3.1. Механизм флокуляции

Влияние ВМС на устойчивость коллоидных растворов непосредственно связано с особенностями адсорбции макромолекул (ионов) частицами дисперсной фазы и с параметрами формирующихся на поверхности адсорбционных слоев: их толщины, характера распределения плотности звеньев по нормали к поверхности, гибкости (жесткости) полимерных цепей. Необходимо учитывать также изменение характеристик ДЭС частиц и самого флокулянта при адсорбции.

Подавляющее большинство авторов основной причиной флокуляции считают образование мостиков между дисперсными частицами через молекулы адсорбированного флокулянта. Таким образом объясняют получение более объемистых и рыхлых осадков по сравнению с коагулянтами, рост флокулирующего действия по мере увеличения молекулярной массы, зависимость степени флокуляции от условий проведения процесса, возможность флокуляции частиц добавками одноименно заряженных полиэлектролитов и т.д.

В сложных системах возможно образование больших мостиков "частица - макроион - многозарядный противоион - макроион - частица". Такие мостики могут формироваться вследствие химического взаимодействия многозарядных ионов металлов (коагулянтов) с функциональными группами адсорбированного на частицах полиэлектролита. Примерная схема образования флокул показана на рис. 3.1.

Предпринята попытка обосновать закономерности флокуляции с использованием механизма мостикообразования, основанная на рассмотрении баланса сил притяжения и отталкивания между частицами. Суммарная энергия взаимодействия частиц состоит из трех составляющих

, (3.1)

где – энергия взаимодействия двух одинаковых сферических частиц (энергия молекулярного притяжения); – энергия отталкивания частиц; – энергия взаимодействия адсорбированных звеньев с поверхностью непокрытых адсорбатом частиц.

Рис. 3.1. Схема процесса флокуляции взвешенных частиц:

а - схема адсорбции линейной молекулы флокулянта на хлопьях коагулянта;

б - схема адсорбции глобулярной молекулы; 1 - частицы суспензии; 2 - адсорбирующий сегмент; 3 - внутримолекулярная связь.

Последняя также состоит из двух составляющих: из адсорбционного притяжения, обусловленного адсорбцией частиц на единице поверхности, и энергии отталкивания вследствие уменьшения числа возможных конфигураций полимерной цепи системы при образовании двух мостиков из одной петли.

Изменение различных составляющих энергии взаимодействия частиц, покрытых адсорбатом-полиэлектролитом, от расстояния при максимальной флокуляции показано на рис. 3.2.

Механизм флокуляции дисперсий противоположно заряженными полиэлектролитами аналогичен механизму нейтрализационной коагуляции золей многозарядными противоионами – это снижение эффективного заряда и потенциала частиц. Снижение заряда поверхности может происходить как за счет накопления достаточно большого числа противоположно заряженных звеньев в слое, так и вследствие различного рода химических взаимодействий между функциональными группами полиэлектролита и потенциалопределяющими ионами или противоионами ДЭС самих частиц. Добавки электролитов расширяют область флокулирующей концентрации полиэлектролита вследствие нейтрализации части поверхностного заряда противоионами.

Рис. 3.2. Изменение энергий взаимодействия частиц с расстоянием

Высокомолекулярные соединения – эффективные флокулянты дисперсных систем, так как весьма малые дозы – тысячные доли от массы твердой фазы – могут радикально изменить агрегативную устойчивость систем. Однако снижение агрегативной устойчивости дисперсных систем может происходить при низких концентрациях, а при высоких может наблюдаться увеличение стабильности дисперсий. Стабилизирующее действие ВМС может быть следствием стерических факторов, гидрофилизации поверхности частиц, образования сетчатых структур.

Эффективность флокуляции характеризуется, по меньшей мере, тремя параметрами: глубиной минимума на кривой устойчивость – концентрация полимера; минимальной концентрацией ВМС, вызывающей максимальную флокуляцию, и протяженностью области дестабилизации системы. Чем больше интервал концентрации полимера, при котором наблюдается дестабилизация дисперсий, тем легче управлять процессом, меньше опасность ухудшения агрегации частиц при отклонении от оптимальной дозы реагента. Флокулирующая способность ВМС зависит от ряда факторов: природы и количества вводимого полимера, его молекулярной массы и заряда, условий введения реагента, содержания в системе дисперсной фазы и электролитов и т.д. Влияние концентрации полимера на флокуляцию частиц иллюстрирует рис. 3.3.

Рис.3.3. Зависимость числа частиц (N) в дисперсной системе от концентрации в ней полимера (С) при содержании дисперсной фазы в исходной системе:1<2<3

Флокулирующую способность ВМС оценивают иногда величиной

, (3.2)

где – скорость осветления суспензии; – минимально необходимая для этого концентрация флокулянта.

Лучшая флокуляция характерна для линейных полимеров или полимеров со слегка изогнутой цепью по сравнению с полимерами, имеющими клубкообразные макромолекулы, так как последние хуже растворяются в воде. Безусловно, необходимо учитывать размеры полимера, его заряд. Образование непрочных связей с частицами приводит к ухудшению флокуляции, но недопустимы и сверхпрочные связи. Много факторов влияет на величину оптимальной дозы флокулянта, флокулирующую способность ВМС, поэтому для каждой системы необходимо подбирать оптимальные технологические режимы.