Физико-химические основы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1. Раскройте сущность электрокинетического  химического  потенциала           3

2. Какие параметры входят в уравнение электроплазмолиза?  5

3. Дайте систему уравнений для описания расчета  пакетных  отстойников          8

4. Назовите основные  преимущества использования льда  как адсорбента многократного  использования        10

Список литературы        11

 

 

1. Раскройте сущность  электрокинетического химического  потенциала

 

Протекание электрокинетических  явлений в дисперсных системах возможно при наличии на границе раздела фаз двойного электрического слоя, имеющего диффузное строение. При относительном смещении фаз происходит разрыв двойного  электрического слоя по плоскости.

Например, разрыв двойного слоя может произойти вследствие седиментации или броуновского движения частиц дисперсной фазы. Плоскость скольжения обычно проходит по диффузному слою, и часть его ионов остаётся в дисперсной среде. В результате дисперсионная среда и дисперсная фаза оказываются противоположно заряженными. Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыве части диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом или  -потенциалом. Дзета-потенциал, отражая свойства двойного электрического слоя, характеризует природу фаз и межфазного  взаимодействия. Т.к. плоскость скольжения может находиться на разном расстоянии от межфазной поверхности, а это расстояние зависит от скорости движения фаз, вязкости среды, природы фаз и других факторов, то соответственно от всех этих факторов зависит и значение электрокинетического потенциала. Все факторы, влияющие на толщину диффузного слоя, вызывают изменение -потенциала.

 

 

 

При подобных оценках  обычно принимают, что  .  Из данного соотношения следует, что понижение температуры, введение в систему индифферентного электролита (специфически не взаимодействующего с поверхностью) и увеличение заряда его ионов ведут к уменьшению электрокинетического потенциала. Этот потенциал будет снижаться и с уменьшением диэлектрической проницаемости среды, например, при добавлении в водный раствор спиртов, эфиров и других органических веществ.

Электрокинетический потенциал, безусловно, сильно зависит от природы поверхности контактирующих фаз. В этом отношении можно выделить два крайних положения: активные и инертные поверхности. Активную поверхность имеют полиэлектролиты –полимеры, содержащие неионогенные группы, степень диссоциации которых и определяет заряд поверхности. К веществам, имеющим поверхности с ионогенными группами, можно отнести и многие неорганические оксиды (оксиды кремния, алюминия, железа и др.). На таких поверхностях -потенциал может достигать высоких значений (100мВ и более). Инертные поверхности (графит, масла и др.) лишены ионогенных групп, заряд на них возникает в результате специфической адсорбции ионов.

Специфическая адсорбция может  вызвать и уменьшение  -потенциала, если адсорбируются противоионы, т.к. они имеют заряд, противоположный заряду поверхности. Такая адсорбция может привести к перезарядке поверхности.

Значительное влияние на -потенциал оказывает рН среды, поскольку ионы Н⁺   и ОН^- обладают высокой адсорбционной способностью. Особа велика роль рН среды в тех случаях, когда в контакте с водным раствором находится амфотерное вещество и при изменении кислотности среды возможна перезарядка фаз.

Можно предполагать, что при разбавлении  всякой коллоидной системы  -потенциал должен возрастать, т.к. толщина двойного электрического слоя увеличивается в результате уменьшения концентрации противоионов в растворе. При разбавлении может наблюдаться десорбция потенциалопределяющего иона с поверхности дисперсной фазы, что должно приводить к падению -потенциала и соответственно -потенциала. Концентрирование коллоидной системы обуславливает, конечно, прямо противоположное действие. В каком направлении в итоге изменяется -потенциал при изменении концентрации коллоидной системы, очевидно, определяется тем, влияние какого из двух факторов –утолщения (сжатия) двойного электрического слоя или десорбции (адсорбции) потенциалопределяющих ионов –в данном конкретном случае окажется сильнее.

-потенциал дисперсной фазы  тем больше, чем больше полярность  растворителя, которая характеризуется  его диэлектрической проницаемостью  дипольным моментом.

Определяемые с помощью электрокинетических  явлений знак и значение -потенциала широко используется для характеристики электрических свойств поверхности. При рассмотрении адсорбции, адгезии, агрегативной устойчивости дисперсных систем, структурообразования в материалах и других важных процессах.  При этом потенциал диффузной части двойного электрического слоя обычно принимают приблизительно равным -потенциалу. Например, определение изоэлектрической точки (рН_иэт ) по нулевому значению -потенциала.

 

2. Какие параметры входят  в уравнение электроплазмолиза? 

 

К процессам электроконтактной  обработки пищевых продуктов  можно отнести электроплазмолиз, который  предназначен для интенсификации прессового способа извлечения сока из растительного сырья. К настоящему времени изучению этого процесса и его модификациям посвящено значительное  количество работ. Такие обширные исследования стали возможны после того, как были сформулированы основные положения плазмолитической теории сокоотдачи, суть которых сводится к следующему: сокотдача растительного сырья зависит от первоначальной степени проницаемости протоплазменной оболочки и от способности последней противостоять внешним воздействиям в процессе предварительной обработки и прессования. Поэтому, любые внешние воздействия, направленные  на повреждение протоплазмы и увеличение её проницаемости, должны приводить, в конечном итоге, к повышению сокоотдачи.

Содержание сока в плодах и овощах достигает 90-95%, однако, при их переработке  в условиях производства выход сока часто составляет лишь 50-60%.

Существует множество методов  повреждения оболочек, приводящих к  увеличению выхода сока: механические, термические, ферментные, лучевые и  др. Однако, электрический метод  имеет ряд  существенных преимуществ  перед другими и, в первую очередь, он отличается простотой аппаратурного оформления и минимальным временем обработки. Установлено, что при предварительной обработке растительного сырья переменным током промышленной частоты напряжением 220В происходит практически мгновенная гибель протоплазмы, при этом клеточная проницаемость увеличивается и сокоотделение  при последующем прессовании возрастает.

Электроплазмолиз в отличие  от термоплазмолиза не вызывает разрушения клеточных стенок и поэтому исключает  переход пектиновых веществ в сок, а также способствует разрыву плазменных оболочек на более крупные частицы, которые легко задерживаются клеточными стенками при извлечении сока, что также положительно сказывается на выходе сока.

Эффективность электроплазмолиза  зависит от ряда факторов: градиента напряжения, длительности обработки, температуры и электрофизических свойств сырья. Следует отметить, что конечный эффект электроплазмолиза не зависит от частоты электрического тока. Выбор частоты предопределяется в основном электролитическими соображениями, в то же время этим моментом исследователи явно пренебрегают.

Электропроводность растительной ткани при электроплазмолизе  увеличивается, так как дискретность электрических свойств клетки по мере её разрушения сглаживается. Вследствие этого значения тока при электроплазмолизе должны быть экстремальными; при этом максимум тока соответствует полному разрушению протоплазменных оболочек. Это положение использовано как метод исследования процесса электроплазмолиза различных видов сырья путём осциллографирования. Анализ осциллограмм даёт  возможность определить время, которое проходит от начала пропускания тока до достижения им максимальной величины. Это важнейший показатель процесса электроплазмолиза, который необходим при конструировании и расчёте электроплазмолизаторов.

Следует отметить специфическое  влияние электроплазмолиза на проведение диффузионных процессов. Установлено, что приведенный коэффициент  диффузии сахара на электроплазмолизованной  свёкловичной   ткани   ранн  5,0 10^-4 см²/мин,   в   то  время   как  из термоплазмолизованной только 3,6 10^-4 см²/мин. Коэффициент диффузии калиевых и натриевых солей из электроплазмолизованной свеклы при 20⁰С составляет  соответственно 3,4110^-4  и 2,9410⁴см² /мин. Коэффициенты диффузии этих солей из термоплазмолизованной свеклы при тех же условиях соответственно равны 5,5110^-4 и 4.1210^-4 см²/мин. Таким образом, проницаемость электроплазмолизованной свекловичной ткани выше для сахара и ниже для калиевых и натриевых солей, чем проницаемость термоплазмолизованной стружки. Немалое значение здесь имеет то обстоятельство, что модуль упругости электроплазмолизованной ткани выше, чем термоплазмолизованной. Так, для свекловичной ткани модуль упругости в первом случае в 3-5 раз больше.

Жизненные функции клетки могут быть нарушены не полностью и частично восстанавливаются, если электроплазмолиз проводится при невысоком градиенте напряжения (400В/см и ниже). Однако, для полного плазмолиза в этом случае достаточно незначительного механического воздействия. Такой электроплазмолиз получил название коацервативного. Существует селективный электроплазмолиз, который наблюдается при градиентах напряжения 1700-2000В/см при экспозиции 0,001 – 0,002с. Избирательность прогрева протоплазмы здесь достигается в результате того, что протоплазменные оболочки являются основным активным сопротивлением ткани электрическому току. При таком характере подвода энергии температура всей массы продукта изменяется незначительно (в пределах 1⁰С). В развитии этой идеи был предложен импульсный электроплазмолиз, который протекает при высоких значениях градиента напряжения (14-15В/см) при микросекундной продолжительности импульса.

При импульсном электроплазмолизе  разрываются протоплазменные оболочки, и происходит коагуляция протоплазмы  в результате приложения импульсного поля высокой напряженности. Специфика импульсного воздействия сказывается на форме разрушения живой протоплазмы клеток. При таких воздействиях протоплазма полностью распадается, в то время как при действии переменного тока частотой 50Гц она может сохранять свою целостность и после гибели.

 

3. Дайте систему  уравнений для описания расчета  пакетных отстойников

 

Математическое описание процесса для аппарата представим в  виде уравнений материального баланса  в стационарном режиме, устанавливающих  связь между ростом денитрификаторов и выведением органического субстрата при аноксемических условиях, предполагая при этом, что входной поток жидкости не содержит бактерий:

 ,                                                                                            (1)

,                                                                                     (2)

,                                                                                (3)

где   - входной поток жидкости, л/сутки;

 - расход осадка, л/сутки;

 - объем аппарата, л;

 - соответственно концентрация ХПК на входе и на выходе аппарата, мг/л;

 - соответственно концентрация нитратов  на входе и на выходе аппарата, мг/л;

 - концентрация денитрификаторов, мг/л;

 - константа удельной скорости выведения ХПК, 1/сутки;

 - константа насыщения для выводимой  ХПК;

 - константа скорости поглощения  кислорода в эндогенной респирации, 1/сутки;

 - константа смертности ила, 1/сутки;

 - коэффициент выхода ила при  аноксемических условиях;

 - количество кислорода, требуемого на единицу выведенной органики, мг кислорода/мг ХПК;

 - показатель степени.

 

4. Назовите  основные преимущества использования льда как адсорбента многократного использования

 

Легко обеспечивается стабильная чистота азота на уровне до 99,999% - следовательно, возможно использование  практически в любых областях производства и непроизводственной деятельности.

При надлежащей очистке сжатого воздуха, срок службы адсорбента составляет 10...15 лет или больше. Адсорбент нуждается в защите от компрессорного масла и жидкой влаги, но в еще большей степени в защите от масла нуждаются мембраны. Адсорбент стоит дешевле, чем мембраны, как в относительном выражении по сравнению со стоимостью всей установки, так и в абсолютном денежном выражении.

 

Список литературы

 

1. Ковальская Л.П., Шуб Н.С., Мелькина Г.М. Технология пищевых производств. - М.: Колос, 1997, - 752 с.
2. Ковальская Л.П. Общая технология пищевых производств. - М.: Колос, 1993, - 384 с.
3. Козьмина Н.П. Биохимия зерна и продуктов его переработки. - М.: Колос, 1976, - 375 с.
4. Козьмина Н.П. Биохимия хлебопечения. - М.: Пищевая промышленность, 1978, - 227 с.
5. Драгилев А.Н., Лурье И.С. Технология кондитерских изделий. - М.: ДеЛи принт, 2001, - 142 с.
6. Зубченко А.В. Физико-химические основы технологии кондитерских изделий. - М.: Воронеж, Воронежская государственная технологическая академия, 1997, - 416 с.
7. Медведев Г.М. Технология макаронного производства. - М.: Колос, 1998, - 273 с.