Vráťme sa k ďalšiemu javu, keď umiestnenie nábojov je určené potenciálom, ktorý do určitej miery vytvárajú samotné náboje. Tento účinok je nevyhnutný pre správanie koloidov. Koloid je suspenzia malých nabitých častíc vo vode. Hoci sú tieto častice mikroskopické, v porovnaní s atómom sú stále veľmi veľké. Ak by koloidné častice neboli nabité, mali by tendenciu koagulovať (splývať) do veľkých hrudiek; ale keď sú nabité, navzájom sa odpudzujú a zostávajú zavesené. Ak je soľ ešte rozpustená vo vode, potom sa disociuje (tečie) na kladné a záporné ióny. (Takýto roztok iónov sa nazýva elektrolyt.) Negatívne ióny sú priťahované ku koloidným časticiam (budeme predpokladať, že ich náboje sú kladné) a kladné ióny sú odpudzované. Musíme zistiť, ako sú ióny obklopujúce každú koloidnú časticu rozložené v priestore.
Aby bola myšlienka jasnejšia, zvážte iba jednorozmerný prípad. Predstavme si koloidnú časticu vo forme veľmi veľkej (v porovnaní s atómom!) gule; potom môžeme malú časť jeho povrchu považovať za rovinu. (Vo všeobecnosti je pri snahe porozumieť novému javu lepšie ho pochopiť pomocou extrémne zjednodušeného modelu; a až potom, keď pochopíme podstatu problému, stojí za to vykonať presnejšie výpočty.)
Predpokladajme, že rozloženie iónov vytvára hustotu náboja a elektrický potenciál spojený elektrostatickým zákonom, alebo v jednorozmernom prípade zákonom
Ako by sa ióny rozložili v takom poli, keby sa potenciál podriadil tejto rovnici? Môžete to zistiť pomocou princípov štatistickej mechaniky. Otázkou je, ako určiť, že hustota náboja vyplývajúca zo štatistickej mechaniky bude spĺňať aj podmienku (7.28)?
Podľa štatistickej mechaniky (pozri číslo 4, kap. 40) sú častice v tepelnej rovnováhe v poli síl rozdelené tak, že hustota častíc so súradnicou je daná vzorcom
, (7.29)
kde je potenciálna energia, je Boltzmannova konštanta a je absolútna teplota.
Predpokladajme, že všetky ióny majú rovnaký elektrický náboj, kladný alebo záporný. Vo vzdialenosti od povrchu koloidnej častice bude mať kladný ión potenciálnu energiu
Hustota kladných iónov sa potom rovná
,
a hustota záporu
Celková hustota náboja
,
(7.30)
Dosadením do (7.28) vidíme, že potenciál musí spĺňať rovnicu
(7.31)
Táto rovnica je vyriešená v všeobecný pohľad[vynásobte obe časti a prepojte], ale pokračujúc v zjednodušovaní problému, obmedzujeme sa tu len na obmedzujúci prípad malých potenciálov, resp. vysoké teploty... Malé množstvo zodpovedá zriedenému roztoku. Exponent je potom malý a môžete vziať
(7.32)
Rovnica (7.31) dáva
(7.33)
Všimnite si, že teraz je na pravej strane znamienko plus (riešenie nie je oscilačné, ale exponenciálne).
Všeobecné riešenie (7.33) má tvar
, (7.34)
Konštantné a určené z dodatočných podmienok. V našom prípade by to malo byť nula, inak sa potenciál pre veľké obráti do nekonečna. takze
kde je potenciál at na povrchu koloidnej častice.
Potenciál sa niekoľkonásobne zníži, keď sa odstráni o (obr. 7.7). Číslo sa nazýva Debyeova dĺžka; je to miera hrúbky iónového obalu obklopujúceho každú veľkú nabitú časticu v elektrolyte. Rovnica (7.36) hovorí, že škrupina sa stáva tenšou, keď sa zvyšuje koncentrácia iónov alebo klesá teplota.
Obrázok 7.7. Zmena potenciálu na povrchu koloidnej častice. je dĺžka Debye.
Konštantu v (7.36) je možné ľahko získať, ak je známy povrchový náboj a na povrchu nabitej častice. My to vieme
(7.37)
Povedali sme, že koloidné častice sa nezlepia kvôli elektrickému odpudzovaniu. Teraz však vidíme, že neďaleko od povrchu častice v dôsledku iónového obalu vznikajúceho okolo nej pole klesá. Ak by bola škrupina dostatočne tenká, častice by mali šancu sa navzájom zraziť. Potom by sa zlepili, koloid by sa usadil a vypadol z tekutiny. Z našej analýzy je zrejmé, že po pridaní vhodného množstva soli do koloidu sa začne zrážať zrazenina. Tento proces sa nazýva "vysolenie koloidu".
Ďalším zaujímavým príkladom je vplyv rozpúšťania soli na zrážanie proteínov. Proteínová molekula je dlhý, komplexný a flexibilný reťazec aminokyselín. Sem tam sú na ňom náboje a občas je náboj jedného znamienka, povedzme záporný, rozložený pozdĺž celého reťazca. V dôsledku vzájomného odpudzovania negatívnych nábojov sa proteínový reťazec napriamuje. Ak sú v roztoku ešte ďalšie podobné molekuly reťazca, potom sa nezlepia kvôli rovnakému odpudzovaniu. Takto sa v kvapaline objavuje suspenzia molekúl reťazca. Ale ak tam pridáte soľ, vlastnosti suspenzie sa zmenia. Dĺžka Debye sa zníži, molekuly sa začnú zbiehať a stáčať do špirál. A ak je veľa soli, potom sa molekuly bielkovín začnú zrážať. Existuje mnoho ďalších chemických javov, ktoré možno pochopiť z analýzy elektrických síl.
Hlavnou témou tohto článku bude koloidná častica. Tu sa pozrieme na koncept a micely. A tiež sa zoznámime s hlavným druhovej rozmanitostičastice súvisiace s koloidnými. Zastavme sa oddelene rôzne vlastnostištudovaný pojem, niektoré jednotlivé pojmy a mnoho iného.
Pojem koloidná častica úzko súvisí s rôznymi riešeniami. Spolu môžu vytvárať rôzne mikroheterogénne a rozptýlené systémy. Častice tvoriace takéto systémy majú zvyčajne veľkosť od jedného do sto mikrónov. Okrem prítomnosti povrchu s jasne oddelenými hranicami medzi dispergovaným prostredím a fázou sú koloidné častice charakterizované vlastnosťou nízkej stability a samotné roztoky sa nemôžu spontánne vytvárať. Prítomnosť širokej škály v štruktúre vnútorná štruktúra a rozmery spôsobujú stvorenie Vysoké číslo metódy získavania častíc.
V koloidných roztokoch tvoria častice vo svojej celistvosti systémy dispergovaného typu, ktoré sú medziľahlými roztokmi, ktoré sú definované ako pravé a hrubo dispergované. V týchto roztokoch majú kvapôčky, častice a dokonca aj bublinky, ktoré tvoria dispergovanú fázu, veľkosť od jednej do tisíc nm. Sú rozdelené v hrúbke rozptýleného média spravidla súvisle a líšia sa od pôvodného systému zložením a/alebo stavom agregácie. Aby sme lepšie pochopili význam takejto terminologickej jednotky, je lepšie ju zvážiť na pozadí systémov, ktoré tvorí.
Medzi vlastnosťami koloidných roztokov možno určiť hlavné:
Hlavné klasifikačné jednotky koloidných roztokov:
Vo všetkých týchto koloidných systémoch sa môžu veľkosti častíc značne líšiť v závislosti od ich povahy pôvodu a súhrnný stav... Ale aj napriek takémuto extrémne rôznorodému počtu systémov s rôznymi štruktúrami sú všetky koloidné.
Koloidné primárne častice sú rozdelené do nasledujúcich typov podľa typu vnútornej štruktúry:
Procesy tvorby týchto štruktúr sa navzájom veľmi líšia, čo komplikuje proces ich pochopenia na detailnej úrovni, na úrovni chémie a fyziky. Koloidné častice, z ktorých sú tvorené, majú extrémne odlišné tvary a podmienky pre proces tvorby integrálneho systému.
Suspenzia znamená roztoky s kovovými prvkami a ich variáciami vo forme oxidov, hydroxidov, sulfidov a iných solí.
Všetky tvoriace častice vyššie uvedených látok majú molekulárnu alebo iónovú kryštálovú mriežku. Tvoria fázu dispergovaného typu látky – suspenzoidu.
Charakteristickým znakom, ktorý ich umožňuje odlíšiť od suspenzií, je prítomnosť vyššieho indexu disperzie. Sú však navzájom spojené absenciou stabilizačného mechanizmu pre rozptyl.
Nevratnosť suspenzoidov sa vysvetľuje skutočnosťou, že sediment z procesu ich naparovania neumožňuje človeku znovu prijímať sóly vytvorením kontaktu medzi samotným sedimentom a rozptýleným médiom. Všetky suspenzoidy sú lyofóbne. V takýchto roztokoch sa koloidné častice týkajú kovov a derivátov solí, ktoré boli rozomleté alebo kondenzované.
Spôsob získavania sa nelíši od dvoch metód, pri ktorých vždy tvoria rozptýlené systémy:
Micelárne koloidy sa označujú aj ako semikoloidy. Častice, z ktorých sú vytvorené, môžu vzniknúť, ak existujú dostatočná úroveň difilný typ. Takéto molekuly môžu vytvárať len nízkomolekulárne látky tým, že ich spájajú do agregátu molekuly – micely.
Molekuly amfilnej povahy sú štruktúry pozostávajúce z uhľovodíkového radikálu s parametrami a vlastnosťami podobnými nepolárnemu rozpúšťadlu a hydrofilnej skupiny, ktorá sa nazýva aj polárna.
Micely sú špeciálne zhluky správne rozmiestnených molekúl, ktoré sú zadržané predovšetkým použitím rozptýlených síl. Micely sa tvoria napríklad vo vodných roztokoch detergentov.
Vysokomolekulárne zlúčeniny prírodného aj syntetického pôvodu sa nazývajú molekulárne koloidy. Molekulová hmotnosť sa môže pohybovať od 10 000 do niekoľkých miliónov. Molekulové fragmenty takýchto látok majú veľkosť koloidnej častice. Samotné molekuly sa nazývajú makromolekuly.
Zlúčeniny typu s vysokou molekulovou hmotnosťou, ktoré podliehajú riedeniu, sa nazývajú pravé, homogénne. V prípade obmedzujúceho riedenia sa začínajú riadiť všeobecným súborom zákonov pre zriedené formulácie.
Získanie koloidných roztokov molekulárneho typu je pomerne jednoduchá úloha. Stačí prinútiť príslušné rozpúšťadlo, aby sa dostalo do kontaktu.
Nepolárna forma makromolekúl sa môže rozpúšťať v uhľovodíkoch a polárna forma v polárnych rozpúšťadlách. Príkladom toho druhého je rozpúšťanie rôznych proteínov v roztoku vody a soli.
Tieto látky sa nazývajú reverzibilné, pretože ich vyparovanie s pridaním nových podielov spôsobí, že molekulárne koloidné častice nadobudnú formu roztoku. Proces ich rozpúšťania musí prejsť fázou, v ktorej napučiava. Ona je charakteristický znak, uvoľňujúce molekulárne koloidy, na pozadí iných systémov, o ktorých sa uvažovalo vyššie.
V procese napučiavania molekuly, ktoré tvoria rozpúšťadlo, prenikajú do tuhej hmoty polyméru a tým odtláčajú makromolekuly od seba. Posledne menované kvôli ich veľkej veľkosti začnú pomaly difundovať do roztokov. Navonok to možno pozorovať so zvýšením objemovej hodnoty polymérov.
Micely koloidného systému a ich štruktúra bude ľahšie študovať, ak vezmeme do úvahy proces formovania. Vezmime si AgI. V tomto prípade sa častice koloidného typu vytvoria počas nasledujúcej reakcie:
AgNO 3 + KI à AgI ↓ + KNO 3
Molekuly jodidu strieborného (AgI) tvoria prakticky nerozpustné častice, vo vnútri ktorých budú kryštálovú mriežku tvoriť katióny striebra a anióny jódu.
Výsledné častice majú spočiatku amorfnú štruktúru, ale potom, ako postupuje ich kryštalizácia, získavajú trvalý vzhľad.
Ak vezmeme AgNO 3 a KI v príslušných ekvivalentoch, potom budú kryštalické častice rásť a dosiahnu významné veľkosti, dokonca presahujúce veľkosť samotnej koloidnej častice, a potom sa rýchlo vyzrážajú.
Ak niektorú z látok prijmete v nadbytku, potom si z nej môžete umelo vyrobiť stabilizátor, ktorý bude informovať o stabilite koloidných častíc jodidu strieborného. V prípade nadmerného množstva AgNO 3 bude roztok obsahovať viac kladných iónov striebra a NO 3 -. Je dôležité vedieť, že proces tvorby kryštálových mriežok AgI sa riadi Paneth-Faience pravidlom. Následne je schopný postupovať len v prípade prítomnosti iónov tvoriacich danú látku, ktoré sú v danom roztoku reprezentované katiónmi striebra (Ag +).
Kladné ióny Argentum sa budú naďalej hromadiť na úrovni tvorby kryštálovej mriežky jadra, ktoré je pevne zahrnuté v štruktúre micely a hlási elektrický potenciál. Z tohto dôvodu sa ióny, ktoré sa používajú na dokončenie jadrovej mriežky, nazývajú ióny určujúce potenciál. Počas tvorby koloidnej častice - micely - existujú ďalšie znaky, ktoré určujú konkrétny priebeh procesu. Všetko tu však bolo preskúmané na príklade so spomenutím najdôležitejších prvkov.
Pojem koloidná častica úzko súvisí s adsorpčnou vrstvou, ktorá vzniká súčasne s potenciálom určujúcim typom iónov pri adsorpcii celkového množstva protiiónov.
Granula je štruktúra tvorená jadrom a adsorpčnou vrstvou. Má elektrický potenciál rovnakého znamienka ako potenciál E, ale jeho hodnota bude menšia a závisí od počiatočnej hodnoty protiiónov v adsorpčnej vrstve.
Adhézia koloidných častíc je proces nazývaný koagulácia. V disperzných systémoch vedie k tvorbe väčších častíc z malých častíc. Proces je charakterizovaný adhéziou medzi malými štrukturálnymi zložkami za vzniku koagulačných štruktúr.
Koloidné častice hydroxidov a oxysálov uvoľnené pri hydrolýze koagulačných solí v neutrálnom a slabo kyslom prostredí v dôsledku sorpcie vodíka a katiónov hliníka alebo železa majú kladný náboj. Preto kinetika procesu ich koagulácie veľký vplyv má aniónové zloženie média. [ ...]
Koloidná častica je držaná v suspenzii svojím elektrickým nábojom. V rozptýlenom systéme nesú všetky koloidné častice náboj rovnakého znamienka, preto pri ich priblížení dochádza k vzájomnému elektrostatickému odpudzovaniu častíc. V dôsledku toho náboj koloidnej častice bráni ich spájaniu do väčších agregátov a tým prispieva k stabilite týchto systémov. [ ...]
Koloidné častice danej látky spravidla sorbujú na svojom povrchu ióny rovnakého náboja, všetky častice daného koloidu teda nesú rovnaký náboj. Rozlišujte medzi pozitívnymi a negatívnymi koloidmi. [ ...]
Náboj koloidných častíc nečistôt môže klesať aj v dôsledku prenikania koagulačných katiónov pri stláčaní difúznej vrstvy do adsorpčnej vrstvy. Niekedy je napríklad pri sóloch kyseliny kremičitej možná ich špecifická adsorpcia sprevádzaná tvorbou slabo rozpustných zlúčenín s iónmi určujúcimi potenciál (hydroxid hlinitý alebo železitý a kyselina kremičitá) (neutralizačná koagulácia). Tento proces je sprevádzaný poklesom termodynamického potenciálu častíc koloidných nečistôt. [ ...]
Koloidné častice sú pomerne stabilné. Jedným z dôvodov je tento: v dôsledku malej veľkosti takýchto častíc na ne pôsobí Brownov pohyb molekúl vody silnejšie ako gravitačné sily. Okrem toho elektrostatické odpudivé sily v dôsledku povrchového náboja koloidných častíc zabraňujú ich koagulácii a následnej sedimentácii. [ ...]
V koloidných systémoch sú niektoré ióny adsorbované koloidnými časticami, ktoré v tomto prípade dostávajú jeden alebo druhý náboj; pri aplikácii konštanty elektrické pole nabité koloidné častice sa elektroforeticky pohybujú k jednej z elektród a ukladajú sa na ňu. Elektroforetické javy pozorované pri aplikácii homogénnych a nehomogénnych elektrických polí na disperzné vodné systémy možno použiť na čistenie vysoko koncentrovaných odpadových vôd, ako aj na dehydratáciu kalu. [ ...]
Na častice koloidov pôsobia difúzne sily a častice majú tendenciu byť rovnomerne rozložené v celom objeme kvapalnej fázy. Prítomnosť elektrických nábojov rovnakého znamienka v časticiach spôsobuje ich vzájomné odpudzovanie. Zároveň medzi koloidnými časticami existujú molekulové sily vzájomnej príťažlivosti, ktoré sa prejavujú len v malých vzdialenostiach medzi časticami. So znížením elektrického náboja častíc, t.j. so znížením potenciálu, sa odpudivé sily znižujú a častice sa môžu zlepiť - proces koagulácie koloidu. Sily vzájomnej príťažlivosti medzi koloidnými časticami začnú prevládať nad elektrickými odpudivými silami, keď je -potenciál systému menší ako 0,03 V. Pri -potenciáli rovnajúcom sa nule prebieha koagulácia s maximálnou intenzitou, stav koloidného systému v tomto prípade sa nazýva izoelektrický stav a hodnota pH sa nazýva izoelektrický bod systému. [ ...]
Koloidné roztoky sa vyznačujú prítomnosťou dvojitej elektrickej vrstvy na povrchu častíc, ktorá sa vytvára v dôsledku adsorpčných alebo disociačných procesov. Povrch koloidných častíc nesie určitý náboj (pre koloidné častice prírodných vôd je často negatívny). Tento poplatok je com. iónmi opačného znamienka náboja. Niektoré z protiiónov vstupujú do adsorpčnej vrstvy a zvyšok tvorí takzvanú difúznu vrstvu. [ ...]
Jadrom častice je agregát m molekúl kyseliny kremičitej. Časť sodíkových protiiónov (n-x) je adsorbovaná na častici a je zadržiavaná elektrostatickými príťažlivými silami potenciál určujúcich iónov. Neúplne kompenzovaný náboj iónov určujúcich potenciál spôsobuje vznik negatívneho náboja v častici kyseliny kremičitej. V elektrickom poli sa koloidná častica spolu s adsorpčnou vrstvou presúva k jednému pólu a ióny difúznej vrstvy k opačnému. Ak sa koloidná častica pohybuje v elektrickom poli iba s iónmi určujúcimi potenciál, potom by sa elektrokinetický potenciál mal rovnať termodynamickému potenciálu φ0, ktorý vzniká medzi povrchom častice a roztokom. Prítomnosť kontraínov v adsorpčnej vrstve znižuje hodnotu potenciálu a elektrokinetický potenciál je súčasťou celkového potenciálu. Ak sa hranica difúznej vrstvy zhoduje s hranicou adsorpčnej vrstvy (% = 0), potom je elektrokinetický potenciál nulový. Tento stav koloidnej častice sa nazýva izoelektrický bod. V izoelektrickom bode strácajú koloidné častice svoju stabilitu, zväčšujú sa a zrážajú sa. [ ...]
Základ koloidnej častice tvoria mikrokryštály zle rozpustného Fe (OH) 3 nazývané agregáty. V dôsledku selektívnej adsorpcie na povrchu kameniva vzniká kladne nabitá vrstva, pozostávajúca z n vodíkových iónov (potenciálnotvorné ióny, skrátene POI). Agregát spolu s potenciálotvornými iónmi tvorí jadro. Vplyvom elektrostatických príťažlivých síl sa na jadre vytvorí vrstva iónov opačného znamienka - protiióny, ktoré čiastočne kompenzujú náboj jadra. V uvažovanom príklade ich úlohu zohrávajú SG ióny. Častica s hustou vrstvou iónov, ktorá ju obklopuje, sa nazýva granula. [ ...]
Keďže koloidné častice majú slabú záporný náboj, vločky koagulantov - slabý kladný náboj, potom medzi nimi vzniká vzájomná príťažlivosť, čo prispieva k tvorbe veľkých častíc. V procese koagulačného čistenia odpadových vôd dochádza k koprecipitácii s minerálnymi nečistotami v dôsledku adsorpcie minerálnych nečistôt na povrchu usadzujúcich sa častíc. Z vody sa odstraňujú zlúčeniny železa (o 78-89 %), fosforu (o 80-90 %), arzénu, zinku, medi, fluóru a iných. Pokles CHSK je 90-93% a BSKb - 80-85%. Stupeň čistenia závisí od podmienok vystavenia koagulácii rozptýleného systému žiarenia, magnetických a elektrických polí, zavedenia častíc, ktoré interagujú so systémom a stabilizujú ho. Vplyv žiarenia, ako aj oxidácia organických zlúčenín ozónom, prispieva k deštrukcii povrchovo aktívnych látok (tenzidov), ktoré sú stabilizátormi pevných a kvapalných častíc, ktoré znečisťujú odpadové vody. Vplyvom elektrického poľa vznikajú v sústavách L - S, L] - L2 a G - T agregáty s veľkosťou až 500-1000 mikrónov. [ ...]
Prítomnosť náboja na koloidnej častici je stanovená nasledovne. Do sólu sú spustené dve elektródy, pripojené k pólom zdroja prúdu dostatočne vysokého napätia. Keď cez roztok prechádza prúd, koloidné častice sa pomaly pohybujú k jednej z elektród. Tento jav objavil ruský vedec Reiss v roku 1807, pričom vykonal nasledujúci experiment. [ ...]
Iné sily, vďaka ktorým je možná adsorpcia makromolekúl, pôsobia vo vzdialenosti menšej ako van der Waalsove sily. Predstavu o pomere týchto síl možno získať z moderná teória koagulácia DLFO. Schematicky je charakter zmeny so vzdialenosťou (podľa tejto teórie) elektrostatických a van der Zaalsových síl pôsobiacich medzi rovnomennými homogénnymi koloidnými časticami znázornený na obr. 11.20 hod. [ ...]
Väčšina koloidných častíc prírodných vôd má na granule záporný náboj. Jeho neutralizácia, deštrukcia difúznej vrstvy a hydratačného obalu sa dosiahne zavedením elektrolytu a sólov s opačným nábojom častíc. V úlohe elektrolytov sa používajú soli hliníka a železa. [ ...]
Pohyb koloidných častíc pod vplyvom elektrického poľa naznačuje, že nesú určitý elektrický náboj. [ ...]
Ako viete, koloidné častice (micely) majú tiež elektrický náboj, a preto sa pohybujú v elektrickom poli k elektróde, ktorá má opačné znamienko ako častica. Tento jav komplikuje priebeh elektrodeionizačných procesov. Dá sa predpokladať, že vo väčšine prípadov micely neprechádzajú cez membrány (membrány), ale hromadia sa na ich povrchu. [ ...]
Vonkajšia vrstva koloidnej častice je čiastočne disociovaná a v záporne nabitých koloidoch sa kladne nabité ióny (katióny) disociujú do okolitého roztoku a jadro koloidnej častice má záporný náboj. Ióny nachádzajúce sa na jeho povrchu sa nazývajú potenciálne určujúce a disociované ióny sa nazývajú kompenzačné. Pri interakcii s roztokom obklopujúcim koloidnú časticu niektoré z kompenzačných iónov tvoria takzvanú difúznu vrstvu. Elektrostatické sily, ktoré držia ióny v difúznej vrstve, klesajú, keď sa vzďaľujú od častice, a ľahko sa vymieňajú za ióny v roztoku. Koloidná častica spolu s difúznou vrstvou sa nazýva micela. [ ...]
Výskyt negatívneho náboja v týchto mineráloch je spojený najmä s izomorfnými substitúciami v kremíkovo-kyslíkových tetraédroch a hliníkových hydroxyoktaédroch, z ktorých je postavená ich kryštálová mriežka. Takže v kremíkovo-kyslíkových tetraedrických vrstvách môže byť časť kremíkových iónov (tetravalentných) vo vnútri tetraédra izomorfne nahradená iónmi hliníka (trojmocné), v dôsledku čoho vznikajú záporné náboje. Schematicky to možno znázorniť takto: zlúčenina zloženia (SiO2) je neutrálna, ale keď je atóm kremíka nahradený atómom hliníka, objaví sa jeden záporný náboj, keď sú dva atómy kremíka nahradené atómami hliníka, dva záporné náboje objaviť sa atď. [ ...]
Pre flokuláciu častíc s vysokým elektrickým nábojom podobne nabitými polymérmi je potrebné znížiť elektrostatické odpudivé sily, čo sa zvyčajne robí pridaním nízkomolekulových elektrolytov. Nízkomolekulárne elektrolyty, stláčajúce vrstvu protiiónov na povrchu koloidných častíc a neutralizujúce náboj na ich povrchu, uľahčujú prístup makromolekúl a ich adsorpciu. Súčasne dochádza k zmene štruktúry makromolekúl. Tienenie nabitých polymérnych jednotiek a zníženie vnútromolekulových odpudivých síl vedie ku kompresii makromolekúl. Stlačené makromolekuly, ktoré zaberajú menší objem, sú na povrchu častíc hustejšie, v dôsledku čoho Celkom adsorbovaný polymér sa zvyšuje. [ ...]
Pre adhéziu častíc k povrchu zŕn sa vo všeobecnosti vyžadujú rovnaké podmienky ako pre adhéziu (koaguláciu) častíc navzájom. Lepenie je uľahčené, ak nakladacie zrná a koloidné častice majú rôzne znaky náboja a nedochádza k elektrostatickému odpudzovaniu (obr. 111.10). [ ...]
Základ ílových častíc tvoria hydroaluminosilikáty, ktoré sú chemickou povahou hlinitokremičité kyseliny alebo ich soli a disociujú za vzniku komplexného aniónu a vodíkového iónu alebo alkalického kovu. Vznik záporného náboja v koloidných časticiach ílov je spôsobený práve týmto procesom. Keďže kyseliny hlinitokremičité majú nízky stupeň disociácie, stabilita koloidných častíc ílov klesá s poklesom pH. Naopak, so zvýšením alkality vody sa stabilita koloidných častíc zvyšuje. Vysvetľuje to skutočnosť, že ióny H + vznikajúce počas disociácie hlinitokremičitých kyselín sú nahradené katiónmi kovov a stupeň disociácie výsledných solí je vyšší ako stupeň disociácie zodpovedajúcich kyselín. Vo veľmi tvrdých vodách môžu byť častice koloidného ílu kladne nabité. [ ...]
Komplexná štruktúra suspenzoidnej častice je vytvorená okolo jadra pozostávajúceho z mnohých molekúl látky nerozpustnej v disperznom médiu. Jadro selektívne adsorbuje na svojom povrchu ióny nazývané potenciálotvorné ióny a získava náboj. Ióny s opačným znamienkom náboja (protiióny) prítomné v médiu v dôsledku elektrickej príťažlivosti sú zoskupené okolo jadra a tvoria koloidnú časticu. Niektoré protiióny sú pevne viazané na jadro elektrostatickými silami a tvoria adsorpčnú vrstvu spolu s iónmi adsorbovanými na jadre. Jadro a adsorpčná vrstva iónov tvoria časticu, ktorá nesie určitý náboj. Druhá časť protiiónov je pod vplyvom difúznych síl menej viazaná na jadro a vytvára okolo častice iónovú atmosféru (difúznu vrstvu), ktorá kompenzuje náboj častice. Častica spolu s difúznou vrstvou tvorí micelu. [ ...]
V niektorých prípadoch sa náboj koloidných častíc nevytvára v dôsledku adsorpcie iónov z roztoku, ale v dôsledku disociácie povrchovej vrstvy samotného jadra, napríklad pri tvorbe koloidnej kyseliny kremičitej. Molekuly BiOa reagujú s vodou za vzniku kyseliny kremičitej H25YO3, slabého elektrolytu s nízkym stupňom disociácie. Záporný náboj jeho častice je spôsobený disociáciou molekúl H2S103. [ ...]
Prítomnosť rovnakého náboja na všetkých časticiach koloidného systému bráni ich vzájomnému, zbližovaniu, pretože podľa zákonov elektrostatiky sa rovnako nabité častice od seba odpudzujú. Koagulácia takýchto elektricky nabitých koloidných častíc je ťažká. Pokračuje až po odstránení alebo neutralizácii náboja. Neutralizácia náboja sa často vykonáva v dôsledku sorpcie z životné prostredie opačne nabité ióny. [ ...]
Usádzanie veľkých častíc sa uskutočňuje v priebežných veľkokapacitných sedimentačných nádržiach. Filtráciou sú zbavené malých častíc. Na vyzrážanie koloidných častíc (najmenšie ílové častice a bielkovinové látky) sa tieto podrobia koagulácii pridaním koagulantov do vody - síranov alebo podvojných solí hliníka (alum alum). Koagulačný ión musí mať náboj opačný ako náboj koloidnej častice, aby sa mohol adsorbovať na povrchu nabitej častice; to vedie ku koagulácii (adhézii) jednotlivých častíc a tvorbe zrazeniny. [ ...]
Na vyvolanie koagulácie koloidných častíc je potrebné znížiť hodnotu ich zeta potenciálu na kritickú hodnotu pridaním kladne nabitých iónov. Počas koagulácie sa teda koloidné častice destabilizujú v dôsledku neutralizácie ich elektrického náboja. Koagulačný účinok závisí od valencie koagulačného iónu, ktorý nesie náboj opačný ako je znamienko náboja častice. Čím vyššia je valencia, tým je koagulačný účinok účinnejší. [ ...]
Stabilita a koagulácia koloidných systémov. Keďže sú termodynamicky nestabilné, koloidné systémy môžu byť zničené pod vplyvom rôznych faktorov. Proces vzájomného spájania koloidných častíc, sprevádzaný tvorbou veľkých agregátov a deštrukciou koloidného systému, sa nazýva koagulácia. Môže nastať, keď sa do systému zavedú elektrolyty, sóly s opačným znamienkom náboja. Koaguláciu môžu spôsobiť aj zmeny teploty, mechanické namáhanie a ionizujúce žiarenie. [ ...]
Iná situácia je v prípade koloidných roztokov. Koloidné častice sú zhluky veľkého počtu molekúl hmoty. Jadro koloidnej častice má kryštalickú štruktúru. Vonkajšia vrstva molekúl tohto jadra je čiastočne disociovaná a ióny s rovnakým znamienkom elektrického náboja (napríklad kladné) sú v roztoku obklopujúcom jadro a ióny s opačným znamienkom náboja sú pevne držané povrchom jadra. jadro (obr. 8). [ ...]
Elektrická dvojvrstva. Suspenzoidná častica (micela) má zložitú štruktúru. Jeho základom je jadro nerozpustné v danom disperznom médiu. Povrch jadra vďaka voľnej medzifázovej energii adsorbuje ióny z prostredia v súlade s pravidlom Faience. Tieto ióny sa nazývajú ióny generujúce potenciál, pretože dodávajú častici určitý náboj. Počas adsorpcie iónov klesá medzipovrchová voľná energia, čím sa systém dostáva do stabilného stavu. Napríklad pre sól hydroxidu železa bude potenciálotvorným iónom chlorid železitý, vytvorený podľa rovnice Fe (OH) 3 + HC1 ±: s =; Fe0C1 + 2H20. Oxychlorid disociuje podľa rovnice FeOC1s = = g FeO ++ C1-. Katióny FeO + sú selektívne adsorbované na povrchu koloidného jadra a pozitívne ho nabíjajú. Ak sa adsorbovalo n iónov FeO +, potom je v roztoku n iónov C1. Katión FeO+ dodáva koloidnej častici kladný náboj a jeho protiióny sú ióny chlóru v roztoku. Protiióny sú vystavené dvom silám: elektrostatickej, ktorá ich priťahuje k jadru koloidnej častice, a difúznej, ktorá ich rozptýli v roztoku. V dôsledku spoločného pôsobenia týchto síl nie je stav jednotlivých aniónov chlóru rovnaký. Niektoré z nich sú pevne viazané na jadro koloidnej častice a vytvárajú na nej hustú adsorpčnú vrstvu (n-x). Druhá časť tvorí difúznu vrstvu x - iónovú atmosféru častice. [ ...]
V aktívnom stave sú micely (koloidné častice) in neustály pohyb v okolitej kvapaline a nazývajú sa sol. Ale ak je sól zbavený svojho elektrického náboja, potom sa vyzráža (gél). Tento proces sa nazýva koagulácia. Ale najčastejšie, s určitým pôsobením na gél, môže byť premenený späť na sol; posledný proces sa nazýva peptizácia. [ ...]
Ide o proces zväčšovania dispergovaných častíc v dôsledku ich interakcie a agregácie. Pri čistení odpadových vôd sa používa na urýchlenie procesu zrážania jemných nečistôt a emulgovaných látok. Na odstránenie koloidných dispergovaných častíc z vody je najúčinnejšia koagulácia, t.j. častice s veľkosťou 1-100 mikrónov. Koagulácia môže nastať spontánne alebo pod vplyvom chemických a fyzikálnych procesov. V procesoch čistenia odpadových vôd dochádza ku koagulácii pod vplyvom špeciálnych koagulačných látok, ktoré sa do nich pridávajú. Koagulanty vo vode tvoria vločky hydroxidu kovu, ktoré sa vplyvom gravitácie rýchlo usadzujú. Vločky majú schopnosť zachytávať koloidné a suspendované častice a agregovať ich. Pretože koloidné častice majú slabý záporný náboj a koagulačné vločky majú slabý kladný náboj, vzniká medzi nimi vzájomná príťažlivosť. [ ...]
Jednou z metód znižovania β-potenciálu koloidného systému je zvýšenie koncentrácie elektrolytov vo vode. Schopnosť elektrolytu spôsobiť koaguláciu koloidného systému sa zvyšuje so zvyšovaním valencie koagulačného iónu, ktorý má náboj opačný ako náboj koloidných častíc. Pomer koagulačnej schopnosti mono-, di- a trojmocných iónov je približne 1:30:1000. [ ...]
Chemické zrážanie je založené na vyrovnávaní nábojov koloidných častíc v odpadových vodách. Spájanie častíc do väčších agregátov je zvyčajne brzdené elektrickými nábojmi rovnakého mena. Ak však pridáme opačne nabité ióny alebo koloidy, dôjde k vyrovnaniu nábojov, dosiahne sa „izoelektrický bod“ a dôjde k vyzrážaniu látok. To vedie k úplnému vyčisteniu odpadovej vody. [ ...]
Pri významnom rozdiele vo veľkosti (hustote) náboja nepodobných, ale rovnako nabitých koloidných častíc medzi nimi, ako ukazuje B. V. Deryagin, nemôže dôjsť k elektrostatickému odpudzovaniu, ale elektrostatickej príťažlivosti. Možnosť elektrostatickej príťažlivosti a flokulácie podobne nabitých koloidných častíc a makromolekúl uvažovali S. S. Khamraev a A. I. Yusupov na príklade aniónových polyakrylamidových polymérov a negatívne nabitých častíc kremeňa a mikroklinu. [ ...]
Pre amfotérne hydroxidy, ako je hydroxid hlinitý, znamienko náboja koloidného roztoku závisí od pH. V kyslom a neutrálnom prostredí má sól hydroxidu hlinitého kladný náboj. V slabo alkalickom prostredí (pri pH 8,2) sa znamienko náboja koloidného roztoku hydroxidu hlinitého stáva záporným, pretože úlohu potenciálotvorných iónov už zohrávajú hlinitanové ióny alebo hydroxidové ióny. Protiióny sú kovové katióny v takýchto koloidných časticiach. Pri nízkych hodnotách pH adsorbujú koloidné častice hydroxidov kovov väčší počet katiónov (potenciálne určujúce ióny), a preto sú stabilnejšie, čo sa vysvetľuje nižšou úplnosťou hydrolýzy koagulantu. [ ...]
Hydroxidy hliníka a železa tvoria vo vode sóly s kladným nábojom na granuli. Tieto koloidné častice zvyšujú celkový koagulačný účinok pridaných solí. [ ...]
Keďže hydroxidy a sulfidy ťažkých kovov tvoria stabilné koloidné systémy, je potrebné zaviesť koagulanty a flokulanty, aby sa zintenzívnil proces ich zrážania do odpadových vôd. Koloidné častice sulfidov majú záporný náboj, preto sa na koaguláciu sulfidov používajú elektrolyty s viacnásobne nabitými katiónmi - zvyčajne sírany hliníka alebo železitého. Koagulácia hydroxidov vyžaduje elektrolyt s viacnásobne nabitými aniónmi, pretože koloidné častice sú kladne nabité. Síranové ióny sú dobré hydroxidové koagulanty. Okrem koagulácie elektrolytov sa v praxi často používa vzájomná koagulácia koloidných roztokov s opačným nábojom častíc. [ ...]
Keď sa aplikuje elektrické pole, dôjde k polarizácii dvojitej vrstvy, koloidné častice získajú dipólovú štruktúru a začnú sa pohybovať smerom k elektróde, ktorá má náboj opačný v znamienku ako náboj častice. [ ...]
Meranie zeta potenciálu katiónových makromolekúl HMF oddelene a v zmesi s koloidnými roztokmi ukázalo, že náboj zmesi je blízky náboju makromolekúl. To naznačuje tvorbu pomerne hrubých polymérových obalov na povrchu koloidných častíc. So zvyšujúcou sa koncentráciou HMF sa záporný náboj kremenných častíc postupne znižoval a potom začalo dobíjanie častíc. [ ...]
Druhým stupňom koagulačného procesu je, že záporne nabité koloidné nečistoty vody začnú byť adsorbované koagulačnými časticami koagulantu. K zníženiu alebo strate náboja koloidných častíc nečistôt môže dôjsť aj pôsobením koagulačného katiónu. Ak sú koncentrácie kladne nabitých koagulačných sólov a koloidných nečistôt približne rovnaké, pozoruje sa vzájomná koagulácia. Keďže sa vyskytuje len vo veľmi úzkej koncentračnej zóne, možno ho považovať za špeciálny prípad koagulačného procesu. [ ...]
Tieto flokulanty sú menej nabité a zachovávajú si expandovanú štruktúru makromolekuly. Vlastnosti kopolymérov s akrylamidom a metakrylamidom sú diskutované v časti 1.5. [ ...]
Koagulácia v rozsahu koncentrácie elektrolytu od C] do C2 sa nazýva pomalá koagulácia. Pri koncentrácii elektrolytu c2 bude náboj koloidných častíc nulový. V tomto prípade bude rýchlosť koagulácie maximálna a ďalšie pridávanie elektrolytu na ňu nebude mať žiadny vplyv. [ ...]
Proces koagulácie možno urýchliť pridaním látok nazývaných flokulanty do vody. Flokulanty sú látky, ktoré tvoria s vodou koloidné disperzné systémy. Úloha flokulantu sa evidentne redukuje na neutralizáciu náboja na koloidnej častici koagulantu a na porušenie „ochranných“ vlastností niektorých koloidov (flokulant možno nazvať „koagulant koagulant“). [ ...]
Sily spôsobujúce adsorpciu makromolekúl flokulantov na dispergovanej fáze (suspendované pevné látky) sú rôzneho charakteru. Závisia od chemické zloženie IUD a dispergované častice, prítomnosť ionogénnych skupín v makromolekule, ako aj štruktúra a elektrický náboj koloidných častíc. Lineárne polyméry alebo polyméry s mierne zakrivenými reťazcami sú teda lepšie flokulanty ako globulárne makromolekuly. Vločkovací účinok IUD nezávisí ani tak od tuhosti makromolekulovej cievky, ale od jej rozmerov v roztoku, ktoré sú určené tak povahou polyméru, ako aj jeho makromolekulovou hmotnosťou. Molekulová hmotnosť ovplyvňuje najmä flokulačnú schopnosť neiónových a podobne nabitých polyelektrolytov; jeho zvýšenie pomáha znižovať optimálnu flokulačnú dávku činidla. Pri neutralizácii povrchového náboja dispergovaných častíc hrá molekulová hmotnosť polymérov menšiu úlohu. [ ...]
Na obr. 22 je znázornená krivka procesu koagulácie jemnej ílovej suspenzie so síranom hlinitým. Pri nízkej koncentrácii koagulantu sa zákal vody nemení (I. zóna), ale s nárastom jeho koncentrácie zákal prudko klesá na určitú hodnotu (II. zóna). Pri koncentrácii koagulantu asi 20 mg) l dôjde k úplnej vzájomnej neutralizácii nábojov na koloidných časticiach. Zvýšenie dávky koagulantu nad 100 mg / l vedie k dobitiu koloidných častíc a zákal vody sa môže zvýšiť na počiatočné (zóna III). [ ...]
Kaolinit v porovnaní s montmorillonitom obsahuje viac hliníka a menej kyseliny kremičitej. Hliník, ktorý tvorí nezávislú hliníkovú hydroxyl oktaedrickú vrstvu, môže za určitých podmienok vykazovať základné vlastnosti. Hydroxylové ióny naviazané na hliník v oktaedrickej vrstve a nachádzajúce sa na vonkajšom povrchu mikrokryštalických častíc sa môžu pri kyslej reakcii, teda s nadbytkom H iónov v roztoku, odštiepiť a v jednotlivých sekciách sa objavia kladné náboje. koloidnej častice [... 03812020HA12 (0H) 2 ...] + - - OH-. [ ...]
Obsah suspendovaných látok. Koncentrácia nerozpustených látok vo vode privádzanej do elektrodialyzačného prístroja by nemala presiahnuť 1,5-2,0 mg/l, v opačnom prípade je potrebné prečistenie vody niektorou zo známych metód (koagulácia s filtráciou, pomalé filtre, kartušové filtre atď.). Koloidné častice sa usadzujú aj pri spracovaní filtrovanej vody v elektrodialyzačných riediacich komorách. Záporne nabité koloidné a suspendované častice migrujú na povrch aniónomeničovej membrány v dôsledku elektroforézy, strácajú tu svoj náboj a vytvárajú gélovitú vrstvu („lakujú“ membránu), čo zhoršuje fungovanie zariadenia.
Koloidné systémy, pokiaľ ide o stupeň ich disperzie, zaujímajú strednú polohu medzi hrubo rozptýlenými systémami a skutočnými roztokmi. Preto ich možno získať dvoma spôsobmi:
a) disperzné metódy- drvenie väčších častíc na koloidný stupeň disperzie - mechanický, elektrický, ultrazvuk, peptizácia (premena zrážok na koloidný roztok pod vplyvom chemických látok- peptizéry);
b) kondenzačné metódy- zväčšenie častíc na agregáty koloidného stupňa disperzie (získanie nerozpustných látok v dôsledku reakcií rôznych typov);
v) ultrafiltrácia cez semipermeabilné membrány.
Vznik nerozpustnej látky v dôsledku chemickej reakcie je len jednou z podmienok na získanie koloidného roztoku. Iní nie menej dôležitá podmienka je nerovnosť východiskových látok použitých v reakcii. Dôsledkom tejto nerovnosti je obmedzenie rastu veľkosti častíc v koloidoch roztokov, čo by viedlo k vytvoreniu hrubo disperzného systému.
Uvažujme mechanizmus vzniku koloidnej častice na príklade tvorby sólu jodidu strieborného, ktorý sa získa interakciou zriedených roztokov dusičnanu strieborného a jodidu draselného.
AgNO 3 + KI = AgI + KNO 3
Ag + + NO 3 ¯ + K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +
Nerozpustné neutrálne molekuly jodidu strieborného tvoria jadro koloidnej častice.
Najprv sa tieto molekuly spájajú v neporiadku a vytvárajú amorfnú, voľnú štruktúru, ktorá sa postupne premieňa na vysoko usporiadanú kryštalickú štruktúru jadra. V našom príklade je jadrom kryštál jodidu strieborného, ktorý pozostáva z veľkého počtu (m) molekúl AgI:
m - jadro koloidnej častice
Na povrchu jadra prebieha adsorpčný proces. Podľa Peskov-Fayanovho pravidla sa ióny adsorbujú na povrchu jadier koloidných častíc, ktoré sú súčasťou jadra častice, t.j. ióny striebra (Ag +) sa adsorbujú resp jódové ióny (I -). Z týchto dvoch typov iónov sa adsorbujú tie, ktoré sú v nadbytku.
Ak sa teda získa koloidný roztok v nadbytku jodidu draselného, potom sa na časticiach (jadrách) adsorbujú ióny jódu, ktoré dotvárajú kryštálovú mriežku jadra, prirodzene a pevne vstupujú do jeho štruktúry. V tomto prípade sa vytvorí adsorpčná vrstva, ktorá dodáva jadru záporný náboj:
Ióny adsorbované na povrchu jadra, ktoré mu dávajú zodpovedajúci náboj, sa nazývajú ióny tvoriace potenciál.
V tomto prípade sú v roztoku aj opačne nabité ióny, nazývajú sa protiióny. V našom prípade ide o draselné ióny (K +), ktoré sú elektrostaticky priťahované k nabitému jadru (množstvo náboja môže dosiahnuť I in). Niektoré z protiiónov K + sú pevne viazané elektrickými a adsorpčnými silami a sú zahrnuté v adsorpčnej vrstve. Jadro, na ktorom je vytvorená dvojitá adsorpčná vrstva iónov, sa nazýva granula.
(m. nI -. (n-x) K +) x - (štruktúra granúl)
Zvyšok protiiónov (označujeme ich číslom „x K +“) tvorí difúznu vrstvu iónov.
Jadro s adsorpčnou a difúznou vrstvou sa nazýva micela. :
(m. nI-. (n-x) K+) x-. x K + (micelárna štruktúra)
Keď cez koloidný roztok prechádza jednosmerný elektrický prúd, granule a protiióny sa pohybujú k opačne nabitým elektródam.
Dôležitá je prítomnosť náboja s rovnakým názvom na povrchu častíc sólu faktor jeho stability. Náboj zabraňuje priľnutiu a zväčšovaniu častíc. V stabilnom dispergovanom systéme sú častice udržiavané v suspenzii, t.j. nedochádza k zrážaniu koloidnej látky. Táto vlastnosť sólov sa nazýva kinéta. istá stabilita.
Štruktúra miciel sólu jodidu strieborného získaného v nadbytku AgNO3 je znázornená na obr. 1а, viac ako KCI - 1b .
Obrázok 1.5. Micelová štruktúra sólu jodidu strieborného získaného v prebytku:
a) dusičnan strieborný; b) chlorid draselný.
