Ультрафильтрация

Для отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды, а также концентрирования растворов применяют фильтрацию. Фильтрация проводится через фильтры с порами, не пропускающими коллоидные (ультрамикрогетерогенные) частицы, поэтому ее называют ультрафильтрацией. Поскольку через ультрафильтры дисперсионная среда проходит медленно, то ультрафильтрацию проводят под давлением.

10 Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Понятие об устойчивости коллоидных систем введено Песковым. Различают два вида устойчивости лиофобных дисперсных систем: седиментационную (кинетическую) и агрегативную.

Седиментационная устойчивость - это устойчивость дисперсной фа­зы к воздействию силы тяжести или способность частиц оставаться во взвешенном состоянии. Все высокодисперсные системы седиментационно устойчивы, для них характерно седиментационно-диффузионное равнове­сие.

Агрегативная устойчивость - это способность частиц дисперсной фазы сохранять присущую ей степень дисперсности и индивидуальность. Потеря агрегативной устойчивости приводит к объединению и укрупне­нию частиц (коагуляции) и последующему разделению фаз.

Дисперсная система может обладать только одним видом устойчиво­сти. Например, многие порошки агрегативно устойчивы, а седиментацион­но неустойчивы.

Факторы стабилизации коллоидных систем. Различают кинети­ческие и термодинамические факторы устойчивости. Термодинамические факторы обусловлены снижением запаса свободной поверхностной энер­гии в системе. К ним относятся:

электростатический фактор, в ре­зультате образования которого снижается поверхностное натяжение на границе раздела фаз, происходит выравнивание полярностей и уменьшает­ся величина G;

адсорбционно-сольватный фактор, который связан с уменьшением поверхностного натяжения в результате адсорбции молекул дисперсионной среды на по­верхности частиц дисперсной фазы. При этом образуется сольватная обо­лочка.

Энтропийный фактор заключает­ся в стремлении частиц к равномерному распределению в объеме.

Кинетические факторы устойчивости дисперсных систем связаны с изменением свойств среды и поверхности частицы. К ним относятся следующие:

Структурно-механический фактор - на поверхности частицы обра­зуются пленки ПАВ или высокомолекулярных соединений. Пленки обладают упругостью и механической прочностью, на их разрушение требует­ся затрата энергии.

Гидродинамический фактор устойчивости повышает устойчивость дисперсных систем за счет изменения вязкости и плотности дисперсион­ной среды.

В реальных дисперсных системах чаще всего встречается смешан­ный фактор устойчивости. Например, образование ДЭС обычно сопрово­ждается образованием сольватной оболочки.

Рассмотрим подробнее адсорбционно-сольватный и структурно-механический факторы устойчивости.

Устойчивость дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой часто обусловлена образованием на границе раздела фаз слоя адсорбиро­ванных молекул дисперсионной средьы. В результате поверхностное натя­жение между поверхностью адсорбционного слоя и средой снижается до нуля. Отсутствуют также силы притяжения между адсорбционными слоя­ми. При сближении частиц приходится совершать значительную работу по разрушению адсорбционного слоя - работу десорбции. Поэтому проявля­ются значительные силы отталкивания, которые предупреждают слипание частиц. Этот фактор устойчивости имеет большое практическое значение.

Для стабилизации гидрофобных систем используют добавки ПАВ и высокомолекулярных соединений. Эти стабилизаторы повышают межфаз­ное взаимодействие. Адсорбируясь на поверхности частиц, они снижают поверхностное натяжение и способствуют образованию сольватных обо­лочек. Чем прочнее стабилизатор закрепляется на поверхности частиц, тем выше стабилизирующая способность. Многие ВМС образуют в результате адсорбции гелеобразные пленки, обладающие механической прочностью и упругостью. Они препятствуют слипанию частиц, образуя структурно-механический барьер. Золь как бы приобретает свойства защитного веще­ства. Стабилизация лиофобных золей с помощью лиофильных коллоидов называют коллоидной защитой, защищенность золей принято характери­зовать защитными числами.

Коагуляция. Правила коагуляции электролитами. Потеря агрега-тивной устойчивости дисперсных систем проявляется в ослаблении или снятии фактора устойчивости и слипании частиц дисперсной фазы. В ре­зультате коагуляции происходит либо образования осадка и разрушение лиофобной дисперсной системы, либо образование внутренней коагуляци-онной структуры, то есть гелеобразование. Чаще всего коагуляция проис­ходит под действием электролитов, которые изменяют структуру ДЭС. Существует ряд эмпирических правил, которыми можно пользоваться на практике

1. Все электролиты вызывают коагуляцию золей.

2. Коагуляцию вызывает лишь тот ион, который совпадает по знаку с противсшошми ДЭС. То есть коагуляцию вызывает тот ион элек­тролита, который сжимает двойной электрический слой. Это же правило можно сформулировать так: коагуляцию вызывает ион, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы.

3. Большим коагулирующим действием обладает ион с большей ва­лентностью. Это правило известно как правили Шульце-Гарди. Если валентность изменяется в арифметической прогрессии, то коагулирующая способность - в геометрической.

4. При одинаковой валентности большей коагулирующей способно­стью обладают ионы с большим ионным радиусом.

5. Для начала коагуляции необходима определенная концентрация электролита, называемая порогом коагуляции.

Под порогом коагуляции понимают ту концентрацию электролита, при которой в системе начинается коагуляция, обнаруживаемая экс­периментальными методами. Или порогом коагуляции называется то количество молей (или кмолей) электролита, которое может вызвать коагуля­цию 1 литра (м³) золя.

Порог коагуляции рассчитывают по формуле:

 = (1000N*V₂)/V₁ , (X. 1)

где  - порог коагуляции;

N- концентрация электролита;

V₂ - объем электролита, вызывающего коагуляцию;

V₁ - объем золя, взятого для работы.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью электролита. Она показывает, какой объем золя мо­жет скоагулировать 1 моль данного электролита.

Основы теории ДЛФО

Теория названа по первым буквам фамилий ученых, предложивших ее (Б.В.Дерягин, Л.Д.Ландау, Е.Фервей, Дж.Овербек). Теория рассматри­вает коагуляцию, как результат взаимодействия сил притяжения и оттал­кивания в растворе.

Взаимодействие ионстабилизированных коллоидных частиц в растворе. Взаимодействие между двумя коллоидными частицами обу­словлено ван-дер-ваальсовыми силами притяжения и силами отталкива­ния, которые определяются зарядом коллоидных частиц и расклиниваю­щим давлением. Сумма этих сил определяет общий характер взаимодейст­вия коллоидных частиц

Понятие о расклинивающем давлении одно из основных в теории ДЛФО. При сближении коллоидных частиц между ними образуется топ­кий слой жидкости, в котором возникает расклинивающее давление. Вблизи фазовой границы существуют поверхностные силы, действующие на определенное расстояние от поверхности. При сближении коллоидных частиц в растворе происходит перекрытие двух смежных межфазовых об­ластей (двойных электрических слоев). До перекрытия давление в зазоре между частицами было общим для всего раствора и равно величине Р. По­сле перекрытия свободная энергия системы изменяется, а давление в слое жидкости между частицами становится равным Р₁.