Übungskatalog: Teil 3 Flashcards
Was ist eine Emulsion?
Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Stoffgemisch aus mindestens zwei ineinander unlöslichen Flüssigkeiten. Eine Phase ist in der Regel wässrig, die andere
organisch (wasserunlöslich, auch Ölphase genannt). Es bilden sich entweder
Wasser-in-Öl (W/O) oder Öl-in-Wasser (O/W) Emulsionen aus
Nennen Sie den Unterschied zwischen einer Dispersion und einer Emulsion.
Eine Dispersion ist die allgemeine Bezeichnung von einem Stoffgemisch, in dem
sich mindestens zwei Stoffe nicht ineinander lösen können. Eine Emulsion ist
demnach eine Dispersion für ein Flüssig-Flüssig-Gemisch. Andere Dispersionen
sind z.B. Schaum (Gas-Flüssig), Suspension (Fest-Flüssig), flüssige Aerosole
(Flüssig-Gas) oder feste Aerosole (Fest-Gas).
Was ist die disperse Phase in einer O/W/O-Emulsion?
In einer O/W/O-Emulsion besteht die disperse Phase selbst aus einer O/W-
Emulsion. In der kontinuierlichen Ölphase befinden sich also fein verteilte wässri-
ge Tröpfchen, in denen sich wiederum noch kleinere Tröpfchen aus Öl befinden.
Was passiert bei einer Phaseninversion in einer W/O-Emulsion?
Eine Phaseninversion ist der Zustandspunkt an dem eine Emulsion in eine andere Phasenlage umschlägt (hier W/O-Emulsion in O/W-Emulsion). Phase-
ninversion findet statt, sobald ein bestimmtes Phasenvolumenverhältnis überschritten wird.
Welche Bedingungen müssen gelten, damit die Viskosität des Stoffgemisches
der Viskosität der kontinuierlichen Phase ähnelt?
Die Tropfengröße und der Volumenanteil der dispersen Phase müssen möglichst
klein sein.
Was sind Emulgatoren und wofür werden sie eingesetzt?
Emulgatoren werden zur Stabilisierung von Emulsionen eingesetzt, d.h. sie sorgen für eine konstant feine Verteilung der dispersen Phase. Emulgatoren werden
als Additive in das Stoffgemisch gegeben und adsorbieren an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche. Dabei muss die Adsorption so schnell erfolgen, dass keine Tropfenkoaleszenz auftreten kann. Emulgatormoleküle bestehen aus mindestens einer polaren Gruppe (hydrophiler Kopf) und einer unpolaren Gruppe (lipophiler
Schwanz) und bilden einen Grenzflächenfilm aus, der die Grenzflächenspannung
verringert.
Was beschreibt die Weber-Zahl?
Die Weber-Zahl We ist eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis der
deformierenden und formerhaltenden Kräfte an einem Tropfen aufzeigt. Übersteigt die Weber-Zahl die kritische Weber-Zahl, kommt es nach Überschreiten
der kritischen Belastungszeit zum Tropfenaufbruch. Im turbulenten Strömungs-
bereich gilt: W e = σ·r/γ , im laminaren: W e = τ ·r/γ .
Erklären Sie die den Teilschritt Tropfenaufbruch in dem Herstellungsprozess
einer Emulsion.
Für die Herstellung von Emulsionen muss die Grenzfläche zwischen den beiden Phasen vergrößert werden (d.h. die Tropfen sollen kleiner und feiner verteilt werden). Um Tropfen aufzubrechen und dadurch kleinere Tropfen zu erzeu-
gen, muss die Grenzflächenspannung der Tropfen überwunden werden. Das geschieht mithilfe von in das Stoffgemisch eingetragener mechanischer Energie (deformierende Kräfte müssen größer sein als formerhaltende). Wird die
mechanische Energie über die kritische Deformationszeit hinaus aufgebracht, bricht der Tropfen schließlich auf.
Nennen Sie zwei verschiedene Ausführungen von Rotor-Stator-Systemen als Emulgiermaschine und ihre charakteristischen Eigenschaften.
- Rührbehälter: batch- oder quasikoninuierliche Betriebsweise, Labor- bis
Produktionsmaßstab, Flexibilität durch simultanes Mischen und Emulgie-
ren in dem gleichen Behälter, breites Tropfengrößenspektrum - Kolloidmühlen: kontinuierliche Betriebsweise, kurze Verweilzeiten, relativ
hohe Leistung, enger Spalt zwischen Rotor und Stator, Emulsionen mit
kleinen Tröpfchen und mit einem kleineren Tropfengrößenspektrum
Was versteht man unter Kavitation? Welche Bedeutung hat die Kavitation in den Herstellungsprozessen von Emulsionen?
Kavitation ist die spontane Bildung und die anschließende Implosion von Dampfblasen in Flüssigkeitsströmungen. Unterschreitet der örtliche Druck der Flüssigkeit den Dampfdruck, werden bei Vorhandensein von Keimen ausreichender Größe Dampfblasen gebildet. Die Dampfblasen werden mit der Strömung mitgerissen und kondensieren schlagartig in Gebieten mit höheren Drücken. Es entstehen örtlich sehr stark erhöhte Drücke. In der Herstellung von Emulsionen ist das Auftreten von Kavitation gewünscht (z.B. Hochdruckhomogenisation
bzw. Ultraschallwellen), da sie maßgeblich zur Zerkleinerung der Tropfen beiträgt
Was bedeutet Tropfenkoaleszenz?
Unter Tropfenkoaleszenz versteht man das Zusammenfließen der Tropfen der
dispersen Phase. Die Tropfen agglomerieren zu einem größeren Tropfen, d.h. sie
verkleinern ihre Oberfläche. Koaleszenz kann nur bei Annäherung der Tropfen
(z.B. Tropfenkollision) stattfinden. Außerdem müssen die anziehenden Kräfte
(intermolekulare Kräfte) im Grenzflächenfilm größer sein als die abstoßenden
Kräfte (hydrodynamische Kräfte durch viskose Reibung der kontinuierlichen
Phase), damit Filmdrainage und -riss mit anschließender Koaleszenz auftreten
können.
Definieren Sie Aufrahmung. Wie kann dieses Phänomen unterbunden werden?
Der Dichteunterschied zwischen kontinuierlicher und dispersiver Phase resultiert in aufsteigenden Tropfen der dispersen Phase. Um die Aufrahmung zu
reduzieren, kann mit Additiven sowohl die Dichte der dispersen Phase als auch
die Viskosität des Stoffgemischs vergrößert werden. Weiterhin ist es möglich,
Aufrahmung durch kleinere Tropfengrößen zu vermindern.
Was ist eine übersättigte Lösung? Welche Arten von Kristallisationsprozessen
gibt es?
In einer übersättigten Lösung ist die Konzentration einer Komponete ci größer
als die entsprechende Gleichgewichtskonzentration c∗i bei gleicher Temperatur.
Es gibt Kühlungs-, Verdampfungs-, Verdrängungs- und Reaktionskristallisationsprozesse, in denen die Übersättigung der Lösung gezielt erzeugt wird, um
den Kristallisationsprozess hervorzurufen.
Was ist der eutektische Punkt in einem Phasendiagramm?
Der eutektische Punkt markiert die Schnittstelle zwischen den beiden Liquiduslinien. Das Eutektikum hat den niedrigsten Schmelzpunkt (eutektische Tem-
peratur) verglichen zu allen anderen Massenanteilen wi der Komponte i. Im
Eutektikum geht die homogene Lösung direkt in den festen Zustand über.
Wie unterscheiden sich Reinstoffe und binäre Gemische im x-T-Diagramm?
Reinstoffe kristallisieren in der Regel isotherm aus, d.h. die gesamte Phasen-
umwandlung findet bei konstanter Temperatur statt, binäre Gemische beginnen
den Kristallisationsprozess dagegen bei einer bestimmten Temperatur und vollziehen die Phasenumwandlung bei weiter sinkenden Temperaturen.
Was ist die thermodynamische Triebkraft eines Kristallisationsprozesses und
wie ist sie definiert?
Die thermodynamische Triebkraft ist die Differenz des chemischen Potentials
der Komponente i zwischen übersättigter und gesättiger Lösung:
∆μi = RT · ln( ai/a∗i)
Ändert sich beispielsweise die Temperatur oder der Druck, kann eine Lösung,
die sich vorher im Gleichgewicht befand, übersättigt sein. Kristallisation kann
nur in übersättigten Lösungen stattfinden
Wenn man von gesättigter Lösung spricht, befindet sich die Lösung dann im
Gleichgewicht?
Ja. Eine gesättigte Lösung hat genau die Gleichgewichtskonzentration der Komponente i. Ist die Konzentration geringer, ist die Lösung ungesättigt; ist
die Konzentration dagegen höher, ist die Lösung entsprechend übersättigt.
Beschreibe die unterschiedlichen Keimbildungsmechanismen und erkläre, warum
der Übersättigungsgrad der Lösung dabei eine Rolle spielt.
Es gibt primäre und sekundäre Keimbildungsmechanismen. Zu den primären
Mechanismen gehören die homogene und die heterogene Keimbildung.
Homogene Keimbildung entsteht durch ausreichende Übersättigung der Lösung, die ansonsten frei von Fremdpartikeln oder arteigenen Kristallen ist. Die Lösung bildet Keime aus, die zu größeren Keimen agglomerieren und schließlich als Kristallisationsfläche für weitere Keime dienen.
Befinden sich z.B. Staubteilchen
in der Lösung, spricht man von heterogener Keimbildung. Die Keime, die in der übersättigten Lösung gebildet werden, nutzen die Staubteilchen als Kristallisationsfläche und müssen nicht wie in der homogenen Keimbildung zunächst miteinander eine Kristallisationsfläche bilden. Dadurch kommt es bereits bei geringerer Übersättigung zu einer Kristallisation. Weiterhin gibt es auch noch die sekundäre Keimbildung, in der bereits arteigene Kristalle in der Lösung vorliegen
(sogenannte Impfkristalle). Da Kristallkeime besonders gut auf ihnen ähnlichen
Oberflächen auskristallisieren, stellt sich bei noch geringerer Übersättigung als
in der heterogenen Keimbildung bereits ein Kristallisationsvorgang ein.
Was ist ein Keimschauer?
Als Keimschauer bezeichnet man die schlagartig große Anzahl kleiner Kristallkeime und damit eine rapide abfallende Übersättigung der Lösung. Dieses
Phänomen tritt in der Regel bei den primären Keimbildungsmechanismen auf.
Nennen Sie drei Vorteile für sekundäre Keimbildung in industriellen Kristallisa-
tionsprozessen im Vergleich zu der primären Keimbildung
- Gute Kontrolle der Keimbildung durch Impfkristalle
- Nur geringe Übersättigung der Lösung nötig (Realisierbarkeit von hohen
Übersättigungen schwierig) - Deutlich homogenere Korngrößenverteilung als bei der primären Keimbil-
dung
