Методы конденсации

Конденсацию частиц истинных растворов до размеров коллоидных частиц можно вызвать действием физических и химических факторов: резким охлаждением паров вещества, заменой лучшего растворителя на худший, образованием золей при химических реакциях. И в том, и в другом случае в основе лежит образование в гомогенной среде новой фазы, имеющей коллоидную дисперсность.

При физической конденсации общим условием образования новой фазы является состояние перенасыщения раствора или пара. С возникновением местных пересыщений в каких-то участках раствора образуются агрегаты из нескольких молекул, которые и становятся зародышами новой фазы. Роль зародышей обычно выполняют имеющиеся или вносимые в систему центры кристаллизации – пылинки, небольшие добавки готового золя и др. Чем больше число центров кристаллизации и меньше скорость роста кристаллов, тем выше дисперсность получаемых золей. В противном случае образуются крупные частицы, которые не обладают кинетической устойчивостью и выпадают в осадок.

При химической конденсации новая фаза возникает в результате протекания реакций, приводящих к образованию нерастворимых в данной среде веществ. Таковыми являются реакции восстановления, окисления, обмена, гидролиза. Для них оптимальные условия образования и роста зародышей подбирают опытным путем. Как правило, высокодисперсные золи получают внесением в разбавленный раствор одного из реактивов небольшого количества концентрированного раствора второго реактива при интенсивном перемешивании.

Рассмотрим важнейшие конденсационные методы получения коллоидных растворов.

1.3. Очистка коллоидных растворов

При получении коллоидных растворов тем или иным методом, осо­бенно с по­мощью химических реакций, практически невозможно преду­смотреть необходимое количественное соотношение реагентов. Поэтому свежеприготовленные коллоидные растворы почти всегда "загрязнены" различными примесями. Последние чаще всего появляются при введе­нии в систему избытка стабилизаторов и электролитов и, как след­ствие, понижают устойчивость коллоидных растворов, создают помехи в изучении их свойств.

Очистка коллоидных растворов от молекулярно-ионных примесей растворенных веществ называется диализом. Он осуществляется в специальных приборах -диализаторах (рис. 1.2) и основан на разности в скоростях диффузии истинно - и коллоидно-растворенных веществ через полупроницаемые перегородки (мембраны): через них свободно проходят ионы и молекулы низкомолекулярных ве­ществ, но задерживаются более крупные по размеру коллоидные час­тицы и макромолекулы ВМС. В качестве мембран применяют пленки из пергамента живого пузыря, коллодия, целлофана, желатина, нитро- и ацетилцеллюлозы и других веществ.

Рис. 1.2. Схемы диализаторов

А-коллоидный раствор, Б -растворитель (вода), М -мембрана

Эффективность диализа зависит от пористости и заряда мембран, растворимости в них диффиндирующего вещества и особенно от разности концентраций примеси по обе стороны мембран, которая может задаваться периодической или непрерывной сменой растворителя в приборе. Для ускорения диализа и экономии растворителя, что осо­бенно важно в производственных условиях, увеличивают площадь (поверхность) мембраны, изменяют давление, создают высокий гра­диент (резкое падение) концентрации по обе стороны мембран, повышают температуру и др. Наибольший результат достигается за счет применения электрического поля и проточной воды.

Процесс диализа, ускоренный электрическим полем, называется электродиализом, а прибор для его осуществления - электродиализатором. Схемы простейшего электродиализатора приведены на рис. 1.3.

Он представляет собой сосуд, разделенный двумя мембранами на три камеры - две боковые и среднюю. Мембраны непроницаемы для коллоидных частиц, но пропускают растворитель (воду) и ионы электролита. Коллоидный раствор, подлежащий очистке, наливают в среднюю камеру прибора и хорошо перемешивают. В боковые камеры помещает электроды от источника постоянного тока и обеспечивают в них непрерывную циркуляцию воды. При пропускании электрического тока ионы электролита перемещаются из средней камеры в боковые к соответствующим электродам и уносятся водой. Очистка в этих условиях требует значительно меньше времени, чем очистка без приме­нения электрического тока: коллоидный раствор может быть очищен от растворенных солей за часы и даже минуты.

Рис. 1.3. Схема электродиализатора:

А -коллоидный раствор в средней камере прибора, Б -растворитель (вода) и

Э -электроды в боковых камерах прибора, М-мембрана

Электролиз применяется в промышленности и в лабораторной прак­тике. Этим методом очищают от солей пищевой желатин, дубильные вещества, силикагель, клей, красители и другие технически важные вещества.

В ряде случаев для исследовательских целей и решения производственно-технических задач необходимо полное отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды, а в растворах BМC - отделение этого соединения от растворителя. Такое разделении осуществляется ультрафильтрацией и центрифугированием.

Ультрафильтрация- фильтрование коллоидного ра­створа через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую коллоидные частицы или макромолекулы. Для ускорения ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе сторона мембраны: под вакуумом или под повышением давления. Вакуум создают откачиванием воздуха из расположенного под фильтром сосуда, повышенное давление - нагнетанием воздуха в сосуд, расположенный над фильтром. Для предотвращения разрыва мембраны ее помещают на твердую пористую пластинку (рис. 1.4.). По сравнению с диализом, ультрафильтрация позволяет скорее и тщательнее отделить от коллоидного раствора электролиты и другие примеси (например, низкомолекулярные органические соединения). Особенно этот эффект значите­лен при сочетании ультрафильтрации с элекродиализом. На конечной стадии ультрафильтрации добиваются концентрирования коллоидного раствора.

Рис. 1.4. Схема установки для

ультрафильтрации:

А – коллоидный раствор;

В – воронка; М- мембрана;

П – пластинка с отверстиями;

У – ультрафильтрат

Поскольку поры обычной фильтровальной бумаги легко пропускают колло-

идные частицы, при ультрафильтрации в качестве мембраны применяют специальные фильтры (целлофан, пергамент, асбест, керамические фильтры и т.п.). Применение мембраны с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно их определить. Таким образом, ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных растворов, но может быть также использована для целей дисперсионного анализа и препаративного деления дисперсных систем.