4.1 Факторы устойчивости дисперсных систем
Так как движущей силой коагуляции является избыточная поверхностная энергия G =σs (1.1), то факторами, обеспечивающими устойчивость дисперсных систем (при сохранении s), будут те, которые снижают поверхностное натяжение σ, уменьшают вероятность эффективных соударений между частицами, создают потенциальные барьеры, замедляющие или даже исключающие процесс коагуляции.
Как правило, агрегативно устойчивые системы получают в присутствии стабилизатора. В результате адсорбции вещества стабилизатора снижается межфазное натяжение и на поверхности частиц образуется защитный слой, препятствующий в силу своих особых свойств соприкосновению и слипанию и обеспечивающий работу того или иного фактора устойчивости.
Применение в качестве стабилизатора электролита обеспечивает работу электростатического фактора устойчивости. Межфазное натяжение в системе уменьшается вследствие возникновения двойного электрического слоя на поверхности частиц в соответствии с уравнением Липпмана:
dσ/dφ = - qs, |
(4.3) |
где φ - электрический потенциал, qs - заряд единицы поверхности.
В агрегативно устойчивой коллоидной системе мицеллы (частица вместе с двойным электрическим слоем) участвуют в тепловом движении.
Электростатические силы отталкивания между гранулами начинают проявляться при перекрытии диффузных слоев (рис.4.1).
Рис.4.1. Схема, илюстрирующая действие электростатического фактора устойчивости: а - двойные электрические слои не перекрыты; б - двойные электрические слои перекрыты.
Следовательно, толщина диффузного слоя агрегативно устойчивой системы должна быть такой, чтобы частицы не могли сблизиться на расстояние, где силы молекулярного притяжения между частицами больше, чем электростатические силы отталкивания. В этом случае частицы не будут слипаться и агрегативная устойчивость не будет нарушена.
Адсорбционно-сольватный фактор: межфазное натяжение уменьшается при взаимодействии частиц дисперсной фазы со средой (благодаря сольватации и адсорбции) в соответствии с уравнением Дюпре для работы адгезии и адсорбционным уравнением Гиббса:
|
(4.4) |
|
(4.5) |
Образование адсорбционно-сольватного слоя - процесс самопроизвольный, сопровождается уменьшением свободной поверхностной энергии, следовательно, обратный процесс (десорбция) не может происходить без затраты энергии извне, поэтому адсорбционно-сольватная оболочка препятствует объединению частиц, т.е. обеспечивает устойчивость дисперсной системы.
Энтропийный фактор действует в свободнодисперсных системах. В соответствии со вторым законом термодинамики равновесное состояние соответствует максимуму энтропии системы, что отвечает равномерному распределению частиц дисперсной фазы по объему системы. При сближении частиц энтропия падает, системе это термодинамически не выгодно, и наступает так называемый энтропийный запрет сближения. Особое значение энтропийный фактор приобретает при использовании в качестве стабилизаторов поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Структурно-механический фактор - его действие обусловлено тем, что на поверхности частиц имеются пленки, обладающие упругостью и механической прочностью, разрушение которых требует затраты энергии и времени. Такие пленки образуют высокомолекулярные соединения (ВМС) и ПАВ с большой длиной углеводородного радикала.
Гидродинамический фактор снижает вероятность и частоту столкновения частиц благодаря высокой вязкости среды и плотности дисперсной фазы и среды
Как правило, агрегативную устойчивость обеспечивают смешанный фактор, т.е. несколько факторов одновременно, при этом один может быть главенствующим.
Каждому фактору устойчивости соответствует определенный метод его нейтрализации. Например, действие электростатического фактора значительно снижается, а в ряде случаев совершенно исключается при введении в систему электролитов, которые вызывают сжатие двойного электрического слоя. Действие структурно-механического фактора можно уменьшить, если в систему ввести вещества, разжижающие и растворяющие упругие структурированные слои на поверхности частиц.