Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Важное значение в связи с получением дистиллированной воды для использования в различных областях техники и химической технологии и в связи с опреснением морской воды приобрело использование ионообменных процессов для полного удаления из воды ионов — обе с соли в а н и е в оды. Дляобессоливания используют высокоэффективные органические ионообменные смолы с емкостью обмена, достигающей 10 моль/кг. Ионообменные смолы представляют собой полиэлектролит, цепи которого сшиты в единую трехмерную сетку.
Такая структура обеспечивает высокую механическую прочность гранул и мембран из ионообменных смол. В воде смолы набухают, и все ионогенные группы в объеме гранул становятся доступными для ионов, растворенных в воде. К а т и о н и т н ы е с м о л ы несут обычно сульфогруппы — БОь карбоксильные — СОО или фенольные — С4Н40 группы; их обменная емкость увеличивается с ростом рН. При взаимодействии Н-формы смолы с раствором электролита идет обмен катионов электролита на ионы водорода вплоть до некоторого значения рН, определяющегося силой ионогенной группы, Для регенерации катионита (перевода в Н-форму) его обрабатывают кислотой.
А н и о н и т н ы е с м о л ы содержат различные аминогруппы + 4 ( — ХН ь = ХН ь — НХ ) либо четырехзамещенный аммоний; емкость обмена растет с уменьшением рН. Такие смолы позволяют удалить анионы из раствора электролита, обменивая их на ОН-ионы. Для регенерации анионита производится обработка щелочами. В ряде случаев используют амфотерные иониты, например уголь.
По 158 фрумкину„при насыщении угля водородом он становится катионитом, а при насыщении кислородом и увлажнении — анионитом. Важной особенностью применения ионообменных смол становится извлечение тяжелых металлов, например, из сточных и гидро- термальных вод (в будущем, возможно, из морской воды). Этим методом удается вьщелять медь, серебро, хром, радиоактивные вещества. Основанное на ионном обмене направление гидрометаллургии в сочетании с использованием микроорганизмов, переводящих тяжелые металлы в бедных рудах в растворимые соединения, является перспективным направлением переработки руд. П!.5. Злектрокапиллярные явления Сведения о строении двойного электрического слоя и природе некоторых калло- идно-химических процессов, происходящих при взаимодействии ионов с границей рзздела фаз, дает изучение злектрокалыяяярымх яелеыый, т.
е. влияния заряда межфазной поверхности на поверхностное натяжение. Зти явления наиболее подробно рассматриваются в курсах электрохимии. В данном разделе приведены только те основные закономерности злектрокапиллярных явлений, которые необходимы при рассмотрении коллоидно-химических явлений, таких, как адсорбция анионных и катионных ПАВ, особенностей зародышеобразования новой фазы (см. )Г1П.1) и проявления эффекта Ребиидера в условиях заряженной поверхности (см. 1Х.4). Отталкивание одноименных зарядов, образующих обкладки двойного электрического слои на межфазной поверхности, должно облегчать увеличение плошади этой поверхности, т. е. сникать ее поверхностное натяжение о.
Работа зарюкения И", сферической поверхности радиусом г зарядом д при разности потенциалов 9 = д/4аагтг, как известно из электростатики, равна И' = =2яеа лр'. Ч Зяае,г Можно ожидать, что удельное (отнесенное к единице поверхности) значение этой работы и будет той, «ухге запасенной* поверхностью энергией, которая облегчает процесс ее растяжения, т. е. представляет собой снижение поверхностной энергии: Иг 1 1 ~,-о(9)= — '-,= 4яг' 32яааег' 2г Дифференцирование полученного выражения по 9 дает основное аютношение теории элекгрокапиллярных явлений, называемое уравнением Л и пи мана'. Йо ае„е д (1П.1б) Р йр г 4яг' где р, — поверхностная плотность заряда.
1 Строгий вывод уравнения Липпмана см., например: Крейт Г.Р. Наука о коллоидах. Т. 1. Мз ИЛ, 1955, с. 175 — 178; Дамаския Б.Б., Петрий О.А. Введение в злектрохимическую кинетику. Мс Высшая школа, !983, с. 36 — 39. 159 Ряс. Ш-14. Сдвиг точки нулевого заряда при адсорбции ионогенных ПАВ Рис.
П1-15. Изменение формы злектрокапиллярной кривой при алсорбции неионогенных ПАВ Исследование влияния приложенной разности потенциалов на поверхностное натяжение границы раздела фаз удобнее всего проводить иа идеально поляризующейся поверхности жидкого металла (обычно ртути) в водном растворе электролита. Важно, что при этом одновременно измеряют разность потенциалов фаз (по сравнению с каким-либо стандартным электродом) и поверхностное натяжение межфазной поверхности (обычно по максимальной высоте столба ртути, удерживаемой силой поверхностного натяжения в капилляре); вместе с тем возможно определение плотности заряда двойного слоя по току, переносимому вытекающей по каплям ртутью при известной их поверхности.
В соответствии с уравнением Липпмана в растворах, не содержащих примесей поверхностно-активных веществ, зависимость поверхностного натяжения от разности потенциалов фаз (згекглрокалкьгярлая кривая) имеет максимум при определенном значении Р (рис. П1- ! 4). Зтот потенциал, соответствующий максимуму электрокапиллярной кривой, т.
е. р, = О, называют точков нулевого заряда. Положение точки нулевого заряда определяется адсорбционной способносп ю ионов, присутствующих в растворе, а также дипольных молекул распюрителя. В отсутствие приложенного извне потенциала на границе с водой происходит преимущественная адсорбция ионов ртути Нй", имеющихся в равновесном со ртутью растворе, и поверхность несет положительный заряд. Чтобы скомпенсировать этот заряд, надо приложить и < О, поэтому потенциал точки нулевого заряда отрицателен. В катодной области (правее точки нулевого заряда, т. е, в области более отрицательных потенциалов) заряд поверхности обусловлен электронами, поступившими нз внешней цепи; в анодной области потенциал создается ионами ртути.
Добавление неорганических электролитов приводит к изменению формы злектрокапиллярной кривой. Если электролит содержит анионы, способные к сильной ахсорбции (АПАВ), то в анодной области электрокапиллярной кривой алсорбция анионов приводит к понюкению поверхностного натюкения, тогда как в катодной области адсорбцця анионов не происходит и поверхностное натяжение не изменяется (рис. П! — !4). Максимум злектрокапиллярной кривой смещается при этом в катодную обласп. Чем выше алсорбционная способность анионов, тем сильнее снижение поверхноспюго натяжения в анодной части электрокапиллярной кривой и тем в более высоких отрицательных значениях потенциалов проявляется адсорбция.
Особенно велика адсорбционная способность крупных органических анионов анионных ПАВ. !60 Меньшие по размеру катионы, как правило, слабее адсорбируются и соответственно слабее влияют на форму электрокапиллярной кривой. Значительная адсорбция и смешение максимума электрокапилляриой кривой в аиодную область наблюзюотся, однако, для катиоиных поверхностно-активных веществ (КПАВ). Неионогенные ПАВ также могут сильно влиять на форму электрокапиллярной кривой; они способны к адсорбции при умеренных потенциалах как в анодной, так и катодной областях электрокапиллярнай кривой. При больших (как положительных, так и отрицательных) потенциалах дипольные молекулы воды настолько сильно притягиваются к поверхности, что вытесняют молекулы неионогенных ПАВ.
Поэтому неионогенные ПАВ понюкают поверхностное натяжение только в средней части электрокапиллярной кривой. Поскольку их молекулы имеют дипольиый момент, в зависимости от его ориентировки относительно поверхности более сильное понижение поверхностного натяжения наблюдается либо в катодной области (диполь ориентирован положительным полюсом к поверхности), либо в анодной области электрокапиллярной кривой (рис. П1-!5). Дифференцирование зле ктрокапиллярной кривой о(ф) по ф в соответствии с уравнением Липпмана (1П.16) позволяет определить зависимость плотности заряда от потенциала поверхности. Второе дифференцирование лает значения дифференциальной емкости.
Эта величина мо:кет быль сопоставлена с результатами теоретического рассмотрения строения двойного электрического слоя, что позволяет делать выводы о справедливости этих моделей и проводить их дальнейшее уточнение. Значительно труднее исследовать электрокапиллярные явления иа границе раздела твердой и жидкой фаз.
Ребиидер и Венстрем показали, что зависимости, аналогичные злектрокапиллярным кривым, можно в этом случае получить при изучении влияния заряда поверхности на механические свойства твердых тел (см. 1Х.4). бэ пг глдвд ~ч ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Особенности строения дисперсных систем и границ раздела фаз, в частности существование двойного электрического слоя, определяют возникновение ряда специфических явлений и процессов при переносе через них теплоты, массы и электрического тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
