Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Устойчивость дисперсных систем

 

Под устойчивостью дисперсных систем понимают неизменность их свойств и состава во времени, в том числе дисперсности фазы, межчастичного взаимодействия. Здесь рассматриваются вопросы устойчивости систем по отношению к укрупнению или агрегации частиц дисперсной фазы, к их осаждению. Ликвидация агрегативной устойчивости необходима в процессах выделения осадков при разделении фаз, при очистке сточных вод и промышленных выбросов.

По классификации П.А. Ребиндера дисперсные системы делят на лиофильные, получающиеся при самопроизвольном диспергировании одной из фаз, и лиофобные, получающиеся при принудительном диспергировании и конденсации с пересыщением. Лиофобные системы обладают избытком поверхностной энергии, в них самопроизвольно могут идти процессы укрупнения частиц, т.е. может происходить снижение поверхностной энергии за счет уменьшения удельной поверхности. Такие системы и называют агрегативно неустойчивыми.

Агрегация частиц может заключаться в переносе вещества от мелких частиц к крупным, так как химический потенциал последних меньше /изотермическая перегонка/. Крупные частицы растут, а мелкие частицы постепенно растворяются /испаряются/. Агрегация частиц может происходить и путем слипания /слияния/ частиц – наиболее характерный путь для дисперсных систем /коагуляция/.

Различают термодинамические и кинетические факторы агрегативной устойчивости дисперсных систем. Движущей силой коагуляции является избыточная поверхностная энергия. Основными факторами, влияющими на устойчивость систем, являются факторы, снижающие поверхностное натяжение при сохранении размера поверхности. Эти факторы относят к термодинамическим. Они уменьшают вероятность эффективных соударений частиц, создают потенциальные барьеры, замедляющие или даже исключающие процесс коагуляции. Чем меньше поверхностное натяжение, тем больше термодинамическая устойчивость системы.



Кинетические факторы связаны в основном с гидродинамическими свойствами среды: замедление сближения частиц, разрушение прослоек среды между частицами. В целом, различают следующие факторы устойчивости дисперсных систем:

1. Гидродинамический – из-за изменения вязкости среды и плотности фазы и дисперсионной среды снижается скорость коагуляции;

2. Структурно – механический фактор обусловлен наличием на поверхности частиц упругой, механически прочной пленки, разрушение которой требует затрат энергии и времени;

3. Электростатический – из-за возникновения двойного электростатического слоя/ДЭС/ на поверхности частиц уменьшается межфазное натяжение. Появление электрического потенциала на межфазной поверхности возможно из-за поверхностной электролитической диссоциации или адсорбции электролитов;

4. Энтропийный фактор проявляется в системах, в которых частицы или их поверхностные слои участвуют в тепловом движении. Сущность его состоит в стремлении дисперсной фазы к равномерному распределению по объему системы;

5. Адсорбционно-сольватный – проявляется в уменьшении межфазного натяжения вследствие адсорбции и сольватации при взаимодействии частиц с дисперсионной средой.

В реальных системах агрегативная устойчивость определяется одновременно совокупностью термодинамических и кинетических факторов.

Согласно современным представлениям устойчивость систем (лиофобных коллоидов) определяется балансом сил молекулярного притяжения и электростатического отталкивания между частицами. Универсальным свойством дисперсных систем является наличие на границе раздела фаз двойного электрического слоя (ДЭС).

Поверхностный заряд частиц образуется в результате одного из процессов:

– диссоциации поверхностных групп частиц;

– адсорбции потенциалопределяющих ионов, т.е. ионов, входя щих в состав кристаллической решетки или сходных с ними;

– адсорбции ионогенных ПАВ;

– изоморфного замещения, например, заряд частиц большинства глин формируется за счет замещения четырехвалентных ионов кремния на Аl+3 или Са+2, с дефицитом положительного заряда на частице.

В первых трех случаях поверхностный заряд можно контролировать, в определенных пределах регулировать величину заряда, знак, изменяя концентрацию ионов в системе. Например, в результате диссоциации поверхностных силанольных групп частицы кремнезема могут приобретать заряд:

или

Плотность поверхностного заряда равна числу элементарных зарядов на единице поверхности. Поверхностный заряд частицы в дисперсной системе компенсируется суммой зарядов, локализованных в диффузной и плотной (непосредственно прилегающей части монослоя противоионов) частях ДЭС.

Явление возникновения разности потенциалов при осаждении дисперсной фазы получило название потенциала седиментации /оседания/. При относительном перемещении фаз независимо от причин, вызывающих перемещение, происходит разрыв ДЭС по плотности скольжения. Плоскость скольжения обычно проходит по диффузному слою ДЭС, и часть его ионов остается в дисперсионной среде. В результате дисперсионная среда и ее дисперсная фаза оказываются противоположно заряженными. Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыве части диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом, или z /дзета/-потенциалом. Дзета-потенциал, отражая свойства ДЭС, характеризует природу фаз и межфазного взаимодействия. Величина электрокинетического потенциала зависит от скорости движения фаз, вязкости среды, природы фаз и других факторов. Понижение температуры, введение в систему электролитов, специфически взаимодействующих с поверхностью, увеличение заряда ионов электролита приводит к уменьшению дзета-потенциала.

Величина дзета-потенциала зависит от природы поверхности контактирующих фаз. На поверхностях полиэлектролитов, содержащих ионогенные группы, а так же на поверхности многих неорганических оксидов величина дзета-потенциала может достигать высоких значений - 100 мВ и более. Если на поверхности адсорбируются противоионы, то электрокинетический потенциал уменьшается. Значительное влияние оказывает величина рН среды, так как ионы Н+ и ОН обладают высокой адсорбционной способностью. Знак и значение дзета-потенциала широко используются для характеристики электрических свойств поверхностей при рассмотрении агрегативной устойчивости дисперсных систем.

В первом приближении принято считать, что устойчивость дисперсных систем определяется величиной электрокинетического z (дзета) потенциала. При добавлении к системам электролитов или ПАВ происходит изменение структуры ДЭС, изменение величины z – потенциала при неизменной величине поверхностного потенциала. Это изменение (уменьшение) наиболее значительно с ростом заряда противоиона при одинаковой концентрации электролита (рис.2.1).

Высокозарядные противоионы /Al+3,Fe+3/, сложные органические ионы вследствие действия вандерваальсовых сил могут адсорбироваться сверхэквивалентно, т.е. в количествах, превышающих число зарядов на поверхности, накапливаясь в слое. В результате этого возможно изменение и величины, и знака электрокинетического потенциала. С такими явлениями часто встречаются при введении в дисперсные системы полиэлектролитов и коагулянтов.

В дисперсных системах при сближении одинаково заряженных частиц происходит их отталкивание, что не является чисто кулоновским, так как заряд поверхности полностью компенсирован зарядом противоионов. Силы отталкивания появляются при перекрывании диффузных ионных атмосфер. В тоже время между частицами действует вандерваальсово притяжение, состоящее из ориентационных, индукционных и дисперсионных сил. В определенных условиях эти силы соизмеримы с силами отталкивания. Полная энергия взаимодействия дисперсных частиц слагается из суммы энергий притяжения и отталкивания. Величина суммарной энергии частиц от расстояния между ними схематически показана на рис.2.2.

Рис.2.1. Зависимость величины z - потенциала от концентрации противоионов. На кривых указан заряд противоиона

Устойчивость дисперсных систем и коагуляция отражают непосредственно взаимодействие частиц дисперсной фазы между собой или с какими-либо макроповерхностями. В основе теории устойчивости лежит соотношение между силами притяжения и отталкивания частиц. Широкое признание получила теория устойчивости, впервые предложенная Б.В. Дерягиным и Л.Д. Ландау, учитывающая электростатическую составляющую расклинивающего давления (отталкивания) и его молекулярную составляющую (притяжение).

В упрощенном варианте общая энергия взаимодействия между двумя частицами, приходящаяся на единицу площади, равна

Е=Епрот. (2.1)

Рис.2.2. Зависимость энергии взаимодействия частиц (Еобщ) от расстояния между ними (L), Еобщпритяжотталк

 

Каждую из этих составляющих можно выразить как функцию от расстояния между частицами

прпрdh, (2.2)

dEототdh, (2.3)

где Рпр – давление притяжения, т.е. молекулярная составляющая расклинивающего давления; Рот – давление отталкивания, в данном случае электростатическая составляющая расклинивающего давления.

Давление притяжения обусловлено обычно стремлением системы к уменьшению поверхностной энергии, его природа связана с ван-дер-ваальсовыми силами. Давление отталкивания обусловлено только электростатическими силами, поэтому

от= d , (2.4)

где - объемная плотность заряда в ЭДС, - электропотенциал двойного слоя.

Если частицы находятся на расстояниях, на которых взаимодействие не происходит, то ДЭС не перекрываются, и потенциалы в них практически равны нулю. При сближении частиц ДЭС перекрываются, в результате потенциалы значительно увеличиваются вплоть до 2 и силы отталкивания возрастают.

В области малых значений потенциалов электростатическая составляющая давления сильно зависит от значения потенциала, с ростом же потенциала эта зависимость становится менее заметной. Энергия отталкивания частиц возрастает с уменьшением расстояния h между ними по экспоненциальному закону.

Энергия притяжения частиц согласно упрощенному уравнению 2.5.обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Рпр= - , (2.5)

где n – число атомов в единице объема частицы; К – константа, зависящая от природы взаимодействующих фаз;

Энергия притяжения между частицами значительно медленнее уменьшается с расстоянием, чем энергия притяжения между молекулами (атомами). Отсюда следует, что частицы дисперсных систем взаимодействуют на более далеких расстояниях, чем молекулы.

Устойчивость дисперсных систем или скорость коагуляции зависит от знака и значения общей потенциальной энергии взаимодействия частиц. Положительная энергия отталкивания Еот с увеличением h уменьшается по экспоненциальному закону, а отрицательная Епр обратно пропорциональна квадрату h. В результате на малых расстояниях (при h®0, Еот®const, Eпр® ) и на больших расстояниях между частицами преобладает энергия притяжения, а на средних – энергия электростатического отталкивания.

Первичный минимум I (рис 2.2) отвечает непосредственному слипанию частиц, а вторичный минимум II – их притяжению через прослойку среды. Максимум, соответствующий средним расстояниям, характеризует потенциальный барьер, препятствующий слипанию частиц. Силы взаимодействия могут распространяться на расстояния до сотен нм, а максимальное значение энергии может превышать 10-2 Дж/м2. Увеличению потенциального барьера способствует рост потенциала на поверхности частиц в области его малых значений. Уже при 20 мВ возникает потенциальный барьер, обеспечивающий агрегативную устойчивость дисперсных систем.

В различных отраслях промышленности встречаются дисперсные системы, содержащие разнородные частицы, отличающиеся химической природой, знаком и величиной поверхностного заряда, размерами. Агрегацию таких частиц (коагуляцию) называют гетерокоагуляцией. Это наиболее общий случай взаимодействия частиц при крашении, флотации, образовании донных отложений, осадков сточных вод. Термином взаимная коагуляция обозначают более частный случай – агрегацию разноименно заряженных частиц.

Процесс взаимной коагуляции широко используют на практике для разрушения агрегативной устойчивости дисперсных систем, например, при очистке сточных вод. Так, обработка сточных вод при определенных условиях солями алюминия или железа вызывает быструю коагуляцию взвешенных отрицательно заряженных веществ, взаимодействующих с положительно заряженными частицами гидроксидов алюминия и железа, образующимися при гидролизе солей.

Лиофильные коллоиды характеризуются интенсивным взаимодействием дисперсных частиц со средой и термодинамической устойчивостью системы. Решающая роль в стабилизации лиофильных коллоидов принадлежит сольватным слоям, формирующимся на поверхности дисперсной фазы в результате полимолекулярной адсорбции молекул растворителя. Способность сольватной оболочки препятствовать слипанию частиц объясняют наличием у нее сопротивления сдвигу, мешающему выдавливанию молекул среды из зазора между частицами, а также отсутствием заметного поверхностного натяжения на границе сольватного слоя и свободной фазы. Стабилизации дисперсных систем способствует введение в систему ПАВ. Неионные ПАВ, адсорбируясь на гидрофобных дисперсных частицах, превращают их в гидрофильные и увеличивают устойчивость золей.

 






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.