Ультрафільтрація

Метод очищення колоїдного розчину фільтруванням його крізь напівпроникну мембрану, яка пропускає дисперсне середовище разом з низькомолекулярними домішками, але затримує частинки дисперсної фази. Для прискорення ультрафільтрації цей процес проводять при різниці тисків по обидва боки мембрани. Ультрафільтрація дає змогу швидше відокремити від колоїдного розчину електроліти та інші низькомолекулярні органічні сполуки, ніж це відбувається при діалізі. Ультрафільтрація широко використовується у промисловості і науково-дослідній роботі, в медицині та ветеринарії (очищення від йонних і нейонних домішок води, рідкого палива, оливи, розчинників, білків, нуклеїнових кислот, ферментів, вітамінів та ін.). Вона використовується при аналізі забруднень довкілля промисловими відходами, в мікробіології і вірусології.

Ультрафільтрація може бути поєднана з електродіалізом – електроультрафільтрація. В діалізаторі монтується ультрафільтр з електродами. Електроультрафільтрацію застосовують для очищення та розділення білків, а в останні роки в лікарнях для обробки крові.

Електродекантація застосовується для підвищення концентрації золю або розчину ВМС. Для цього в середню частину звичайного електродіалізатора вноситься колоїдний розчин і пропускається електричний струм і вода. Заряджені колоїдні частинки рухаються до відповідного електрода, в результаті чого зростає їх концентрація. Концентрований розчин відводиться і збирається у окремий посуд. Цей спосіб концентрування вперше був використаний для одержання деяких вірусів у чистому вигляді, наприклад, віруса поліомієліту.

Тема: поверхневі явища і адсорбція

Важливою фізико-хімічною властивістю рідини є поверхневий натяг. Суть у тому, що поверхневий шар рідини за фізико-хімічними властивостями відрізняється від внутрішніх шарів. Кожна молекула всередині рідини притягує до себе інші навколишні молекули й одночасно з такою ж силою притягується рівномірно з усіх боків молекулами, що оточують її (рис. 11 а). Силове поле кожної молекули всередині рідини симетрично насичене. На молекули, які знаходяться поблизу поверхні, діють слабкі сили притягання з боку межі фаз (рис. 11 б). Положення таких молекул енергетично нескомпенсоване. При попаданні молекули рідини на межу фаз (рис. 11 в) некомпенсованість молекулярної взаємодії зростає. Це зумовлено тим, що інтенсивність взаємодії між молекулами рідини значно вища, ніж взаємодія між молекулами рідини та газу. На рис. 11 особливості взаємодії показані стрілками різної довжини.

Енергетична некомпенсованість молекул та межі фаз призводять до втягування молекул, розташованих на поверхні, у глибину рідини. Внаслідок цього виникає сила, під дією якої поверхня рідини на межі рідина-газ зменшується до мінімальних розмірів, а молекули поверхні наближаються до молекул нижчих поверхневих шарів. При цьому відстань між молекулами поверхневого шару менша, ніж між молекулами внутрішніх шарів. Молекули, розташовані на поверхні, не повністю реалізують свою здатність до взаємодії і тому мають нескомпенсований надлишок енергії, який називають вільною поверхневою енергією G_s.

Рис. 11 Стан молекул у поверхневому і глибинному шарах.

Відношення надлишку вільної поверхневої енергії G_s до одиниці площі поділу фаз S називають поверхневим натягом:

, (12)

де: G_s – поверхнева енергія; S – площа поділу фаз; σ – поверхневий натяг.

Поверхневий натяг – це запас поверхневої енергії даної системи.

Для чистих рідин поверхневий натяг залежить від природи рідини і температури, а для розчинів – від природи розчинника, від природи і концентрації розчиненої речовини.

Розчинені речовини можуть знижувати або підвищувати поверхневий натяг. Ті речовини, що значно знижують поверхневий натяг даної рідини, називають поверхнево-активними. Для води поверхнево-активними є спирти, мила, білки, жовчні кислоти, глікозиди. Додавання таких речовин до води покращує спінювання, тобто утворення великої кількості нових поверхневих плівок рідини, що пояснюється зниженням поверхневого натягу.

Рис. 12 Сталагмометр.

Речовини, які підвищують поверхневий натяг рідини, називають поверхнево-неактивними. Поверхневий натяг води підвищується при розчиненні неорганічних кислот, лугів, деяких солей.

Існує кілька методів визначення поверхневого натягу: за відривом краплі, за висотою підняття рідини в капілярі, найбільшого тиску бульбашок. Найчастіше використовується сталагмометричний метод, який базується на застосуванні приладу – сталагмометра (рис. 12).

Прилад є капілярною трубкою з верхньою 1 і нижньою 2 мітками, а посередині – розширенням 3. Метод ґрунтується на тому, що крапля, яка утворюється на кінці капілярної трубки 4 сталагмометра, утримується силою поверхневого натягу. Крапля відривається у той момент, коли її вага зрівнюється з силою поверхневого натягу, що утримує краплю, або перевищить її на дуже незначну величину. Для рідини з більшим поверхневим натягом відрив крапель ускладнений, і утворювані краплі будуть більші, ніж у рідин з меншим поверхневим натягом, а тому кількість їх буде менша. Сталагмометр заповнюють рідиною і рахують число крапель n, що витікають з об’єму V. Потім прилад заповнюють дистильованою водою і рахують число крапель води n₀, що витікає із цього самого об’єму V. Якщо з об’єму V витікає n крапель рідини, густина якої ρ, то вагу краплі визначають згідно з рівнянням:

,

де g – прискорення вільного падіння.

Поверхневий натяг виражається в одиницях сили на одиницю довжини (н/м²), або величиною енергії на одиницю площі (Дж/м²).

Поверхневий натяг є одним із факторів, що визначає форму клітини і її частин. Локальним змінам поверхневого натягу належить важлива роль у процесах сприйняття і передачі нервових імпульсів, у фагоцитозі та проникності клітинних мембран.

Визначення поверхневого натягу біологічних рідин є важливим для аналізу стану обміну речовин у клінічно здорового або хворого організму. Величина σ для сироватки крові різних тварин наведена у табл. 3.

Таблиця 2.3.