Устойчивость дисперсных систем

Устойчивость дисперсных систем подразделяют на два вида:

1. устойчивость к осаждению дисперсной фазы (седиментационная устойчивость) – характеризует способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц дисперсной фазы по объёму дисперсионной среды;

2. устойчивость к агрегации частиц дисперсной фазы (агрегативная устойчивость) - характеризует способность дисперсной системы противодействовать процессам укрупнения частиц дисперсной фазы.

Седиментационная устойчивость

Для свободнодисперсных систем, в которых движение частиц дисперсной фазы не осложнено их агрегацией, характерны общие закономерности седиментации (разделения фаз). Скорость этого процесса определяется следующими свойствами:

• дисперсная фаза: удельный вес, размер и форма частиц;

• дисперсионная среда: плотность и вязкость.

Для дисперсных систем, в которых дисперсионной средой является жидкость, комплексным параметром, оценивающим их седиментационную устойчивость, который учитывает все указанные свойства, является гидравлическая крупность частиц дисперсной фазы, т.е., по сути, усреднённая скорость вертикального движения (осаждения или всплывания) этих частиц (мм/с).

Агрегативная устойчивость

Лиофобные системы по определению должны обладать избытком поверхностной энергии, если она не скомпенсирована введением стабилизаторов. Поэтому в таких системах постоянно происходят самопроизвольные процессы укрупнения частиц дисперсной фазы, т.е. происходит снижение поверхностной энергии за счёт уменьшения удельной поверхности. Таким образом, лиофобные системы являются агрегативно неустойчивыми.

Укрупнение частиц может осуществляться двумя путями:

1. изотермической перегонкой - переносом вещества от мелких частиц к крупным, в результате чего мелкие частицы постепенно растворяются (испаряются), а крупные – растут.

2. коагуляцией – слипанием и слиянием частиц. В общем смысле под коагуляцией понимают потерю агрегативной устойчивости дисперсной системой. Она в конечном итоге приводит к расслоению (разделению) фаз. К этому процессу также относят адгезионное взаимодействие частиц дисперсной фазы с макроповерхностью (адагуляция). В более узком смысле коагуляцией называют слипание частиц, а процесс слияния частиц – коалисценцией.

Устойчивая свободнодисперсная система, в которой дисперсная фаза равномерно распределена по всему объёму дисперсионной среды, может образоваться в результате конденсации из истинного раствора. Потеря агрегативной устойчивости приводит к коагуляции, первый этап которой состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взаимной их фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остаются прослойки дисперсионной среды. В результате образуются коагуляционные структуры, отличающиеся подвижностью частиц относительно друг друга под действием сравнительно небольших нагрузок, или флокулы (флокуляция – образование агрегатов из нескольких частиц, разделённых прослойками среды).

Более глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек дисперсионной среды и непосредственному контакту частиц. В итоге образуются жесткие агрегаты из твёрдых частиц или происходит полное слияние жидких и газообразных частиц (коалисценция).

Таким образом, понятие коагуляции включает в себя несколько процессов, идущих с уменьшением удельной поверхности дисперсной фазы.

Агрегативная устойчивость нестабилизированных лиофобных систем носит кинетический характер. Судить о ней можно по скорости процессов, обусловленных избытком поверхностной энергии:

• при изотермической перегонке - по скорости массопереноса от мелких частиц к крупным;

• при коагуляции - по скорости слипания (слияния) частиц.

Кроме того, агрегативная устойчивость может носить термодинамический характер. Это наблюдается, если дисперсная система не обладает избытком поверхностной энергии. В таких системах не происходит процесс коагуляции.

Различают термодинамически агрегативно устойчивые системы и системы, термодинамически устойчивые к коагуляции. Лиофильные системы термодинамически агрегативно устойчивы, и для них процесс коагуляции не характерен. Лиофобные стабилизированные системы – термодинамически устойчивы к коагуляции. Термодинамически устойчивые к коагуляции системы являются термодинамически неустойчивыми к изотермической перегонке.

Существуют термодинамические и кинетические факторы агрегативной устойчивости дисперсных систем. Термодинамическими являются факторы, снижающие поверхностное натяжение. Кинетические факторы в основном связаны с гидродинамическими свойствами среды, а именно, с замедлением сближения частиц, вытекания и разрушения прослоек среды между ними.

Различают следующие термодинамические и кинетические факторы устойчивости дисперсных систем:

• электростатический фактор – уменьшение межфазного натяжения в результате возникновения двойного электрического слоя на поверхности частиц;

• адсорбционно-сольватный фактор – уменьшение межфазного натяжения при воздействии частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой;

• энтропийный фактор – стремление дисперсной фазы к равномерному распределению по объёму дисперсионной среды;

• структурно-механический фактор - образование на поверхности частиц пленок, обладающих упругостью и механической прочностью, разрушение которых требует затраты энергии и времени;

• гидродинамический фактор – снижение скорости коагуляции за счет изменения вязкости среды и плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды;

• смешанные факторы – совокупность термодинамических и кинетических факторов, приводящих к снижению поверхностного натяжения и проявлению структурно-механических свойств прослоек.

Сточная вода представляет собой отличную от обычных гидросмесей среду со специфическими физическими свойствами, определяемыми содержанием в ней растворённых веществ и коллоидов; т.е. сточную жидкость следует считать и суспензоидом и эмульсоидом.

Взвешенные вещества сточных вод делятся на оседающие и неоседающие. К оседающим относят вещества, выпадающие на дно сосуда в виде осадка в результате двухчасового отстаивания в лабораторных условиях. Характеристика этих взвешенных веществ может быть получена по кинетике их выпадения в осадок.

После сушки выпавшей взвеси при 105⁰ С и взвешивания определяют содержания (в мг/л) оседающих веществ. Отношение массы оставшейся золы после прокаливания воздушно-сухого осадка при температуре 600⁰ С к общей массе абсолютно-сухого вещества осадка, выраженное в процентах, даёт зольность осадка. Потеря при прокаливании определяет количество беззольного вещества.

Общее количество взвешенных веществ в бытовых сточных водах принимается около 65г на одного человека в сутки, из них 60-75% - оседающие с зольностью 20-30% (СНиП 2.04.03-85).

Сток дождевых вод отличается высоким содержанием взвеси. Основное её количество представлено мелкодисперсными частицами. Такой состав взвеси и малая способность частиц к агломерации обуславливают низкую скорость осветления этой категории сточных вод при отстаивании. Образующийся при этом осадок характеризуется высокой зольностью (70-80%). На долю твёрдой фазы стока приходится основное количество органических примесей: около 70% эфирорастворимых и около 90% от общего количества окисляющихся веществ.