Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 78
Текст из файла (страница 78)
д. ). Получение материалов с необходимыми свойствами во многих случаях включает в качестве технологических процессов образование (диспергационное или конденсационное) частиц дисперсной фазы и их коагуляцию в жидкой дисперсионной среде. С другой стороны, коагуляция и осаждение взвесей являются одним из этапов процессов водоочистки. Это относится не только к вредным бытовым взвесям и отходам различных технологических процессов, ио и к специально получаемым золям гидроксидов металлов, которые вводят в воду для улавливания примесей ПАВ и ионов тяжелых металлов. Методы управления этими процессами основаны на применении общих закономерностей образования и разрушения дисперсных систем в сочетании с изучением их специфических свойств, в особенности способности к формированию пространственных дисперсных структур с характерными механическими свойствами (см.
гл. 1Х). Эти коллоидно-химические явления лежат в основе многих геологических процессов, например, ведущих к формированию почвенного слоя, явившегося основой развития жизни на поверхности Земли. Природа агрегативной устойчивости дисперсных систем с частицами твердой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной средой определяется составом этих фаз, дисперсностью и концентрацией частиц. Устойчивость гидрозолей при малой концентрации электролитов в системе обычно связана с проявлением электростатической составляющей расклинивающего давления (см.
гл. ЧП), обусловленной перекрытием диффузных частей двойных электрических слоев. Вместе с тем (см. ЧП.1), агрегативная устойчивость золей может иметь и термодинамическую природу. Дисперсная система — золь— обнаруживает термодинамическую устойчивость, если глубина потенциального минимума, характерная для частиц данной дисперсной системы, оказывается меньше выигрыша свободной энергии системы за счет включения частиц в тепловое движение. Наиболее эффективная защита системы (особенно концентрированной) от протекания процессов коагуляции, в том числе и при введении электролитов, обеспечивается применением поверхностно-активных веществ: низкомолекулярных мицеллообразующих ПАВ и высокомолекулярных, так называемых «защитных коллоид- 365 дов».
Адсорбция таких высокоэффективных стабилизаторов приводит к возникновению на поверхности частиц структурно-механического барьера, полностью предотвращаюшего коагуляцию частиц и возникновение между ними непосредственного контакта, развитие которого может вызвать необратимое изменение свойств систем, Роль структурно-механического барьера особенно велика при стабилизации обратных систем — суспензий и золей полярных веществ в неполярных средах, в которых электростатическое отталкивание, как правило, не существенно.
Полное предотвращение сцепления частиц благодаря образованию защитного слоя ПАВ может происходить не только в разбавленных золях, но и в концентрированных пастах; в последнем случае ПАВ служит пластификаторам, обеспечивающим легкоподвижность системы (см. гл. ГХ). Подбор ПАВ для стабилизации суспензий и золей различного типа сходен с выбором ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий: это должны быть ПАВ, относящиеся к третьей и четвертой группам с высокими значениями ГЛБ при стабилизации суспензий и золей в полярных средах и низкими (маслорастворимые ПАВ) — в неполярных.
Коагуляция разбавленных золей при недостаточно эффективной их стабилизации (или при введении электролитов в систему, стабилизированную только за счет электростатического фактора устойчивости) для изометричных частиц обычно приводит к возникновению отдельных агрегатов. В результате система теряет седиментационную устойчивость, и образуется более или менее рыхлый осадок. Наоборот, в системах с резко анизометричными частицами и в концентрированных системах коагуляция может приводить к образованию п р о с трап ств е ни о й се тки частиц дисперсной фазы без потери седиментационной устойчивости: система из свободнодисперсного состояния (золь) переходит в связнодисперсное (гель). Близким по внешним проявлениям к процессу коагуляции является флокуляция, наблюдаемая при добавлении к суспензиям и эолам некоторых высокомолекулярных П — 4иокулянтов — в очень малых количествах (обычно не выше 0,01 %). Согласно Ла-Меру, при флокуляции образуются более рыхлые, чем при коагуляции, агрегаты, в которых частицы находятся на значительных расстояниях и связаны между собой молекулами полимеров, причем между частицами сохраняются свободные участки цепей макромолекул — флокуляция происходит по механизму образования мостиков.
Это связано с тем, что при малых концентрациях молекула поверхностно-активного полимера, содержащая в своей цепи множество активных групп, оказывается достаточно «развернутой» и может закрепляться сразу на не- 366 скольких частицах дисперсной фазы, свя- Стабилизация зывая их (особенно прочно при хемосорбции) в единый рыхлый агрегат.
При высоких концентрациях полимерного ПАВ, когда адсорбция на поверхности частиц велика и сопровождается образованием плотного лиофилизующего адсорбционного слоя, тот же полимер будет выступать в роли стабилизатора дисперсии, действующего по механизму структурно-механического барьера. Полимеры, не способные к адсорбции на поверхности частиц, также могут в зависимости от концентрации вызывать флокуляцию или стабилизацию частиц дисперсной фазы, однако в этом случае механизм их действия будет иным. Так, флокуляция при низких концентрациях полимерных молекул обусловлена их вытеснением из зазора в объем раствора и возникновением вследствие этого осмотической составляющей расклинивающего давления.
Возникающая при высоких концентрациях полимера стабилизация связана с энтропийными эффектами, вызванными изменением конформационного состояния макромолекул в зазоре между частицами . 1 Флокуляция с помощью полимеров нашла широкое применение во многих прикладных областях: в водоочистке для ускорения осаждения частиц (и особенно доосаждения их мелких фракций), в агротехнике для управления фильтрационными и структурно-механическими свойствами почв, в том числе для предотвращения ветровой эрозии (что особенно актуально после чернобыльской катастрофы) „в инженерной геологии для закрепления грунтов, в бумажной промышленности для регулирования связности целлюлозных волокон на разных этапах переработки бумажной пульпы и т.
д. В качестве флокулянтов водных дисперсий используются различные полиэлектролиты — полиакриламиды, полиэтиленимины и другие. В суспензиях процессы коагуляции могут проявляться как в ходе оседания дисперсной фазы, так и в сформированном осадке. Коагуляция в процессе осаждения приводит к отклонению формы кривой накопления осадка от обычно наблюдающейся для агрегативно устойчивых систем: если коагуляция сопровождается увеличением размера и скорости оседания агрегатов, то на кривых накопления осадка ~ Д.
Неппер. Стабилизация коллоидных дисперсий полимерами/Пер. с англ. Под. ред. Ю.С. Липатоаа. Мл Мир, 1986. 367 может появиться точка перегиба (рис. У1П-15). Изменение формы кривой накопления осадка в агрегативно неустойчивой системе после ее стабилизации введением ПАВ позволяет изучать закономерности коагуляции в такой системе. Другим проявлением коагуляции при оседании суспензии является увеличение объема осадка. Образование вследствие коагуляция сравнительно рыхлых агрегатов частиц приводит к увеличению объема осадка по сравнению с агрегативно устойчивой системой, где частицы способны свободно перемещаться относительно друг друга и плотно упаковываться. Ч111.5.
Коагуляция гидрофобных эолей электролитами Склонность гидрозолей к разрушению (коагуляции) под действием небольших добавок электролитов была замечена давно и послужила объектом большого числа детальных экспериментальных и теоретических исследований . Было обнаружено, что коагулирующее дей! ствие электролитов прежде всего определяется величиной заряда тех ионов„знак которых противоположен знаку заряда коллоидных частиц, т. е. совпадает со знаком противоиона. При этом коагулирующее действие резко возрастает с увеличением заряда коагулирующего иона.
По мере увеличения концентрации электролита коагуляция заметно проявляется только выше некоторой критической концентрации с„названной порогом коагуллции. Приближенно отношение порогов коагуляции одно-, двух- и трехзарядных противоионов равно 1: 0,016: 0,0015. Соответственно обратные величины, названные коагулирующей способностью, дают соотношение 1: 60: 700.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
