Взаимная коагуляция золей
Взаимная коагуляция наблюдается при смешении золей с разноименно заряженными частицами. Разноименно заряженные частицы притягиваются друг к другу с образованием агрегатов вследствие исчезновения электростатического отталкивания, т.е взаимной нейтрализации зарядов. Наиболее полно она наблюдается тогда, когда заряды частиц приблизительно равны.
Взаимная коагуляция имеет место в жидкостях организма, используется при выделении каучука из латекса, при очистке промышленных вод, крашении тканей и волокон, в водоподготовке.
Например, природные воды содержат большое количество примесей коллоидных веществ (песок, глина и др.), имеющих отрицательный заряд:
{ m xAl2O3.ySiO2.zMe2O.nSiO44−(n−q)Men+}q−.qMen+
Для их нейтрализации вводят коагулянты (сульфаты алюминия, железа, аммонийные квасцы). В воде эти соли гидролизуются и образуют коллоидные частицы с положительным зарядом:
Fe2(SO4)3 + H2O → Fe(OH)3 + H2SO4
{mFe(OH)3. nFe3+3(n−x)HSO4−]x+.xHSO4−
Эти гранулы взаимно нейтрализуются с отрицательно заряженными частицами и выпадают в осадок, которого отфильтровывают и таким образом получают очищенную (осветленную) воду.
Кинетика коагуляции
Теория кинетики коагуляции разработана Смолуховским. Кинетика коагу-ляции выражается скоростью коагуляции, т.е. изменением численной концентра-ции частиц в единицу времени. В зависимости от концентрации коагулирующего электролита ход коагуляции подразделяют на скрытую и явную.
При небольшой концентрации электролита коагуляция незаметна на глаз и называется скрытой коагуляцией. При этом заряд коллоидных частиц большой и поэтому только некоторые частицы (имеющие максимальную скорость движения) могут преодолеть силы электростатического отталкивания. По мере увеличения концентрации электролита заряд частиц постепенно нейтрализуется, дзета-потен-циал уменьшается и достигает критического значения. В этой точке коагуляция становится заметной на глаз и такая коагуляция называется явной.
|
Рис. Кинетика коагуляции |
Явная коагуляция подразделяется на медлен-ную и быструю. При концентрации электро-лита, чуть больше порога коагуляции, дзета-потенциал частиц становится меньше крити-ческого, но еще не равен нулю. Поэтому не каждое столкновение ведет к слипанию частиц и их оседанию. Вследствие этого явная коагу-ляция протекает медленно. По мере увеличе-ния концентрации электролита скорость коагуляции увеличивается, частицы нейтрали- |
зуются и заряд становится равным нулю. При этом ничто не мешает коагуляции: каждое столкновение ведет к объединению частиц. Практически все частицы коагулируют одновременно. Поэтому явная коагуляция протекает быстро. Скорость коагуляции уже не зависит от дальнейшего увеличения концентрации электролита. Минимальная концентрация электролита, которая вызывает быструю явную коагуляцию, называют критическим порогом быстрой коагуляции.
Порядок изменения частиц при коагуляции
Смолуховским был исследован порядок изменения (последовательность укрупнения) или агрегации частиц при коагуляции. Первичные (одиночные) час-
|
других системах наблюдается |
тицы сталкиваясь, образуют двойные частицы, которые в свою очередь, соприкасаясь друг с другом и одиночными частицами, образуют тройные и четверные частицы и т.др. При этом число одиночных частиц уменьшается, а число частиц каждого следующего порядка сначала увеличивается, а затем уменьшается до нуля вследствие образования более крупных агрега-тов. В результате образуются крупные, рыхлые агрегаты, состоящие из множества мелких час-тиц разного порядка (размера). Данная теория разработана для монодисперсной системы. В отклонение от такого поведения. |
Лекция № 6
тема: Устойчивость и коагуляция коллоидных систем
Виды устойчивости гидрофобных золей. Под устойчивостью дисперсной системы понимают сохранение дисперсности, равномерного распределения частиц в дисперсионной среде. Как известно, лиофобные коллоиды ввиду высокой поверхностной энергии, большего поверхностного натяжения и поверхностной активности термодинамически неустойчивы, т.е. для них характерно явление «коагуляции».
Коагуляция ( с лат. «свертывание, затвердевании») представляет собой слипание частиц ДФ и их оседание, т.е. это потеря агрегативной устойчивости системы.
В 1920 г. Н.П.Песков ввёл понятие об агрегативной и седиментационной (кинетической) устойчивости.
Кинетическая устойчивость позволяет системе сохранять равномерное распределение частиц в объеме, т.е. противостоять действию силы тяжести и процессам оседания или всплытия частиц. Основным условием (количественной мерой) этой устойчивости является дисперсность вещества и наличие броуновского движения.
Агрегативная устойчивость – это способность системы противостоять агрегации частиц ДФ. Различают электростатический, адсорбционно-сольватный, гидродинамический и другие факторы агрегативной устойчивости дисперсных систем.
Электростатический фактор обусловлен электростатическими силами отталкивания вследствие наличия двойного электрического слоя. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, что мешает слипанию и укрупнению частиц. Чем толще диффузный слой (больше дзета-потенциал), тем сильнее взаимоотталкивание частиц.
Адсорбционно-сольватный фактор связан с наличием сольватной оболочки: частицы всегда имеют сольватную (гидратную) оболочку. Эта упругая оболочка препятствует сближению с другими частицами и играет роль амортизатора (буфера).
Гидродинамические факторы снижают скорость агрегации частиц вследствие изменения вязкости среды, плотности ДФ и дисперсионной среды.
В реальных лиофобных системах агрегативная устойчивость в основном определяется электростатическим и адсорбционно-сольватными факторами. Поэтому количественной мерой агрегативной устойчивости является величина дзета-потенциала.
Факторы, вызывающие коагуляцию. Поскольку лиофобные системы обладают избыточной поверхностной энергией, они агрегативно неустойчивы. Процесс укрупнения частиц происходит самопроизвольно, т.к. это приводит к уменьшению удельной поверхности и снижению поверхностной энергии Гиббса.
Коагуляцию вызывают следующими факторами:
− механическим воздействием (встряхивание, перемешивание раствора, увеличение концентрации);
− изменением температуры (повышение температуры приводит к коагуляции лиофильных золей, а понижение – лиофобных золей);
− добавление электролита;
− удалением стабилизирующего электролита (в ходе диализа путём ионного обмена или связывания его ионов в малодиссоциирующее соединение);
− пропусканием электрического тока (электрофорез или электроосмос);
− добавлением другого коллоидного раствора с другими противоионами (нейтрализация).
Наиболее важным фактором является добавление электролита, при котором наблюдается резкое изменение ДЭС и дзета-потенциала.