсных систем, разрушения клеток микроорганизмов (лабораторный гомогенизатор), приготовления стабильных наночастиц и эмульсий с размером капель менее 1 мкм.

¶Коллоидные мельницы

Применяются для вязких и пастообразных материалов. Конструктивно представляют собой горизонтальный или вертикальный валок, вращающийся с зазором относительно дна чаши или второго валка. Зазор регулируется и может составлять доли миллиметра. Коллоидные мельницы используются при производстве лаков, красок, типографских красок, косметических паст, пищевых продуктов (майонез, горчица).

¶Применение

• Химическая промышленность — приготовление пигментных суспензий, лаков и красок, катализаторных паст.
• Пищевая промышленность — гомогенизация молока, получение майонезов, соусов, эмульсий жир-вода.
• Фармацевтическая промышленность — приготовление мазей, суспензий, микрокапсулированных форм.
• Микробиология и биотехнология — разрушение клеток микроорганизмов для выделения внутриклеточных компонентов.
• Строительные материалы — диспергирование пигментов и наполнителей в красках, грунтовках, полимерных композициях.
• Нанотехнологии — получение наночастиц металлов, оксидов, углеродных наноматериалов в жидких средах.

¶Показатели эффективности

Эффективность диспергирования оценивают по среднему диаметру частиц или капель (метод лазерной дифракции, электронная микроскопия), ширине частичного распределения, вязкости и стабильности полученной дисперсной системы во времени. Для количественной характеристики процесса используют понятие удельной поверхности дисперсной фазы, которая возрастает по мере уменьшения частиц.

¶Литература

• Пенкович В. Б., Синяков А. Ф. «Диспергирование в жидких средах». — М.: Химия.
• Романюк Н. П., Синяков А. Ф. «Дисперсные системы в химической технологии».
• Шкловский И. Б. «Физика дисперсных систем».
• Справочник по химической технологии / под ред. Б. С. Фридмана.