Получение коллоидных систем (КС) и их очистка

Лекция 2. Получение коллоидных систем (КС) и их очистка.

Условия получения КС.

Методы получения КС.

Методы диспергирования. Пептизация.

Методы конденсации.

Очистка и концентрирование коллоидных систем.

Электродиализ. Ультрафильтрация. Электроультрафильтрация.

По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами – порошками, суспензиями, эмульсиями.

Рекомендуемые материалы

Поэтому, все методы получения коллоидных систем можно разбить на 2 основные группы:

1. диспергирование – дробление крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности;

2. конденсация – соединение атомов, ионов или молекул в более крупные частицы (агрегаты) коллоидных размеров.

Независимо от применяемых методов получения коллоидных систем, к общим условиям их получения относятся следующие:

1. Нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.

2. Достижение коллоидной дисперсности частицами дисперсной фазы.

3. Наличие в системе, в которой образуются частицы дисперсной фазы, третьего компонента – стабилизатора, который сообщает системе агрегативную устойчивость (чаще всего ПАВ (поверхностно-активные вещества), в том числе высокомолекулярные соединения).

Молекулы стабилизатора создают вокруг частиц дисперсной фазы защитный слой, предохраняющий частицы от агрегирования. (Так получают дисперсии полимеров в воде, эмульсии, пены, суспензии)

Рис. 2.1. Стабилизация коллоидной системы с помощью ПАВ.

Рис. 2.2. Стабилизация дисперсии полимера (макромолекула полимера свернута в глобулу) с помощью ПАВ.

Рис.2.3. Самодиспергирующаяся частица.

При соблюдении этих условий синтеза КС любое вещество можно получить в коллоидном состоянии.

Например, натрия хлорид можно получить в коллоидном состоянии при диспергировании его в бензоле, в котором он не растворяется и не дает истинного раствора.

Сера, которая хорошо растворяется в этаноле с образованием истинного раствора, в воде дает коллоидный раствор, т.к. она в ней не растворяется.

Методы конденсации.

Основаны на создании условий, когда будущая дисперсионная среда пересыщается веществом будущей дисперсной фазы.

Различают следующие методы.

Методы физической конденсации.

I. Метод конденсации из паров.

Один из методов конденсации предложен С.З. Рогинским и А.И. Шальниковым: основан на конденсации паров в вакууме на поверхности сосуда, охлажденной жидким воздухом.

Рис.2.4. Схема прибора Рогинского и Шальникова.

В отростках 1 и 3 прибора подвергаются испарению одновременно диспергируемое вещество (например, Натрий) и дисперсионная среда (например, бензол) при Т=673К.

Пары веществ конденсируются на поверхности сосуда 4, охлаждаемого жидким воздухом до 193К – охлажденный твердый бензол содержит затвердевший Натрий. После удаления из сосуда 4 жидкого воздуха температура повышается, оттаявшая смесь бензола с натрием попадает в отросток 2 – получен коллоидный раствор натрия в бензоле.

II. Метод замены растворителя.

Растворенное вещество, оказавшись в иной среде (в которой оно не растворимо), конденсируется с образованием частиц дисперсной фазы.

Например, мастика, растворенная в спирте и внесенная в воду, в которой нерастворима, образует коллоидные частицы.

Таким образом получают золи канифоли, золи серы в воде и т.д.

По этому методу  получают уретановый загуститель печатных красок и дисперсий – лапрол ДЗ.

Лапрол ДЗ представляет собой блоксополиуретан.

Макромолекула полимера состоит из участков двух типов: короткого жесткого, образованного из остатков диизоцианата и длинного гибкого, образованного из остатков простого полиэфира:

Нужна система растворителей, каждый из компонентов которой будет растворять отдельные фрагменты, например: спирт, гептан, вода.

Рис. 2.5. Схема расположения макромолекул полимера в растворе.

Рис. 2.6. Схема расположения макромолекул в твердом

полимере.

Рис. 2.7. Изменение расположения макромолекул полимера при добавлении к раствору воды (образование геля).

Методы химической конденсации.

Основаны на проведении в растворе химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или труднорастворимых веществ.

Это могут быть реакции: восстановления, окисления, разложения, гидролиза и др.

Восстановление: получают золи металлов.

Красный золь золота – реакция восстановления соли золота (аурата натрия) формальдегидом:

 аурат натрия формальдегид

на образующихся частичках (микрокристаллах золота) адсорбируются ионы  - потенциалобразующие ионы. Противоионы - .

Строение частиц можно представить схемой:

частицы золота имеют отрицательный заряд Х-.

Этим же способом можно получить из нитратов серебра (очень разбавленного раствора) желто-коричневый золь серебра.

Окисление: получают золи серы и селена действием кислорода:

строение золя серы можно представить схемой:

Разложение: получение золи серы разложением тиосульфатов и полисульфатов:

Двойной обмен: позволяет получать многие золи труднорастворимых соединений:

Гидролиз: получают золи гидроксидов тяжелых металлов:

Степень гидролиза возрастает с повышением температуры и с увеличением разведения.

Возможны следующие схемы строения мицелл золя:

С помощью гидролиза могут быть получены золи кремниевой, вольфрамовой, титановой и других кислот, нерастворимых в воде.

Методы диспергирования.

Диспергирование – тонкое измельчение твердых материалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде.

В результате образуются порошки, суспензии, аэрозоли, эмульсии.

Механическое диспергирование.

Для получения коллоидных растворов этим методом производится растирание и дробление твердых тел в специальных машинах – коллоидных мельницах.

Первая коллоидная мельница сконструирована русским инженером К. Плауссоном (1920г.) – герметически закрытый, быстро вращающийся механизм ударного действия.

В основу действия машин-измельчителей положены принципы раздавливания, раскалывания, истирания, удара и т.д. – процесс ведут обычно в присутствии ПАВ.

Метод электрического распыления: через какую-либо дисперсионную среду (например, воду) пропускают электрический ток между электродами, изготовленными из материала, коллоидный раствор которого хотят получить – один электрод распыляется. Получают коллоидные растворы золота, серебра, платины и других металлов.

Ультразвуковое распыление: ультразвуковые волны с частотой от 20 тысяч до 1 млн. колебаний в секунду получают с помощью пьезоэлектрических осцилляторов.

Взвесь грубодисперсного вещества, подлежащего раздроблению, под действием ультразвуковых волн размельчается до коллоидного состояния.

Таким образом получают коллоидные растворы смол, гипса, графита, металлов, красителей, крахмала и т.д.

Хотя методы диспергирования все более совершенствуются, тем не менее для получения максимальной дисперсности 10^-7, 10^-9 м пригодны только методы конденсации (они к тому же менее энергоемкие).

В тоже время, диспергационные методы имеют более важное практическое значение.

Электрогидравлический удар – новый способ получения дисперсных систем, обеспечивающий высокую степень дисперсности при минимальных затратах времени.

Электрогидравлические технологии – результат фундаментальных и прикладных исследований, опытно-конструкторских разработок и опытно-промышленных проверок оборудования, проводимых Институтом импульсных процессов и технологий НАН Украины (г. Николаев). ИИПТ НАН Украины – единственная в мире организация, специализирующаяся на изучении физико-технических аспектов импульсных процессов и на создании импульсных технологий.

Метод пептизации.

Перевод осадка в золь путем обработки пептизаторами – растворами электролитов, ПАВ или растворителем. При пептизации не происходит изменения степени дисперсности частиц.

Результатом пептизации является разобщение частиц и распределение их по всему объему дисперсионной среды.

Различают два вида пептизации:                

Рассмотрим на примере: получим студенистый осадок гидроксида железа:

Непосредственная пептизация: действуем раствором . Ионы железа, адсорбируясь на поверхности частиц, сообщают им положительный заряд, одноименно заряженные частицы отталкиваются и переходят из осадка в раствор:

Посредственная пептизация: действуем разбавленной соляной кислотой. Часть молекул  взаимодействует с  с образованием хлороксида железа . Ионы вновь полученного пептизатора , адсорбируясь на поверхности частиц осадка , переводят его в коллоидное состояние:

Во многих случаях процесс пептизации имеет смешанный характер.

На пептизацию влияют: структура осадка, возраст осадка (коагеля), концентрация пептизатора, механическое воздействие, температура.

Свежеосажденные, сильно гидратированные осадки наиболее легко пептизируются. Процессы старения коагеля отрицательно влияют на его пептизируемость (по мере старения коагель уплотняется). У старых осадков способность к пептизации часто исчезает вовсе. Перемешивание благоприятствует пептизации. С повышением температуры скорость пептизации возрастает.

Очистка коллоидных растворов.

Коллоидные растворы, полученные любыми методами, обычно содержат ряд примесей (исходные вещества или побочные продукты). Все эти вещества изменяют свойства коллоидных систем и поэтому должны быть удалены.

Диализ: процесс очистки (отделения) коллоидных растворов основан на свойстве полупроницаемой мембраны пропускать примеси ионов и молекул малых размеров и задерживать коллоидные частицы.

Прибор для очистки коллоидов называется диализатором.

Рис. 2.8.  Схема диализатора:

1- очищаемый раствор, 2 – растворитель (вода),

3 – мембрана.

Непрерывно или периодически меняя растворитель в диализаторе, добиваются полной очистки коллоидного раствора.

Недостаток простого диализатора – большая длительность процесса очистки (иногда недели, месяцы).

Электродиализ: процесс диализа, ускоренный путем применения электрического тока (в растворитель вводятся электроды 4).

Рис. 2.9.  Схема электродиализатора.

Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, анионов – в анодную. Удаляются даже следы электролитов, что обыкновенным диализом не достигается.

Время очистки значительно сокращается (часы, минуты).

Электродиализ находит промышленное применение: этим методом удаляют соли из молочной сыворотки. Очищенная от солей сыворотка содержит большое количество лактозы и белков и используется для получения продуктов диетического питания.

Ультрафильтрация: фильтрование коллоидных растворов через полупроницаемую мембрану под давлением или в вакууме. При этом коллоидные частицы остаются на фильтре (мембране), а фильтрат, содержащий низкомолекулярные вещества, переходит в растворитель.

Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением (иногда в вакууме).

Мембраны - особые полимерные пленки, размер пор которых 10^-5-10^-6 см.

Способ ультрафильтрации используется для концентрирования золей путем отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды и содержащихся в ней низкомолекулярных веществ.

Электроультрафильтрация: ультрафильтрация в электрическом поле.

В таблице приведены относительные скорости очистки коллоидных растворов: