welcome (Практикум 1), страница 16

Добавляют воду порциями по 3 мл с постоянным перемешиванием дополучения однородной суспензии так, чтобы в течение 20 мин довестиколичество добавленной воды до 46 мл. Полученную суспензию оставляют на10930 мин для пептизации. Рассчитывают концентрацию дисперсной фазы всуспензии.3. Исследование кинетики фильтрации проводят на приборе, схемакоторого представлена на рис. 11.3.Рис. 11.3. Схема установки для изучения фильтрации.4. Плотно вставляют резиновую пробку с воронкой Бюхнера в верхнюючасть бюретки Б и закрывают кран К бюретки. Трехходовой кран поворачиваютв положение 1, т.е. соединяют систему (буферная емкость Е, манометр М исоединительные трубки) с атмосферой.

Открывают водопроводный кранводоструйного насоса, медленно поворачивают трехходовой кран на 180o вположение 2, создавая разрежение. Когда разрежение достигнет примерно0,15 атм, трехходовой кран поворачивают в положение 3, чтобы система былаотключена от насоса, а насос сообщен с атмосферой. После этоговодопроводный кран закрывают.5.

Вырезают бумажный фильтр точно по размеру воронки, измеряют егодиаметр и рассчитывают площадь фильтра S0 (cм2). Помещают фильтр вворонку, смачивают его водой и, открыв кран К, создают разряжение,110обеспечивающее плотное прилегание фильтра к поверхности воронки. Послеэтого закрывают кран К и опять создают в системе разрежение 0,15 атм.6. Выливают на фильтр половину приготовленной суспензии, открываюткран К и, включив секундомер, фиксируют время фильтрации.

С помощьюбюретки определяют объем профильтровавшейся жидкости. В таблицузаписывают время, соответствующее увеличению объема фильтрата на каждые0,5 мл. Измерения проводят в течение 30 минут.7. После проведения эксперимента открывают кран К на воздух, удаляютиз воронки остатки суспензии, промывают водой воронку и бюретку.8. Ко второй части суспензии прибавляют 2 мл 0,5%–ного раствора AlCl3,выливают на фильтр и определяют кинетику фильтрации аналогичнымспособом. Данные заносят в таблицу.Обработка полученных результатов.1. Построить зависимости lgV(lgt) для суспензий глины без добавокэлектролита и в присутствии AlCl3.

Определить значения а и γ.2. Определить значения Ф24 для суспензии глины без электролита Ф240 и сегодобавкойФ24э.РассчитатьотношениеФ24э/Ф240,характеризующееувеличение рыхлости осадка при коагуляции.РАЗДЕЛ 12.СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ.Образование пространственных структур в дисперсных системах (ДС)происходит в результате самопроизвольного (термодинамически выгодного)процесса сцепления частиц дисперсной фазы. В итоге возникает структура сопределенными механическими свойствами.Частицысферическойформыобразуютструктурытольковконцентрированных дисперсных системах. Напротив, анизометричные частицымогут формировать рыхлые дисперсные структуры даже при малом объемномсодержании дисперсной фазы (менее 0,1%), например, гидрогели пятиокисиванадия (частицы игольчатой формы) или бентонитовых глин.111Основной механической характеристикой дисперсных структур являетсяпрочность, т.е.

способность сопротивляться разрушению под действиеммеханических нагрузок. Как и другие механические свойства дисперсныхструктур (упругость и пластичность), прочность зависит не столько от свойствчастиц, образующих структуру, сколько от величины сил взаимодействиямежду частицами и количества контактов между ними.Для широкого круга дисперсных систем прочность дисперсной структурыРс [Па] в первом приближении равнаPc ≈ χp1 ,(12.1)где χ [м−2] – число контактов на единицу площади поверхности разрушения,р1 [Н] – средняя прочность индивидуальных контактов (сила, необходимая дляего разрушения).

Топология структуры и прочность индивидуального контактаp1 в значительной степени определяются физико-химическими условиямиперехода свободнодисперсной системы в связнодисперсную, что позволяетварьировать механические свойства дисперсных структур в широких пределах.В зависимости от типа контакта, т.е. от характера сил взаимодействиямежду частицами, различают два типа дисперсных структур: структуры сконтактами коагуляционного типа (коагуляционные) и структуры с фазовымиконтактами (конденсационно-кристаллизационные).В коагуляционных структурах взаимодействие частиц осуществляетсячерез равновесные прослойки дисперсионной среды или при непосредственномсоприкосновении (точечный контакт). Такие структуры механически обратимы,т.е.

способны к самопроизвольному восстановлению прочности послемеханического разрушения (явление тиксотропии).Прочностьединичногокоагуляционногоконтакта,обусловленнаядисперсионными силами притяжения, записывается как:p1 ≈A* r12h02 ,(12.2)A* - сложная константа Гамакера, r – радиус кривизны поверхности частицв месте контакта, h0 – равновесный зазор между частицами. Прочность112единичного коагуляционного контакта, составляет около 10−7 Н, а прочностьструктуры будет зависеть от дисперсности и может меняться в пределах от 102до 106 Н/м2 при уменьшении размера частиц.При снижении межфазной энергии, т.е. при адсорбции ПАВ наповерхности частиц или при замене дисперсионной среды на болееродственную твердой фазе, сложная константа Гамакера А* и, соответственно,прочностькоагуляционнойвысококонцентрированнойдисперснойсистеместруктурыэтоможетснижается.Вприводитькпластифицированию.

При значительном снижении А* (на 2 – 3 порядка)возможна пептизация, т.е. возникновение агрегативно устойчивой ДС.В конденсационно-кристаллизационных структурах между частицамисуществуют фазовые контакты, по площади (sk) существенно превосходящиемолекулярные размеры (sk ≥ 100 b2). Взаимодействие в таких контактахобусловленоблизкодействующимисиламикогезии.Прочностьиндивидуального фазового контакта можно оценить по формуле:p1 ≈ne 2b2,(12.3)где n – число валентных связей на площади sk. Значения p1 могут изменяться от10−7 до 10−3 Н.

Конденсационно-кристаллизационные структуры отличаютсявысокой прочностью, необратимым характером разрушения, отсутствиемтиксотропных свойств. В зависимости от прочности индивидуального фазовогоконтакта и дисперсности прочность структуры может изменяться от 104 до 108Н/м2.Образование фазовых контактов в дисперсных системах связано спротеканием необратимых процессов, таких как спекание, пластическаядеформация, кристаллизация. Примером образования структуры в процессекристаллизации может служить реакция гидратации полуводного гипса.Реакциягидратацииприводитквозникновениюмалорастворимойкристаллогидратной формы CaSO4·2Н20 (растворимость CaSO4· 1 / 2 Н20 в водепримерно 8 г/л, а CaSO4·2Н20 около 2 г/л):113CaSO4· 1 / 2 Н20 + 3 / 2 Н20 Æ CaSO4·2Н20.ПересыщениераствораотносительноCaSO4·2Н20,поддерживаемоерастворением новых порций CaSO4· 1 / 2 Н20, приводит к возникновению и ростузародышей новой фазы. В начале формирования структуры между частицамидисперснойфазыобразуютсякоагуляционныеконтакты.Возникающаяструктура обладает тиксотропными свойствами, пластичностью и малойпрочностью.

В дальнейшем при наличии пересыщения, приводящего ккристаллизации CaSO4·2Н20 в зонах контактов, коагуляционные контактыпереходят в точечные и далее фазовые. Кристаллизация CaSO4·2Н20 будетпродолжаться до тех пор, пока весь CaSO4· 1 / 2 Н20 не перейдет в двуводныйгипс. В результате срастания отдельных частиц между собой формируетсяжесткий каркас кристаллизационной структуры.Для выяснения природы контактов между частицами необходимоисследоватьспособностьструктурывосстанавливатьпрочностьпослеразрушения. Для этого следует сопоставить прочность структуры, неподвергавшейся механическим воздействиям в процессе ее формирования, спрочностью структур, разрушение которых происходило на разных стадияхпроцесса (при различных пересыщениях).

Если структуру разрушить в началепроцесса (когда пересыщение сохраняется вследствие протекания реакциигидратации),тоонаспособнавосстановитьпрактическиполностьюмеханическую прочность. Разрушение структуры на более поздних этапах(покапересыщениечастичносохраняется)приводиткнеполномувосстановлению прочности. При разрушении структуры после завершенияреакции гидратации (в отсутствие пересыщения) частицы дисперсной фазыформируют тиксотропную коагуляционную структуру с малой прочностью.Лабораторные работы к Разделу 12.Работа 12.1.

Изучение кристаллизационного структурообразования вдисперсных системах.Цельработы:исследованиеформированиякристаллизационнойструктуры, возникающей при гидратации полуводного гипса: определение114времени протекания реакции гидратации tгидр., изучение кинетики нарастанияпрочности структур, формирующихся при различных условиях.Процесс структурообразования изучают в суспензиях, содержащихполуводный гипс и "инертный" наполнитель (тонкодисперсный кварцевыйпесок или карбонат кальция).