
- •И. А. Кировская
- •Получение, очистка и коагуляция коллоидных растворов
- •Дисперсные системы. Коллоидное состояние
- •Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
- •1.2. Получение коллоидных растворов
- •Методы диспергирования
- •Методы конденсации
- •1.3. Очистка коллоидных растворов
- •1.4. Устойчивость и коагуляция коллоидных растворов Устойчивость коллоидных растворов. Виды устойчивости
- •Факторы устойчивости коллоидных растворов
- •Коагуляция коллоидных растворов
- •Факторы и стадии коагуляции
- •Коагуляция под действием электролитов
- •Тестовые задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •2.1. Броуновское движение
- •2.2. Диффузия
- •2.3. Осмотическое давление
- •2.4. Седиментационное равновесие
- •2.5. Седиментационный анализ
- •Принцип седиментационного анализа
- •Методы седиментационного анализа
- •Седиментация монодисперсных суспензий
- •Седиментация полимерных суспензий
- •Тестовые задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •3.1. Рассеяние света
- •3.2. Поглощение света
- •3.3. Оптическая анизотропия
- •Применение уравнения Рэлея. Нефелометрия. Турбидиметрия. Ультрамикроскопия
- •Нефелометрия
- •Турбидиметрия
- •Ультрамикроскопия
- •3.5. Электронная микроскопия
- •3.6. Другие практически важные следствия, вытекающие из анализа уравнения Рэлея
- •3.7. Оптические явления и окраска золей
- •Тестовые задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •4.1. Общая характеристика поверхностных явлений. Поверхностное натяжение
- •Адсорбция – самопроизвольный и экзотермический процесс
- •Тестовые задания
- •4.2. Адсорбция на границе раздела 11 жидкость - газ Термодинамический подход к рассмотрению адсорбции на границе раздела жидкость-газ
- •Построение изотермы адсорбции на границе раздела жидкость-газ графическим методом и определение характеристик поверхностного слоя
- •Построение изотермы адсорбции с помощью уравнения Шишковского и определение характеристик поверхностного слоя
- •Построение изотермы состояния мономолекулярного адсорбционного слоя
- •Влияние строения и размера молекулы поверхностно-активного вещества на адсорбцию на границе раздела жидкость - газ. Правило Дюкло-Траубе
- •Строение адсорбционного слоя на границе раздела жидкость – газ
- •Тестовые задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •4.3. Адсорбция на границе раздела твердое тело - газ Физическая и химическая адсорбция
- •Адсорбции
- •Равновесные (статические) изотермы адсорбции. Основные уравнения
- •Уравнения кинетических изотерм адсорбции
- •Основные термодинамические характеристики адсорбции Теплота адсорбции
- •Разновидности теплот адсорбции
- •Зависимость теплоты адсорбции от заполнения поверхности
- •Энтропия адсорбции
- •Способы определения энтропии адсорбции
- •Теоретический (статистический) расчет энтропии адсорбции
- •Кинетика адсорбции и десорбции Факторы, определяющие скорость адсорбции и десорбции
- •Энергетические соотношения при адсорбции. Способы определения энергии активации адсорбции. Зависимость ее от заполнения поверхности
- •Энергия активации десорбции
- •Тестовые задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •4.4. Адсорбция на границе раздела твердое тело - жидкость Общая характеристика адсорбции на границе раздела твердое тело - жидкость. Зависимость ее от различных факторов
- •Молекулярная адсорбция
- •Основные закономерности молекулярной адсорбции из разбавленных растворов
- •Адсорбция из растворов электролитов. Адсорбция ионов
- •Обменная адсорбция
- •Измерение адсорбции из растворов
- •4.5. Значение и практическое применение адсорбции
- •Понизители твердости для различных пород
- •Тестовые задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •5.1. Электрокинетические явления Прямые и обратные электрокинетические явления
- •Значение и практическое применение электрокинетических явлений Научное значение
- •Технические применения
- •5.2. Двойной электрический слой Развитие представлений о двойном электрическом слое
- •Механизмы возникновения двойного электрического слоя
- •Электрокинетический потенциал
- •Наиболее характерные свойства электрокинетического потенциала
- •Строение коллоидных частиц лиофобных золей (мицеллярная теория строения лиофобных золей)
- •Тестовые задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Глава I. Дисперсные системы, коллоидное состояние.
- •Глава II. Молекулярно-кинетические свойства
- •Глава IV. Поверхностные явления……………………………………….. 71
- •ГлаваV. Электрические свойства коллоидных растворов.. …….. 155
Понизители твердости для различных пород
Породы |
Добавки |
Концентрация, % |
Кварциты и породы с высоким содержанием кварца |
Хлорид натрия Хлорид алюминия Мыло (в слабощелочном растворе) |
0,07-0,25 0,01-0,05
0,5-1 |
Алюмосиликатные породы (граниты с малым содержанием кварца, сиениты, андезиты и др.). |
Нафтеновое масло (в слабо- щелочном растворе) |
0,25 |
Железисто-магнезиальные силикаты |
Сода Нафтеновые мыла Тринатрийфосфат |
0,25 0,25 0,25 |
Карбоновые породы (известняки, доломиты и др.) |
Щелочные электролиты сов- местно с хлоридом натрия Известь |
0,1-0,25
0,05-0,07 |
Сульфатные породы (ангидриты, гипс и др.) |
Едкий натр Известь |
0,05-0,1 0,06 |
Рудные породы (мартит, гематит, магнетит, пирит и др.) |
Хлорид алюминия Хлорид железа (III) Хлорид натрия |
0,1 0,1 0,1-0,25 |
Глинистые породы (глинистые сланцы, аргиллиты и др.) |
Хлорид натрия с добавлением соды |
0,25 |
Оба метода - типичные ионообменные процессы, в которых избыток ОН- способствует выделению из обменного комплекса трудноудаляемых ионов Н+:
2 П Н+ + Са(ОН)2 П2- Са2+ + 2Н2О,
П Н+ + NH4ОН П NH4 + + Н2О ,
где П - ионогенная группа поглотителя.
Равновесие сдвигается вправо вследствие малой величины константы диссоциации воды, и торфяная почва, приобретая Са2+ или NH4+ - форму (форма ионита определяется составом противоионов), становится плодородной.
Изучение адсорбции весьма важно для понимания механизма и соответственно повышения эффективности многих производственных процессов.
К числу таковых следует отнести получение в производственных масштабах воды, пригодной для пищевых и технических целей (ее умягчение, опреснение или полная деминерализация).
Практически все природные воды обладают жесткостью (большей или меньшей), обусловленной присутствием растворимых кальциевых и магниевых солей (карбонатов, бикарбонатов, сульфатов, хлоридов), а также соединений железа и алюминия. Использование жесткой воды в паровых котлах приводит к образованию накипей, разрушающих стенки котлов и способствующих перегреву, что уменьшает срок эксплуатации котлов, увеличивает опасность работы с ними.
Жесткая вода неприменима также для многих производственных процессов: она нарушает моющее действие мыл17 2) вследствие образования нерастворимых магниевых и кальциевых солей, часто непригодна для питья и приготовления пищи (сваренные в такой воде овощи тверды и безвкусны).
Разнообразные способы умягчения воды разрабатывались с давних времен, однако лишь с использованием ионного обмена удалось осуществить достаточно рентабельный метод умягчения воды в промышленных маштабах. В этом методе ионообменную смолу (катионит), выпускаемую промышленностью обычно в виде зерен, переводят в Na - форму и загружают в колонку, через которую пропускают природную воду. Процесс идет по схеме
2П-Na+ + Ca2+ П2- Са2+ + 2 Na+.
В результате обмена в воду поступают ионы Na+. Анионы в обмене не участвуют.
Применение катионитов позволяет устранить жесткость воды, но не обеспечивает ее деминерализацию - частичное или полное опреснение (обессоливание) воды, т.е. удаление содержащихся в ней электролитов (получение пресной воды на морских судах, дистиллированной воды и т.д.). Благодаря использованию различных синтетических смол, способных к обмену, как катионов, так и анионов, здесь также удалось добиться значительных успехов.
Обычную водопроводную воду последовательно пропускают через Н+ -форму катионита сильно кислотного типа и затем - через ОН- - форму сильного атионита18 3)
ПH+ +Na+ + C1 П Na+ + H+ + C1
П+ ОН +Н+ + С1 П+ С1+Н2О
Происходит замена всех катионов раствора ионами водорода, а анионов - ионами гидроксила, что позволяет получить воду, по качеству не уступающую дистиллированной.
Иониты после использования их емкости могут быть легко регенерированы посредством обработки кислотой и щелочью. Поскольку последние легко получаются из природной воды путем электролиза, процесс опреснения в принципе не требует расхода химических веществ - затрачивается лишь электроэнергия. Используемые в промышленности иониты обладают высокой механической и химической стойкостью и выдерживают практически сотни регенерационных циклов.
Возможность получать дистиллированную воду с помощью адсорбентов имеет большое значение для питания водой паровых котлов высокого давления и в ряде других производств (пивоварение, текстильное, аккумуляторное, фармацевтических и фотографических препаратов, химически чистых реактивов и др.).
Подобные схемы используются и для решения не менее важной проблемы современности - очистки заводских сточных вод, в которых многие вредные вещества, в том числе радиоактивные, содержатся в ионных формах (ионы тяжелых металлов, органические основания и др.). Задача извлечения этих веществ, часто весьма ценных для народного хозяйства, решается во многих случаях сравнительно легко благодаря их высокой адсорбционной способности.
Необходимо особо отметить широкое применение ионообменной адсорбции для извлечения ценных компонентов, например урана, золота, серебра, меди (из рудничных вод). В промышленности редких металлов специально подобранными адсорбентами извлекают из растворов ценные соединения. Практически нет производства по переработке урановых руд, в котором не применялась бы ионообменная адсорбция. Ионный обмен используется для разделения редкоземельных элементов, что позволяет получать их в больших количествах и с высокой степенью чистоты. Раньше для этой цели применяли перекристаллизацию, производительность которой несравненно ниже. Уместно также сказать об улавливании ценных паров и газов различными твердыми адсорбентами.
На склонности к обмену многих органических ионов основывается технология крашения в текстильной промышленности. Благодаря наличию постоянного дипольного момента и большой поляризуемости, многие красители адсорбируются настолько прочно (вытесняя при этом эквивалентное количество неорганических ионов), что этот процесс является необратимым. Кислые красители (окрашенные анионы) адсорбируются на положительно заряженных, т.е. основных адсорбентах (анионитах), основные красители (окрашенные катионы) - на отрицательно заряженных, т.е. кислотных адсорбентах (катионитах). Такие адсорбенты, как шерсть, шелк и вообще белковые вещества, обладают амфотерными свойствами и в зависимости от среды способны менять знак своего заряда. Поэтому их можно красить и кислыми, и основными красителями, для чего достаточно предварительно подвергнуть обработке протравами (кислыми или щелочными растворами).
Следует также сказать о применениях ионного обмена в современной медицине: при заболеваниях, характеризующихся нарушениями ионного баланса в органах и тканях (язве желудка, гипертонических отеках и др.). Путем введения высокодиспергированных порошков из ионообменных смол удается во многих случаях сдвинуть в нужную сторону и далее поддерживать необходимый ионный баланс организма.
Небольшие количества чистого активированного угля и коллоидных препаратов используются в медицине в качестве противоядий при отравлениях.
Адсорбция газов и паров на твердых адсорбентах лежит в основе сорбционной техники, применяемой для борьбы с отравляющими и вредными для здоровья газами и парами в воздухе. Первостепенна ее роль при кондиционировании воздуха.
Экономически выгодно применение адсорбентов (угля, силикагеля и др.) для улавливания паров бензина при химической чистке тканей, сероуглерода - в резиновой промышленности, паров летучих растворителей - в производстве лаков, целлулоида, искусственных волокон, кинопленки и др. Большое количество активированного угля расходуется для заполнения противогазов.
Важную роль адсорбционные явления играют при флотации, в гетерогенном катализе. Исследование адсорбционной способности катализаторов способствовало их рациональному подбору и широкому применению в разных технологических процессах.
Адсорбция на твердых адсорбентах используется для обесцвечивания и осветления растворов в производстве сахара, глюкозы, многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов.
С явлениями адсорбции связано получение устойчивых эмульсий, играющих огромную роль в кожевенной, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Адсорбция играет основную роль во многих процессах, протекающих в коллоидных растворах, в частности процессах, связанных с их строением и зарядом коллоидных частиц [18].
Более подробно рассмотрим роль адсорбции (на различных границах раздела) на примере пищевой пpoмышленности.
Адсорбция газов на твердых поверхностях используется для очистки воздуха в производственных помещениях от паров некоторых растворителей, вредных веществ и примесей (аммиака, сероводорода, диоксида серы, некоторых спиртов), а также для очистки технологических газовых потоков с целью предотвращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Особенно много вредных газообразных примесей образуется в масложировой (например, в производстве маргарина) и в бродильной промышленности (например, в производстве дрожжей).
Поглощение паров воды происходит на пористых пищевых маслах, которые выполняют роль твердого адсорбента. Подобные процессы наблюдаются на сахаре рафинаде, сухарях, некоторых сортах конфет, сухофруктах, какао-порошке, крахмале и других продуктах питания.
Адсорбционный способ регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов позволяет в несколько раз сократить потери и увеличить сроки хранения. Способ основан на адсорбции кислорода и снижении его концентрации в 7-9 раз (по сравнению с его концентрацией в атмосферном воздухе) с одновременным увеличением концентрации диоксида углерода (СО2 получают искусственным путем). Так, например, для хранения картофеля оптимальная температура воздуха составляет +10 0С (283 К), а газовая среда должна иметь следующий состав: 1-5 % СО2; 1-3 % О2; 93-97 % N2.
Адсорбция на границе жидкость - гaз обычно приводит к снижению поверхностного натяжения жидкости и, как следствие этого, к улучшению смачивания поверхности.
Так, адсорбция различных пищевых кислот, в частности лимонной, снижает по сравнению с водой поверхностное натяжение большинства прохладительных напитков (типа «Байкал», «Буратино» и др.). Адсорбция на указанной границе способствует устойчивости пен, образующихся при производстве соков и напитков.
Подобный процесс имеет место в бродильной промышленности при производстве дрожжей и некоторых других полупродуктов.
Усиление смачивания водой различных поверхностей широко используется в пищевой промышленности в качестве сопутствующего процесса: при мойке оборудования, подготовке сырья, обработке полуфабрикатов и т. д.
Адсоpбция на границе твердое тело - жидкость широко применяется при очистке жидкостей (например, диффузионного сока при производстве сахаров, растительных масел и соков) от примесей.
Следует отметить, что часто один и тот же адсорбционный процесс в пищевой промышленности используют для различных целей. Например, при обесцвечивании сахарных спиртов и других жидкостей одновременно устраняется их запах, привкус, удаляются коллоидные и иные примеси.
Обобщить сказанное можно табл. 4.2.
Процессы адсорбции нашли широкое применение для разделения и анализа газовых смесей, растворов сложного состава в хроматографии, основывающейся на способности избирательного и последовательного поглощения адсорбентами соответствующих веществ. Замечательной особенностью данного метода является возможность разделения сложных смесей без изменения химического состава их компонентов [1].
Таблица 4.2
Адсорбция в пищевой технологии
Поверхность раздела фаз |
Процессы |
Отрасль пищевой промышленности |
Твердое тело - газ |
Улавливание вредных примесей, очистка воздуха, регулирование газового состава, поглощение влаги и др. |
Масложировая, бродильная, крахмалопаточная, сахарная, кондитерская. |
Жидкость – газ |
Изменение свойств и усиление адгезии жидких продуктов, улучшение смачивания, пенообразование, сопутствующие процессы. |
Производство напитков и соков, молочная, масложиро- вая и др. |
Твердое тело - Жидкость |
Очистка жидких продук- тов, извлечение примесей. |
Сахарная, масложировая, бродильная, крахмалопаточ- ная, производство соков. |