25 Быстрая и медленная коагуляция.

Коагуляция

Коагуляция (от лат.Coagulatio — свёртывание, сгущение), самопроизвольный процесс слипания частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате Коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Агрегаты состоят из десятков и сотен исходных дисперсных частиц, разделенных тонкими (наноразмерными) пленками жидкой дисперсионной среды.

Различают быструю и медленную Коагуляцию. При быстрой Коагуляции почти каждое соударение частиц эффективно, т. е. приводит к их соединению. Аналогия с реакцией второго порядка позволяет описать кинетику коагуляции: – dν/dt=Kν², где К – константа скорости коагуляции, м³/с; для перикинетической коагуляции К=4πDl (D – коэффициент диффузии, l – расстояние между центрами дисперсных частиц).

Теория быстрой коагуляции позволяет оценить критическое расстояние l, при котором становится возможным слипание двух дисперсных частиц. Самый простой случай – обе частицы представляют собой сферы одинакового радиуса r.

где k_B - постоянная Больцмана, Т – температура, η – вязкость дисперсионной среды, ν₀ – исходная концентрация частиц, t₀ – время половинной коагуляции. Расчеты на основе экспериментальных данных показывают, что l/r≈2,0-2,5. Теория быстрой коагуляции для более сложных систем учитывает и другие параметры, например, форму частиц. Для анизометричных частиц (например, «палочки») скорость коагуляции в десятки раз больше, чем для сферических частиц равного объема. Причина: для вытянутых частиц повышается частота столкновений при броуновском движении.

При медленной Коагуляции к образованию коагуляционных агрегатов приводят не все соударения, а только некоторая доля ε от общего числа соударений. ε называют эффективностью слипания. Причина неэффективности некоторой части соударений – процесс слипания связан с преодолением определенного энергетического барьера (U).

Коэффициент замедления (W) показывает, во сколько раз скорость медленной коагуляции v_s меньше, чем скорость быстрой коагуляции v_q: W= v_s/v_q. Коэффициент замедления определяют так:

где κ(каппа)=1/δ (δ – приведенная толщина диффузного слоя противоионов в двойном электрическом слое), l – расстояние между центрами сферических дисперсных частиц. Данное уравнение показывает, что режим медленной коагуляции наступает в двух случаях: при большой высоте энергетического барьера U и при увеличении толщины диффузного слоя δ.

При значительном потенциальном барьере, намного превышающем среднюю кинетическую энергию столкновения частиц, скорость коагуляции лиофобных дисперсных систем стремится к нулю, они становятся агрегативно устойчивыми.

Примеры использования явления.

1. Очистка природных и сточных вод от высокодисперсных механических примесей, то есть в загрязненную воду добавляют новое вещество и его взаимодействие с водой вызывает выпадения осадка.

2. Борьба с загрязнением воздушного пространства аэрозолями,

3. выделение каучука из латекса,

4. получение сливочного масла и др. пищевых продуктов - характерные примеры использования коагуляции в практических целях.