Обратимся к другому явлению, когда местоположение зарядов определяется потенциалом, создаваемым в какой-то степени самими зарядами. Такой эффект существен для поведения коллоидов. Коллоид - это взвесь маленьких заряженных частичек в воде. Хотя эти частички и микроскопические, но по сравнению с атомом они все же очень велики. Если бы коллоидные частицы не были заряжены, они бы стремились коагулировать (слиться) в большие комки; но, будучи заряженными, они отталкиваются друг от друга и остаются во взвешенном состоянии. Если в воде растворена еще соль, то она диссоциирует (расползается) на положительные и отрицательные ионы. (Такой раствор ионов называется электролитом.) Отрицательные ионы притягиваются к коллоидным частицам (будем считать, что их заряды положительны), а положительные - отталкиваются. Нам нужно узнать, как ионы, окружающие каждую частицу коллоида, распределены в пространстве.
Чтобы мысль была яснее, рассмотрим только одномерный случай. Представим себе коллоидную частицу в виде очень большого (по сравнению с атомом!) шара; тогда мы можем малую часть ее поверхности считать плоскостью. (Вообще, пытаясь понять новое явление, лучше разобраться в нем на чрезвычайно упрощенной модели; и только потом, поняв суть проблемы, стоит браться за более точные расчеты.)
Предположим, что распределение ионов создает плотность зарядов и электрический потенциал , связанные электростатическим законом , или в одномерном случае законом
Как бы распределились ионы в таком поле, если бы потенциал подчинялся этому уравнению? Узнать это можно при помощи принципов статистической механики. Вопрос в том, как определить , чтобы вытекающая из статистической механики плотность заряда тоже удовлетворяла бы условию (7.28)?
Согласно статистической механике (см. вып. 4, гл. 40), частицы, пребывая в тепловом равновесии в поле сил, распределяются так, что плотность частиц с координатой дается формулой
, (7.29)
где - потенциальная энергия, - постоянная Больцмана, а - абсолютная температура.
Предположим, что у всех ионов один и тот же электрический заряд, положительный или отрицательный. На расстоянии от поверхности коллоидной частицы положительный ион будет обладать потенциальной энергией
Плотность положительных ионов тогда равна
,
а плотность отрицательных
Суммарная плотность заряда
,
(7.30)
Подставляя в (7.28), увидим, что потенциал должен удовлетворять уравнению
(7.31)
Это уравнение решается в общем виде [помножьте обе его части на и проинтегрируйте по ], но, продолжая упрощать задачу, мы ограничимся здесь только предельным случаем малых потенциалов или высоких температур . Малость отвечает разбавленному раствору. Показатель экспоненты тогда мал, и можно взять
(7.32)
Уравнение (7.31) дает
(7.33)
Заметьте, что теперь в правой части стоит знак плюс (решение не колебательное, а экспоненциальное).
Общее решение (7.33) имеет вид
, (7.34)
Постоянные и определяются из добавочных условий. В нашем случае должно быть нулем, иначе потенциал для больших обратится в бесконечность. Итак,
где - потенциал при на поверхности коллоидной частицы.
Потенциал убывает в раз при удалении на (фиг. 7.7). Число называется дебаевской длиной; это мера толщины ионной оболочки, окружающей в электролите каждую большую заряженную частицу. Уравнение (7.36) утверждает, что оболочка становится тоньше по мере увеличения концентрации ионов или уменьшения температуры.
Фигура 7.7. Изменение потенциала у поверхности коллоидной частицы. - дебаевская длина.
Постоянную в (7.36) легко получить, если известен поверхностный заряд а на поверхности заряженной частицы. Мы знаем, что
(7.37)
Мы сказали, что коллоидные частицы не слипаются вследствие электрического отталкивания. Но теперь мы видим, что невдалеке от поверхности частицы из-за возникающей вокруг нее ионной оболочки поле спадает. Если бы оболочка стала достаточно тонкой, у частиц появился бы шанс столкнуться друг с другом. Тогда они бы слиплись, коллоид бы осадился и выпал из жидкости. Из нашего анализа ясно, что после добавления в коллоид подходящего количества соли начнется выпадение осадка. Этот процесс называется «высаливанием коллоида».
Другой интересный пример - это влияние растворения соли на осаждение белка. Молекула белка - это длинная, сложная и гибкая цепь аминокислот. На ней там и сям имеются заряды, и временами заряд какого-то одного знака, скажем отрицательного, распределяется вдоль всей цепи. В результате взаимного отталкивания отрицательных зарядов белковая цепь распрямляется. Если в растворе имеются еще другие такие же молекулы-цепочки, то они не слипаются между собой вследствие того же отталкивания. Так возникает в жидкости взвесь молекул-цепочек. Но стоит добавить туда соли, как свойства взвеси изменятся. Уменьшится дебаевская длина, молекулы начнут сближаться и свертываться в спирали. А если соли много, то молекулы белка начнут выпадать в осадок. Существует множество других химических явлений, которые можно понять на основе анализа электрических сил.
Основной темой данной статьи будет коллоидная частица. Здесь мы рассмотрим понятие и мицеллы. А также ознакомимся с основным видовым разнообразием частиц, относящихся, к коллоидным. Отдельно остановимся на различных особенностях изучаемого термина, некоторых отдельных понятиях и многом другом.
Понятие коллоидной частицы тесно связано с различными растворами. В своей совокупности они могут образовывать разнообразные системы микрогетерогенного и дисперсного характера. Частички, образующие такие системы, по размерам обычно лежат в пределах от одного до ста мкм. Помимо наличия поверхности с четко разделенными границами между дисперсной средой и фазой, коллоидные частицы характеризуются свойством малой устойчивости, а сами растворы образоваться самопроизвольно не могут. Наличие большого разнообразия в строении внутренней структуры и размерах вызывает создание большого числа методов получения частиц.
В коллоидных растворах частицы во всей своей совокупности образуют системы дисперсоного типа, которые являются промежуточными между растворами, которые определяют как истинные и грубодисперсные. В данных растворах капли, частички и даже пузырьки, образующие дисперсную фазу, обладают размером от одного до тысячи нм. Они распределяются в толще дисперсной среды, как правило, непрерывной, и отличаются от исходной системы составом и/или агрегатным состоянием. Чтобы лучше понять значение такой терминологической единицы, лучше рассмотреть ее на фоне систем, которые она образует.
Среди свойств коллоидных растворов основными можно определить:
Основные классификационные единицы коллоидных растворов:
Во всех этих коллоидных системах размеры частиц могут сильно отличаться в зависимости от своей природы происхождения и агрегатного состояния. Но даже несмотря на такое крайне разнообразное количество систем, обладающих разной структурой, все они относятся к коллоидным.
Первичные частицы, имеющие коллоидные размеры, по типу внутренней структуры делятся на следующие виды:
Процессы образования данных структур очень различаются между собой, что усложняет процесс понимания их на детальном уровне, на уровне химии и физики. Коллоидные частицы, из которых образуются такие имеют крайне разную форму и условия протекания процесса образования цельной системы.
Суспензоидами называют растворы с элементами металлов и их вариациями в форме оксида, гидроксида, сульфида и прочих солей.
Все образующие частицы вышеупомянутых веществ обладают молекулярной или ионной кристаллической решеткой. Они формируют фазу дисперсного типа вещества - суспензоида.
Отличительной чертой, позволяющей отличать их от суспензий, является наличие более высокого показателя дисперсности. Но они связаны между собой отсутствием механизма стабилизации для дисперсности.
Необратимость суспензоидов объясняется тем, что осадок процесса их впаривания не дает человеку получить вновь золи посредством создания контакта между самим осадком и дисперсной средой. Все суспензоиды являются лиофобными. В подобных растворах называются коллоидными частицы, относящиеся к металлам и производным солям, которые были измельчены или конденсированы.
Методика получения ничем не отличается от тех двух способов, которыми всегда создают дисперсные системы:
Мицелярные коллоиды также именуют полуколлоидами. Частички, из которых они создаются, возникать могут при наличии достаточного уровня дифильного типа. Такие молекулы могут образовать только низкомолекулярные вещества посредством их ассоциирования в агрегат молекулы - мицеллу.
Молекулы дифильной природы - это структуры, состоящие из углеводородного радикала, параметрами и свойствами сходного с неполярным растворителем и гидрофильной группой, которую также называют полярной.
Мицеллы - это особые скопления правильно расставленных молекул, которые удерживаются преимущественно посредством использования дисперсных сил. Мицеллы образуются, например, в водных растворах моющих средств.
Молекулярными коллоидами называют высокомолекулярные соединения как природного, так и синтетического происхождения. Молекулярный вес может колебаться от 10.000 до нескольких миллионов. Молекулярные фрагменты подобных веществ обладают размером коллоидной частицы. Сами молекулы именуют макромолекулами.
Соединения высокомолекулярного типа, подверженные разбавлению, называют истинными, гомогенными. Они, в случае предельного разведения, начинают подчиняться общему ряду законов для разбавленных составов.
Получение коллоидных растворов молекулярного типа является довольно простым заданием. Достаточно заставить контактировать и соответствующий растворитель.
Неполярная форма макромолекул растворяться может в углеводородах, а полярная - в полярных растворителях. Примером последнего может послужить растворение различных белков в растворе воды и соли.
Обратимыми эти вещества называют в связи с тем, что подвергание их выпариванию с добавлением новых порций заставляет молекулярные коллоидные частицы принимать форму раствора. Процесс их растворения должен проходить через стадию, на которой он набухает. Она является характерной чертой, выделяющей молекулярные коллоиды, на фоне других систем, которые были рассмотрены выше.
В процессе набухания молекулы, образующие растворитель, проникают в твердую толщу полимера и тем самым расталкивают макромолекулы. Последние в связи со своими большими размерами начинают медленно диффундировать в растворы. Внешне это можно наблюдать при увеличении объемной величины полимеров.
Мицеллы коллоидной системы и их строение будет проще изучить, если рассмотреть образующий процесс. Возьмем для AgI. В данном случае частицы коллоидного типа будут образоваться в ходе следующей реакции:
AgNO 3 +KI à AgI↓+KNO 3
Молекулы иодида серебра (AgI) образуют практически нерастворимые частички, внутри которых кристаллическая решетка будет образована катионами серебра и анионами иода.
Образующиеся частицы поначалу имеют строение аморфного типа, однако далее, по мере протекания их постепенной кристаллизации, приобретают постоянное устройство внешнего вида.
Если взять AgNO 3 и KI в соответственных эквивалентах, то кристаллические частицы будут расти и достигать значительных размеров, превосходящих даже величину самой коллоидной частицы, а далее быстро выпадать в осадок.
Если взять одно из веществ с избытком, то можно искусственно сделать из него стабилизатор, который будет сообщать об устойчивости коллоидных частиц иодида серебра. В случае чрезмерного количества AgNO 3 раствор будет содержать в себе больше положительных ионов серебра и NO 3 - . Важно знать о том, что процесс формирования кристаллических решеток AgI подчиняется правилу Панета-Фаянса. Следовательно, он способен протекать только в случае наличия ионов, входящих в состав данного вещества, которые в данном растворе представлены катионами серебра (Ag +).
Положительные ионы аргентума будут продолжать достраиваться на уровне формирования кристаллической решетки ядра, прочно входящего в структуру мицеллы и сообщающего об электрическом потенциале. Именно по этой причине ионы, которые используются для достройки ядерной решетки, называют потенциалопределяющими ионами. В ходе образования коллоидной частицы - мицеллы - есть и другие особенности, обуславливающие то или иное течение процесса. Однако здесь было рассмотрено все на примере с упоминанием важнейших элементов.
Термин коллоидной частички тесно связан с адсорбционным слоем, который образуется одновременно с ионами потенциалопределяющего типа, в ходе адсорбции общего количества противоионов.
Гранула - это структура, образованная ядром и адсорбционным слоем. Она обладает электрическим потенциалом такого же знака, которым наделен Е-потенциал, однако его величина будет меньшей и зависит от исходной величины противоионов в слое адсорбции.
Слипание коллоидных частиц является процессом, который именуют коагуляцией. В дисперсных системах она приводит к образованию из мелких частичек более крупных. Процесс характеризуется сцеплением между маленькими структурными компонентами с образованием коагуляционных структур.
Коллоидные частицы гидроксидов и оксисолей, выделяющихся при гидролизе солей-коагулянтов, в нейтральной и слабокислой средах вследствие сорбции катионов водорода и алюминия или железа имеют положительный заряд. Поэтому на кинетику процесса их коагуляции большое влияние оказывает анионный состав среды.[ ...]
Коллоидную частицу удерживает во взвешенном состоянии ее электрический заряд. В дисперсной системе все коллоидные частицы несут на себе одинаковый по знаку заряд, поэтому происходит взаимное электростатическое отталкивание частиц при сближении их друг с другом. Следовательно, заряд коллоидной частицы препятствует их объединению в более крупные агрегаты и тем самым способствует устойчивости этих систем.[ ...]
Коллоидные частицы данного вещества, как правило, сорбируют на своей поверхности ионы одного и того же заряда.. Все частицы данного коллоида поэтому несут на себе один и тот же заряд. Различают коллоиды положительные и коллоиды отрицательные.[ ...]
Заряд коллоидных частиц примесей может понижаться и в результате проникновения катионов коагулянта при сжатии диффузного слоя в адсорбционный. Иногда, например для золей кремниевой кислоты, возможна их специфическая адсорбция, сопровождающаяся образованием труднорастворимых соединений с потенциал-определяющими ионами (гидроксида алюминия или железа и кремниевой кислоты) (нейтрализационная коагуляция). Этот процесс сопровождается уменьшением термодинамического потенциала коллоидных частиц примесей.[ ...]
Коллоидные частицы довольно стабильны. Одна из причин этого состоит в следующем: благодаря малому размеру таких частиц броуновское движение молекул воды оказывает на них более сильное воздействие, чем силы гравитации. Кроме того, электростатические силы отталкивания, обусловленные поверхностным зарядом коллоидных частиц, предотвращают их коагуляцию и последующее осаждение.[ ...]
В коллоидных системах часть ионов адсорбирована коллоидными частицами, которые при этом получают тот или иной заряд; при наложении постоянного электрического поля заряженные коллоидные частицы перемещаются электрофоретически к одному из электродов и осаждаются на нем. Электрофоретические явления, наблюдаемые при наложении на дисперсные водные системы однородных и неоднородных электрических полей, могут быть использованы для очистки высококонцентрированных стоков, а также при обезвоживании осадков .[ ...]
На частицы коллоидов действуют диффузионные силы, и частицы стремятся равномерно распределяться во всем объеме жидкой фазы. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами. При снижении электрического заряда частиц, т. е. при уменьшении -потенциала, силы отталкивания уменьшаются и становится возможным слипание частиц - процесс коагуляции коллоида. Силы взаимного притяжения между коллоидными частицами начинают преобладать над электрическими силами отталкивания при -потенциале системы менее 0,03 В. При -потенциале, равном нулю, коагуляция проходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае носит название изо-электрического состояния, а величина pH называется изоэлектрической точкой системы.[ ...]
Для коллоидных растворов характерно наличие на поверхности частиц двойного электрического слоя, образующегося в результате процессов адсорбции или диссоциации. Поверхность коллоидных частиц несет определенный заряд (для коллоидных частиц природных вод-чаще отрицательный). Этот заряд ком. ренсируется окружающими частицу противоионами, т. е. ионами противоположного знака заряда. Часть противоионов входит в адсорбционный слой, а остальная часть образует так называемый диффузный слой.[ ...]
Ядро частицы составляет агрегат из т молекул кремниевой кислоты. Часть противоионов натрия (п-х) адсорбируется на частице и удерживается электростатическими силами притяжения потенциалопределяющих ионов. Не полностью компенсированный заряд потенциалопределяющих ионов вызывает появление отрицательного заряда у частицы кремниевой кислоты. В электрическом поле коллоидная частица вместе с адсорбционным слоем перемещается к одному полюсу, а ионы диффузного слоя - к противоположному. Если бы коллоидная частица перемещалась в электрическом поле только с потенциалопределяющими ионами, то электрокинетический потенциал должен быть равен термодинамическому потенциалу фо, возникающему между поверхностью частицы и раствором. Наличие в адсорбционном слое про-тивоинов снижает величину потенциала, и электрокинетический потенциал составляет часть полного потенциала. Если граница диффузного слоя совпадает с границей адсорбционного (%=0), то электрокинетический потенциал равен нулю. Такое состояние коллоидной частицы называется изоэлектрической точкой. В изоэлек-трической точке коллоидные частицы теряют устойчивость, укрупняются и выпадают в осадок.[ ...]
Основу коллоидной частицы составляют микрокристаллы труднорастворимого Ре(ОН)з называемые агрегатами. В результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата образуется положительно заряженный слой, состоящий из п ионов водорода (потенциалообразующие ионы, сокращенно ПОИ). Агрегат вместе с потенциалообразующими ионами образует ядро. Под действием электростатических сил притяжения у ядра формируются слой ионов противоположного знака - противоионов, компенсирующих частично заряд ядра. В рассмотренном примере их роль выполняют ионы СГ. Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой.[ ...]
Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, хлопья коагулянтов - слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение, способствующее формированию крупных частиц. В процессе коагуляционной очистки сточных вод происходит соосаждение с минеральными примесями за счет адсорбции последних на поверхности оседающих частиц. Из воды удаляются соединения железа (на 78-89 %), фосфора (на 80-90 %), мышьяка, цинка, меди, фтора и других. Снижение по ХПК составляет 90-93 %, а по БПКб - 80-85 %. Степень очистки зависит от условий воздействия на коагуляцию дисперсной системы радиации, магнитного и электрического полей, введения частиц, взаимодействующих с системой и стабилизирующих ее. Воздействие излучения, как и окисление органических соединений озоном способствует разрушению поверхностно-активных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами твердых и жидких частиц, загрязняющих сточные воды. Под воздействием электрического поля происходит образование агрегатов размером до 500-1000 мкм в системах Ж - Т, Ж] - Ж2 и Г - Т.[ ...]
Наличие заряда на коллоидной частице устанавливается следующим образом. В золь опускают два электрода, соединенных с полюсами источника тока достаточно высокого напряжения. При пропускании тока через раствор коллоидные частицы медленно передвигаются к одному из электродов. Это явление открыл русский ученый Рейсс в 1807 г., производя следующий опыт.[ ...]
Другие силы, за счет которых возможна адсорбция макромолекул, действуют на расстояниях, более близких, чем ван-дер-ваальсовы силы. Представление о соотношении этих сил можно получить исходя из современной теории коагуляции ДЛФО . Схематически характер изменения с расстоянием (согласно этой теории) электростатических и ван-дер-Цаальсо-вых сил, действующих между одноименно заряженными однородными коллойдными частицами, показан на рис. 11.20.[ ...]
Большинство коллоидных частиц природных вод имеют на грануле отрицательный заряд. Его нейтрализация, разрушение диффузионного слоя и гидратной оболочки достигаются введением электролита и золей с противоположным зарядом частиц. В роли электролитов используют соли алюминия и железа.[ ...]
Передвижение коллоидных частиц под влиянием электрического поля свидетельствует о том, что они несут на себе определенный электрический заряд.[ ...]
Как известно, коллоидные частицы (мицеллы) также имеют электрические заряды и поэтому движутся в электрическом поле к электроду, имеющему знак, обратный знаку частицы. Это явление затрудняет протекание процессов электродеионизации. Можно думать, что в большинстве случаев мицеллы не проходят через диафрагмы (мембраны), а накапливаются на поверхности последних.[ ...]
Наружный слой коллоидной частицы частично диссоциирован, причем у отрицательно заряженных коллоидов в окружающий раствор диссоциируют положительно заряженные ионы (катионы), а отрицательный заряд имеет ядро коллоидной частицы. Находящиеся на его поверхности ионы называются потенциалопределяющими, а отдиссоциированные ионы - компенсирующими. При взаимодействии с окружающим коллоидную частицу раствором часть компенсирующих ионов образует так называемый диффузный слой. Электростатические силы, удерживающие ионы диффузного слоя, убывают по мере удаления их от частицы, и они легко обмениваются на ионы, находящиеся в растворе. Коллоидная частица вместе с диффузным слоем называется мицеллой.[ ...]
Возникновение отрицательного заряда у этих минералов связано главным образом с изоморфными замещениями в кремнекислородных тетраэдрах и алюмогидроксильных октаэдрах, из которых построена их кристаллическая решетка. Так, в кремнекислородных тетраэдрических слоях часть ионов кремния (четырехвалентных) внутри тетраэдров может быть изоморфно замещена ионами алюминия (трехвалентными), в результате чего возникают отрицательные заряды. Схематически это можно представить так: соединение состава (Si02)„ нейтрально, но при замещении атома кремния на атом алюминия появляется один отрицательный заряд, при замещении двух атомов кремния на атомы алюминия - два отрицательных заряда и т. д.[ ...]
Для флокуляции частиц с большим электрическим зарядом одноименно заряженными полимерами необходимо уменьшить электростатические силы отталкивания, что производится обычно путем добавления низкомолекулярных электролитов. Низкомолекулярные электролиты, сжимая слой противоионов у поверхности коллоидных частиц и нейтрализуя заряд на их поверхности, облегчают подход макромолекул и их адсорбцию. Одновременно происходит изменение структуры макромолекул. Экранирование заряженных звеньев полимера и уменьшение сил внутримолекулярного отталкивания приводит к сжатию макромолекул. Сжатые макромолекулы, занимая меньший объем, плотнее укладываются на поверхности частиц, в результате чего общее количество адсорбированного полимера возрастает.[ ...]
Для прилипания частиц к поверхности зерен необходимы в общем те же условия, что и для слипания (коагуляции) частиц между собой. Прилипание облегчается, если зерна загрузки и коллоидные частицы имеют различный по знаку заряд и электростатическое отталкивание отсутствует (рис. 111.10).[ ...]
Основу глинистых частиц образуют гидроалюмосиликаты, которые по химической природе являются алюмокремниевыми кислотами или их солями и диссоциируют с образованием сложного аниона и иона водорода или щелочного металла. Возникновение отрицательного заряда у коллоидных частиц глин обусловлено именно данным процессом. Так как алюмокремниевые кислоты имеют малую степень диссоциации, то при снижении pH устойчивость коллоидных частиц глин уменьшается. И наоборот, при повышении щелочности воды устойчивость коллоидных частиц возрастает. Это объясняется тем, что ионы Н+, образующиеся при диссоциации алюмокремниевых кислот, замещаются катионами металлов, а степень диссоциации образующихся солей выше, чем соответствующих кислот. В очень жестких водах коллоидные частицы глины могут иметь положительный заряд.[ ...]
Сложная структура частицы суспензоида формируется вокруг ядра, состоящего из множества молекул не растворимого в дисперсионной среде вещества. Ядро избирательно адсорбирует на своей поверхности ионы, называемые потенциалообразующими, и приобретает заряд. Присутствующие в среде ионы с противоположным знаком заряда (противоионы) вследствие электрического притяжения группируются вокруг ядра, образуя коллоидную частицу. Часть противо-ионов электростатическими силами прочно связана с ядром и образует вместе с адсорбированными на ядре ионами адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой ионов составляют частицу, несущую определенный заряд. Другая часть противоионов под влиянием диффузионных сил слабее связана с ядром и образует вокруг частицы ионную атмосферу (диффузионный слой), компенсирующий заряд частицы. Частица в совокупности с диффузионным слоем составляет мицеллу.[ ...]
В некоторых случаях заряд коллоидных частиц образуется не за счет адсорбции ионов из раствора, а в результате диссоциации поверхностного слоя самого ядра, например при образовании коллоидной кремнекислоты. Молекулы БЮа, реагируя с водой, дают кремневую кислоту Н25Ю3 - слабый электролит с малой степенью диссоциации. Отрицательный заряд частицы ее обусловлен диссоциацией молекул Н25Ю3.[ ...]
Наличие одинакового заряда на всех частицах коллоидной системы препятствует их взаимному, сближению, ибо по законам электростатики одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Коагуляция таких заряженных электрически коллоидных частиц затруднена. Она протекает только после снятия или нейтрализации заряда. Нейтрализация заряда нередко осуществляется за счет сорбции из окружающей среды противоположно заряженных ионов.[ ...]
Отстаивание крупных частиц осуществляется в непрерывнодействующих отстойниках большой емкости. От мелких частиц освобождаются фильтрацией. Для осаждения коллоидных частиц (мельчайших глинистых частиц и белковых веществ) их подвергают коагуляции путем добавки в воду коагулянтов - сульфатов или двойных солей алюминия (алюминиевые квасцы). Ион-коагулянт должен иметь заряд, противоположный заряду коллоидной частицы, чтобы он мог адсорбироваться на поверхности заряженной частицы; это приводит к коагуляции (слипанию) отдельных частиц и образованию осадка.[ ...]
Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.[ ...]
Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. Будучи термодинамически неустойчивыми, коллоидные системы под воздействием различных факторов могут разрушаться. Процесс соединения коллоидных частиц друг с другом, сопровождающийся образованием крупных агрегатов и разрушением коллоидной системы, называется коагуляцией. Она может происходить при введении в систему электролитов, золей с противоположным знаком заряда. Коагуляцию можно вызвать и изменением температуры, механическим воздействием, ионизирующим облучением.[ ...]
Иначе обстоит дело в случае коллоидных растворов. Коллоидные частицы - это сгустки большого числа молекул вещества. Ядро коллоидной частицы имеет кристаллическое строение. Наружный слой молекул этого ядра частично диссоциирован, причем ионы одного знака электрического заряда (например, положительного) находятся в окружающем ядро растворе, а ионы противоположного знака заряда прочно удерживаются поверхностью ядра (рис. 8).[ ...]
Двойной электрический слой. Частица суспензоида (мицелла) имеет сложное строение. В основе ее лежит нерастворимое в данной дисперсионной среде ядро. Поверхность ядра за счет свободной межфазной энергии адсорбирует из окружающей среды ионы в соответствии с правилом Фаянса. Эти ионы называются потенциалобразующими, так как сообщают частице определенный заряд. При адсорбции ионов снижается межфазная свободная энергия, что приводит систему в устойчивое состояние. Например, для золя гидроокиси железа потенциалобразующим ионом будет хлор-окись железа, образующаяся по уравнению Ре(ОН)3+НС1 ±: з= ;Ре0С1+2Н20. Хлорокись диссоциирует по уравнению РеОС1з= =г РеО++С1-. Катионы РеО+ избирательно адсорбируются на поверхности коллоидного ядра, заряжая его положительно. Если адсорбировалось п ионов РеО+, то в растворе находится п ионов С1 . Катион РеО+ сообщает коллоидной частице положительный заряд, а ее противоионами являются ионы хлора, находящиеся в растворе. Противоионы испытывают на себе две силы: электростатическую, притягивающую их к ядру коллоидной частицы, и диффузионную, стремящуюся рассеять их по раствору. В результате совместного действия указанных сил состояние отдельных анионов хлора неодинаково. Часть из них прочно связана с ядром коллоидной частицы, образуя на нем плотный адсорбционный слой (п-х). Другая часть образует диффузный слой х - ионную атмосферу частицы.[ ...]
В активном состоянии мицеллы (коллоидные частицы) находятся в постоянном движении в окружающей их жидкости и называются золем. Но если золь лишить электрического заряда, то он выпадает в осадок (гель). Этот процесс называют коагуляцией. Но чаще всего при некотором воздействии на гель его можно снова перевести в золь; последний процесс именуется пептизацией.[ ...]
Это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ-коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.[ ...]
Одним из методов снижения -потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно 1: 30:1000.[ ...]
Химическое осаждение основано на выравнивании зарядов коллоидных частиц сточных вод. Соединение частиц в более крупные агрегаты обычно тормозится одноименными электрическими зарядами. Однако если прибавить противоположно заряженные ионы или коллоиды, то наступает выравнивание зарядов, достигается «изоэлектрическая точка» и происходит осаждение веществ. Это приводит к полному осветлению сточной воды.[ ...]
При значительной разнице в величине (плотности) заряда разнородных, но одноименно заряженных коллоидных частиц, между ними, как это показал Б. В. Дерягин, может возникнуть не электростатическое отталкивание, а электростатическое притяжение. Возможность возникновения электростатического притяжения и флокуляции одноименно заряженных коллоидных частиц и макромолекул рассмотрена С. С. Хамраевым и А. И. Юсуповым на примере анионных полиакриламидных полимеров и отрицательно заряженных частиц кварца и микроклина.[ ...]
У амфотерных гидроксидов, например у гидроксида алюминия, знак заряда коллоидного раствора зависит от pH. В кислой и нейтральной среде золь гидроксида алюминия имеет положительный заряд. В слабощелочной среде (при pH 8,2) знак заряда коллоидного раствора гидроксида алюминия становится отрицательным, так как роль по-тенциалобразующих ионов уже выполняют алюминат-ионы или гидроксид-ионы. Противоионами будут в таких коллоидных частицах катионы металлов. При низких значениях pH коллоидные частицы гидроксидов металлов адсорбируют большее число катионов (потенциалопределяющих ионов) и поэтому являются более устойчивыми, что объясняется меньшей полнотой гидролиза коагулянта.[ ...]
Гидроокиси алюминия и железа образуют в воде золи с положительным заряДом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают общее коагулирующее действие введенных солей.[ ...]
Поскольку гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы для интенсификации процесса их осаждения в сточные воды необходимо вводить коагулянты и флокулянты. Коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, поэтому для коагуляции сульфидов используют электролиты с многозарядными катионами - обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа. При коагуляции гидроксидов требуется электролит с многозарядными анионами, так как коллоидные частицы заряжены положительно. Хорошими коагулянтами гидроксидов являются сульфат-ионы. Помимо электролитной коагуляции на практике часто используют взаимную коагуляцию коллоидных растворов с противоположным зарядом частиц.[ ...]
При наложении электрического поля происходит поляризация двойного слоя, коллоидные частицы приобретают дипольное строение и начинают двигаться к электроду, имеющему заряд, противоположный по знаку заряду частицы.[ ...]
Измерение дзета-потенциала макромолекул катионных ВМФ отдельно и в смеси с коллоидными растворами показало, что заряд смеси близок к заряду макромолекул . Это свидетельствует об образовании на поверхности коллоидных частиц довольно толстых оболочек полимера. С ростом концентрации ВМФ отрицательный заряд частиц кварца постепенно уменьшался, а затем наступала перезарядка частиц .[ ...]
Вторая стадия процесса коагуляции заключается в том, что отрицательно заряженные коллоидные примеси воды начинают адсорбироваться коагулирующими частицами коагулянта. Снижение или потеря заряда коллоидных частиц примесей может происходить и под действием катиона коагулянта. Если концентрации положительно заряженных золей коагулянта и коллоидных примесей примерно одинаковы, наблюдается взаимная коагуляция. Так как она происходит только в очень узкой зоне концентраций, то ее можно рассматривать как частный случай процесса коагуляции.[ ...]
Эти флокулянты имеют меньший заряд и сохраняют развернутую структуру макромолекулы. Свойства сополимеров с акрил ¡мидом и метакриламидом рассмотрены в п. 1.5.[ ...]
Коагуляция в пределах концентрации электролита от С] до с2 называется медленной коагуляцией. При концентрации электролита с2 заряд коллоидных частиц станет равным нулю. Скорость коагуляции при этом будет максимальной, и дальнейшее прибавление электролита не окажет на нее никакого влияния.[ ...]
Процесс коагулирования можно ускорить добавлением к воде веществ, носящих название флокулянтов. Фло-кулянтами являются вещества, образующие с водой коллоидные дисперсные системы. Роль флокулянта сводится, очевидно, к нейтрализации заряда на коллоидной частице коагулянта и к нарушению «защитных» свойств, некоторых коллоидов (флокулянт можно назвать «коагулянтом коагулянта»).[ ...]
Силы, вызывающие адсорбцию макромолекул флокулянта на дисперсной фазе (взвешенных веществ), имеют различную природу. Они зависят от химического состава ВМС и дисперсных частиц, наличия Ионогенных групп в макромолекуле, а также структуры и электрического заряда коллоидных частиц. Так, линейные полимеры или полимеры со слегка изогнутой цепью являются лучшими флокулянтами, чем глобулообразные макромолекулы. Флокулирующее воздействие ВМС зависит не столько от жесткости макро-молекулярного клубка, сколько от его размеров в растворе, которые определяются как природой полимера, так и его макромолекулярной массой. Молекулярная масса в основном влияет на флокулирующую способность неионных и одноименно заряженных полиэлектролитов; ее увеличение способствует снижению оптимальной флокулирующей дозы реагента. В нейтрализации заряда поверхности дисперсных частиц молекулярная масса полимеров играет меньшую роль.[ ...]
На рис. 22 изображена кривая процесса коагулирования мелкодисперсной глинистой взвеси сернокислым алюминием. При малой концентрации коагулянта мутность воды не изменяется (зона I), но при увеличении его концентрации мутность резко снижается до определенной величины (зона II). При концентрации коагулянта около 20 мг)л произойдет полная взаимная нейтрализация зарядов у коллоидных частиц. Увеличение дозы коагулянта выше 100 мг/л приводит к перезарядке коллоидных частиц и мутность воды может увеличиваться до первоначальной (зона III).[ ...]
Каолинит по сравнению с монтмориллонитом содержит больше алюминия и меньше кремнекислоты. Алюминий, образующий самостоятельный алю-могидроксильный октаэдрический слой, при определенных условиях может проявлять основные свойства. Гидроксильные ионы, связанные с алюминием в октаэдрическом слое и расположенные на внешней поверхности микрокристаллических частиц, при кислой реакции, то есть при избытке в растворе ионов Н’, могут отщепляться, и на отдельных участках коллоидной частицы возникают положительные заряды [...03812020НА12(0Н)2...]+- - ОН-.[ ...]
Содержание взвешенных веществ. Концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей на электродиализный аппарат, не должна превышать 1,5-2,0 мг/л, иначе требуется осветление воды одним из известных методов (коагуляция с фильтрованием, медленные фильтры, патронные фильтры и др.). Даже при обработке профильтрованной воды в электродиализных дилюатных камерах осаждаются коллоидные частицы. Отрицательно заряженные коллоидные и взвешенные частицы мигрируют к поверхности анионитовой мембраны вследствие электрофореза, теряют здесь свой заряд и образуют гелеобразный слой («лакируют» мембрану), ухудшая работу установки.
Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Поэтому их можно получать двумя путями:
а) методами диспергирования – дроблением более крупных частиц до коллоидной степени дисперсности – механическим, электрическим, ультразвуком, пептизацией (превращение осадков в коллоидный раствор под влиянием химических веществ – пептизаторов);
б) методами конденсации – укрупнением частиц в агрегаты коллоидной степени дисперсности (получение нерастворимых веществ в результате реакций различных типов);
в) ультрафильтрацией через полупроницаемые мембраны.
Образование нерастворимого вещества в результате химической реакции – это лишь одно из условий получения коллоидного раствора. Другим не менее важным условием является неравенство исходных веществ, взятых в реакцию. Следствием этого неравенства является ограничение роста величины частиц коллоидах растворов, которое привело бы к образованию грубодисперсной системы.
Механизм образования коллоидной частицы рассмотрим на примере образования золя иодистого серебра, который получается при взаимодействии разбавленных растворов азотнокислого серебра и йодистого калия.
AgNO 3 +KI = AgI + KNO 3
Ag + + NO 3 ¯ +K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +
Нерастворимые нейтральные молекулы йодистого серебра образуют ядро коллоидной частицы.
Сначала эти молекулы соединяются в беспорядке, образуя аморфную, рыхлую структуру, которая постепенно превращается в высокоупорядоченную кристаллическую структуру ядра. В рассматриваемом нами примере ядро это кристаллик йодистого серебра, состоящий из большого числа (m) молекул AgI:
m - ядро коллоидной частицы
На поверхности ядра происходит адсорбционный процесс. По правилу Пескова-Фаянса, на поверхности ядер коллоидных частиц адсорбируются ионы, входящие в состав ядра частицы, т.е. адсорбируются ионы серебра (Аg +) или ионы иода (I –). Из этих двух видов ионов адсорбируютcя те, которые находятся в избытке.
Так, если получать коллоидный раствор в избытке йодистого калия, то адсорбироваться на частицах (ядрах) будут ионы иода, которые достраивают кристаллическую решетку ядра, естественно и прочно входя в его структуру. При этом образуется адсорбционный слой, который придает ядру отрицательный заряд:
Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра, придавая ему соответствующий заряд, называются потенциалобразующими ионами.
При этом в растворе находятся и противоположно заряженные ионы, их называют противоионами. В нашем случае это ионы калия (K +), которые электростатически притягиваются к заряженному ядру (величина заряда может достигать I в). Часть противоионов К + прочно связывается электрическими и адсорбционными силам и и входит в адсорбционный слой. Ядро с образовавшимся на нем двойным адсорбционным слоем ионов называется гранулой.
{m . nI – . (n-x) K + } x – (структура гранулы)
Оставшаяся часть противоионов (обозначим их числом "х К + ") образует диффузный слой ионов.
Ядро с адсорбционным и диффузным слоями называется мицеллой:
{m . nI –. (n-x) K + } x – . х К + (структура мицеллы)
При пропускании постоянного электрического тока через коллоидный раствор гранулы и противоионы двинутся к противоположно заряженным электродам соответственно.
Наличие одноименного заряда на поверхности частиц золей является важным фактором его устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению частиц. В устойчивой дисперсной системе частицы удерживаются во взвешенном состоянии, т.е. не происходит выпадения в осадок коллоидного вещества. Это свойство золей называется кинетической устойчивостью.
Строение мицелл золя иодистого серебра, полученного в избытке AgNO 3 , представлено на рис. 1а, в избытке KCI - 1б.
Рис.1.5. Строение мицелл золя иодистоого серебра, полученного в избытке:
а) азотнокислого серебра; б) хлорида калия.
