7.9.7. Очистка коллоидов. Мембраны и мембранные процессы

Диализ – метод очистки коллоидных растворов или растворов ВМС от содержащихся в них примесей в виде ионов или молекул, способных проникать через полупроницаемую мембрану. Примеси в результате диффузии из области с большей концентрацией самопроизвольно переходят в раствор с меньшей концентрацией, который периодически меняется. На рис. 7.11. представлена схема прибора – диализатора.

В электродиализе (рис. 7.11,б) для ускорения процесса используют электрический ток. Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими поочередно концентрирующие и обессоливающие камеры. Через систему пропускают постоянный ток, под действием которого катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь к аноду, задерживаются катионитовыми мембранами. В результате ионы обеих знаков выводятся в концентрирующие камеры.

а)	б)

Рис. 7.11. Схема диализа (а), электродиализа (б):

(а): 1 – дисперсионная среда (чистая жидкость); 2 – коллоидный раствор; 3 – полупроницаемая мембрана; 5 – поток примесей.

(б): 1 – коллоидный раствор; 2 – полупроницаемая мембрана; 3 – электроды; 4 – патрубки для подвода и отвода жидкости.

Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими поочередно концентрирующие и обессоливающие камеры. Через систему пропускают постоянный ток, под действием которого катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь к аноду, задерживаются катионитовыми мембранами. В результате ионы обеих знаков выводятся в концентрирующие камеры.

Мембраны для электродиализаторов изготовляют в виде гибких листов прямоугольной формы, в виде рулонов из термопластичного полимера (полиэтилен, полипропилен и др.) и ионообменных смол. Ионообменные мембраны имеют заряженные группы, связанные с матрицей мембраны. Ионы из состава этих групп обмениваются на ионы того же знака из раствора.

Некоторые мембраны сравнительно инертные в электрическом отношении, как, например, мембраны из ацетата целлюлозы, используют для опреснения воды за счет обратного осмоса.

Обратный осмос – процесс опреснения воды за счет фильтрации через специальные полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое. Направление движения жидкости противоположно ее направлению в случае осмоса. Поэтому движение жидкости через мембрану под давлением получило название «обратный осмос».

7.9.8. Устойчивость коллоидных систем. Коагуляция коллоидных растворов

Будучи системой термодинамически неустойчивой дисперсная система должна со временем разрушиться. Способность дисперсной системы сохранять в течение определенного времени свою структуру называется устойчивостью. Различают седиментационную и агрегативную устойчивость.

Седиментационная устойчивость – способность дисперсионной системы сохранять во времени неизменным распределение частиц по объему системы, т.е. способность противостоять действию силы тяжести. Седиментационная устойчивость возникает благодаря броуновскому движению коллоидных частиц, вызываемому беспорядочными ударами со стороны молекул среды, находящихся в тепловом движении. Его впервые наблюдал в 1827 году английский ботаник Броун (1773-1857 гг.). Именно поэтому движение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде золя называется броуновским. Следствием броуновского движения является диффузия, которая выравнивает концентрацию частиц по всему объему, препятствуя седиментации, которая повышает концентрацию частиц в нижних слоях системы.

Седиментационная устойчивость определяется размерами частиц дисперсной фазы:

1) лиофобные золи (10^–7–10^–5 см) седиментационно устойчивы, частицы равномерно распредены в объеме;

2) микрогетерогенные системы (10^–5–10^–3 см) характеризуются установлением равновесия между процессами седиментации и диффузии, частицы по объему системы распределены неравномерно;

3) грубодисперсные системы (более 10^–3 см) – седиментационно-неустойчивые системы с быстрым оседанием частиц.

Агрегативная устойчивость дисперсной системы – способность сохранять во времени степень дисперсности неизменной, противостоять их слипанию – коагуляции.

Гидратная оболочка заметно снижает поверхностную энергию дисперсной фазы и тем самым уменьшает стремление частиц к укрупнению. Гидратная оболочка приводит также к разобщению частиц в коллоидном растворе, что повышает агрегативную устойчивость.

При некоторых условиях число противоионов в коллоидной частице может стать таким, что их заряд полностью нейтрализует заряд потенциал определяющих ионов, т.е. коллоидная частица станет незаряженной. Гидратная оболочка частицы разрушится. Не защищенные коллоидные частицы при столкновениях слипаются, укрупняются. Процесс укрупнения частиц, приводящий к потере устойчивости золя, называется коагуляцией. Коагуляция золя - самопроизвольный процесс приводит к уменьшению межфазной границы, потере золем его агрегативной устойчивости, которая выражается в образовании осадка.

Коагулирующей частью электролита являются ионы, которые несут заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы. Одним из основных методов коагуляции служит введение в коллоидную систему электролита, который имеет многозарядные противоионы по отношению к заряженным коллоидным частицам. Например, в раствор с отрицательно заряженными коллоидными частицами вводят сульфаты алюминия или железа (III). Адсорбция многозарядных ионов (Fe³⁺, Al³⁺) нейтрализует отрицательный заряд коллоидных частиц. Результатом является потеря гидратной оболочки, нарушение устойчивости золя, сопровождающееся его коагуляцией. Наименьшая концентрация электролита, выраженная в моль/л, которая вызывает коагуляцию 1 л коллоидного раствора, называется порогом коагуляции.

Коагулирующее действие электролита возрастает обратно пропорционально зарядности иона в шестой степени – правило значности Шульце-Гарди.

(7.35)

Помимо действия электролитов коагуляция может быть вызвана неэлектролитами, механическим воздействием, сильным охлаждением или нагреванием, пропусканием электрического тока, действием лучистой энергии, длительным диализом.

Теория устойчивости лиофобных золей ДЛФО (Дерягин, Ландау, Фервей, Овербек) рассматривает процесс коагуляции как результат действия электростатических сил отталкивания и ванн-дер-ваальсовых сил притяжения, действующих между частицами дисперсной фазы. Соотношение этих сил в тонкой пленке жидкости между частицами вызывает либо их взаимное отталкивание - положительное расклинивающее давление, вызванное поступлением дисперсионной среды в пространство между частицами, либо отрицательное давление, приводящее к утончению жидкой прослойки и слипанию частиц.