Коагуляція дисперсних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Коагуляція дисперсних систем

Коагуляція - процес злипання колоїдних часточок перебігає порівняно легко під дією самих різних факторів: введення електролітів, неелектролітів, заморожування, кип'ятіння, перемішування, дії сонячного світла тощо. У процесі електролітної коагуляції часто спостерігається іонообмінна адсорбція: іони коагулянта з більшою валентністю або більшим адсорбційним потенціалом витісняють протиіони спочатку дифузного шару, а потім і адсорбційного шару. Обмін проходить в еквівалентній кількості, але заміна протиіонів приводить до того, що при достатній концентрації електролітів у дисперсному середовищі часточки гублять стійкість і при зіткненні злипаються.

Існують два типи коагуляції: а) нейтралізаційна коагуляція, що характерна для слабкозаряджених золів і емульсій (? < 50 мВ), в яких потенціал поверхні знижений внаслідок недоліку потенціалвизначаючих іонів або внаслідок адсорбції протилежно заряджених іонів; б)концентраційна коагуляція, яка характерна для сильнозаряджених золів і суспензій і пов'язана не з падінням дзета-потенцілу, а з стисканням дифузної частини подвійного шару при збільшенні іонної сили розчину.

Для більш вивченої електролітної коагуляції встановлено ряд експериментальних загальних правил:

1. Коагуляцію ліофобних золів спричиняють будь-які електроліти, але з помітною швидкістю вона спостерігається при досягненні визначеної концентрації електроліту.Верхньою межею коагуляції називають мінімальну концентрацію електроліту Сп, необхідну для початку наявної коагуляції золю: помутніння розчину, зміна його забарвлення і т.д.

2. Згідно з правилом Шульца-Гарді коагулювальну дію звичайно виявляє іон, заряд якого за знаком протилежний заряду поверхні колоїдних частинок, причому ця дія зростає із збільшенням валентності іона. Так, коагуляцію позитивно заряджених золів викликають аніони, а негативно заряджених - катіони.

Коагулювальна здатність іонів тим вища, чим більша величина їх заряду (РAl3+ > PCa2+ > PK+), і виражається співвідношенням 1/36; Ѕ6; 1/16. Таким чином, із збільшенням валентності іона в 3 рази його коагулювальна здатність зростає практично в сотні разів. пояснюється тим, що багатовалентні високозарядні іони коагулянтів значно притягаються зарядженою поверхнею колоїдної частини, ніж одновалентні, і значно легше витісняють протиіони з дифузного і навіть адсорбційного шару.

3. Коагулювальна дія органічних іонів (особливо поверхнево-активних з'єднань, таких, як алкалоїди, забарвники, нуклеїнові кислоти і т.д.) значно вища, ніж неорганічних.Це пов'язане з їх високою адсорбційною здатністю, можливістю адсорбуватися у надеквівалентній кількості, і навіть викликати перезарядку поверхні колоїдних частинок.

4. У ряді неорганічних іонів з однаковими зарядами коагулювальна здатність залежить від радіуса коагулювального іона: чим більший радіус, тим більша коагулювальна здатність (так звані ліотропні ряди):

РCs+> PRb+> PK+ > PNa+ > PLi+1; PCNS- > PI- > PBr- > PCl-.

Це пояснюється тим, що ступінь гідратації іонів зменшується, наприклад, від L+1 до Cs+, а це полегшує його впровадження у подвійний іонний шар.

5. З найбільшою швидкістю коагулюють електронейтральні частинки ліофобних колоїдних золів. Але коагуляція багатьох ліофобних золів починається раніше, ніж досягається їх ізоелектричний стан. Дзета-потенціал, при якому починається явна коагуляція, називається критичним, і його величина становить 30 мВ.

6. Явище звикання золю. Якщо до золю швидко додати коагулянт, то відбувається коагуляція, якщо ж повільно - коагуляція відсутня. Це можна пояснити тим, що між електролітом і золем відбувається реакція, в результаті якої утворюється пептизатор, який стабілізує дисперсну систему:

Fe(OH)3 + HCl > FeOCl + 2H2O,

FeOCl - FeO+ + Cl-,

де FeO+ - пептизатор для золю Fe(OH)3.

Це явище є характерним для живого організму, коли організм звикає до отрути, яку вводять малими дозами: миш'як (Наполеон), нікотин (нікотиномани) і т.д.

7. При коагуляції сумішами електролітів можливі три випадки їх спільної дії на колоїдний розчин

а) підсумування коагулювальної дії електролітів (адитивність);

б) один електроліт посилює дію іншого (синергізм);

в) один електроліт послаблює дію іншого (антагонізм).

8. Взаємна коагуляція. Якщо до золю з негативно зарядженими часточками додати золь з позитивно зарядженими часточками, то відбудеться взаємна коагуляція. Це явище широко використовується для очищення природних та промислових вод. Так, якщо до води, яка містить негативно заряджені часточки грунту, мікрофлори, органічних домішок, додати позитивно заряджені золі гідроксиду алюмінію Al(OH)3 або заліза Fe(OH)3, то відбудеться взаємна коагуляція, і палички, які утворяться, відфільтровуються на піщаних фільтрах.

9 Старіння колоїдних систем часто має коагуляційний характер (автокоагуляція). Більш повільніше старіння колоїдних систем приводить до розподілу систем на дві фази (синерезис), причому дисперсна фаза зберігає свою форму, а дисперсійне середовище виділяється у вигляді окремої фази.

2. Колоїдний захист

Як відомо, гуморальні рідини організмів - кров, плазма, лімфа та інші - є колоїдними системами, які містять такі речовини, як білки, холестерин, глікоген тощо у колоїдному стані.

Колоїди різних тканин обумовлюють їх властивості (стан гелів, еластичність, набухання та ін.). Колоїдні речовини можуть з'єднувати великі кількості води (сполучна тканина, склоподібне тіло і ін.), а також адсорбувати (приєднувати) різноманітні речовини.

Стабілізація золів відносно електролітів шляхом додавання невеликої кількості ВМС називається захистом, а речовини, які її викликають - захисними. До них належать речовини, які розчиняються у воді: білки, ефіри целюлози, СМС, мила, декстрин, крохмаль тощо. В основі захисної дії лежить адсорбція молекул захисної речовини поверхнею колоїдних частинок і внаслідок цього захист їх від безпосереднього зіткнення між собою, а таким чином і від агрегації. Захищений золь набуває всіх властивостей адсорбованої захисної речовини. Захисна дія ВМС залежить від природи колоїдного розчину, який захищається, і його дисперсності, від природи самого ВМС, від рН і т.д. Захисну здатність різних речовин можна порівнювати відносно стандартного золю, наприклад, відносно золю золота. Під захисним числом розуміють кількість мг сухої захисної речовини, яку необхідно додати до 10 мл дослідного золю, щоб захистити його від коагуляції.

Велике значення має колоїдний захист для живих організмів. Захисну дію в організмі мають нуклеїнові кислоти, різні білки та їх похідні: нуклеопротеїди, ліпопротеїди і т.д., глікоген, полісахариди, пектини. Вони адсорбуються на колоїдних частинках гідрофобних систем організму, переводячи їх у стійкий стан. Так, наприклад, сеча є колоїдним розчином, в якому дисперсні частинки захищені різними білками - альбумідами. Протеїни сироватки крові збільшують розчинність СаСО3 в декілька разів. Білки крові захищають краплинки жиру, холестерин і ряд інших гідрофобних речовин, у здорових людей вміст захисних речовин у рідких системах організму постійний. При деяких видах патології, а також при старінні організму захисні властивості білків та інших речовин змінюються.

Зниження ступеня цього захисту призводить до відкладання, наприклад, холестерину і кальцію на стінках судин (атеросклероз і атерокальциноз). З віком порушується лецитино-холестеринова рівновага, в результаті чого змінюється співвідношення між холестерином, фосфоліпідами і білками. Холестерин відкладається на стінках судин, обумовлюючи вікові зміни судин (зниження еластичності, зменшення діаметра судин і т.д.), у зв'язку з чим спостерігаються з належні зміни в тканинах. Вірогідно, цей процес є одним із суттєвих факторів старіння організму.

Зниження захисних властивостей білків та інших гідрофільних з'єднань у крові призводить до випадання каменів в нирках, печінці, протоках залоз травлення.

Явище колоїдного захисту використовується при виготовленні деяких лікарських препаратів. Так, наприклад, коларгол, протаргол - препарати - антисептики мають вигляд сухого темного порошку, гарно розчинного у воді, є золем срібла в захищеному білком стані.

У харчовій промисловості при виготовленні маргарину, майонезу, морозива як стабілізатор, використовують желатин, яєчні білки та інші речовини.

3. Біологічне значення коагуляції

Такі біологічні рідини живих організмів, як кров, плазма, лімфа, спинномозкова рідина, сеча та інші є колоїдними системами, в яких ряд речовин, наприклад, білки, холестерин, глікоген та інші, перебувають в колоїдному стані. За багатьма показниками крові можна зробити висновок про фізіологічний стан організму. Найменші відхилення від норми кількості формених елементів крові (еритроцитів, лейкоцитів, тромбоцитів), швидкості осідання еритроцитів (ШОЕ), згортання і т.д. свідчать про наявність патологічних процесів в організмі людини. Взагалі цільну кров можна розглядати як емульсію, в якій формені елементи - дисперсна фаза, а плазма - дисперсійне середовище. У той самий час плазма є високодисперсною системою, в якій дисперсну фазу складають білки, гормони, ферменти і т.д. На поверхні еритроцитів адсорбовані молекули білків, амінокислот, іони електролітів, які визначають негативний заряд. Еритроцити- достатньо великі часточки в нормальному стані, вони коагулюють і осаджуються з визначеною швидкістю (ШОЕ). За наявності патологічних процесів в організмі змінюється біохімічний склад крові, еритроцити адсорбують молекули білків: глобулінів і фібриногенів, змінюється заряд еритроцитів і збільшується швидкість осідання еритроцитів (ШОЕ). Цей аналіз використовується для діагностики ряду захворювань.

Процес згортання крові є явище, аналогічне коагуляції, і забезпечує мінімальну втрату крові та утворення тромбоцитів у кровоносній системі. В основі процесу розчинення тромбів лежить явище пептизації.

Пептизатором протизгортальної системи є антикоагулятор крові - гепарин.

При консервуванні крові необхідно враховувати, що одним з факторів згортання крові є іони кальцію. Цільну кров декальцинують або домішкою цитрату натрію, або домішкою антикоагулянтів (гепарин, дикумарин і т.д.), або за допомогою іонутворювальних смол - катіонітів.

Відстоювання води проводять у безперервно діючих відстійних бетонованих резервуарах. Для досягнення повного освітлення і знебарвлення декантіруемую з відстійників воду піддають коагуляції. Коагуляція - високоефективний процес поділу гетерогенних систем, зокрема, виділення з води найдрібніших глинистих частинок і білкових речовин. Фізико-хімічна сутність цього процесу полягає в тому, що адсорбція коагулянту на поверхні зарядженої колоїдної частинки призводить до злипання окремих часток (коагуляції) і утворення осаду. При цьому іон-коагулянт повинен мати заряд, протилежний заряду колоїдної частинки. Чим вище заряд іона-коагулянту, тим менше витрата електроліту на коагуляцію. Так, природні глинисті колоїдні системи (природні води) мають негативний заряд, для їх коагуляції найчастіше застосовують сполуки алюмінію у вигляді сульфатів або подвійних солей - алюмокалієвого квасцов. Одночасно йде процес адсорбції на поверхні осаду органічних барвників, в результаті чого вода знебарвлюється. Кількість внесеного в воду коагулянта знаходиться в прямій залежності від забрудненості води. Утворений при коагуляції колоїдний осад віддаляється з води відстоюванням і фільтруванням.

Фільтрування - найбільш універсальний метод розділення неоднорідних систем. У техніці фільтрування велике значення має розвинена поверхню фільтруючого матеріалу.

Пом'якшення і знесолення води полягає у видаленні солей кальцію, магнію та інших металів.

У промисловості застосовують різні методи пом'якшення, сутність яких полягає у зв'язуванні іонів Са2 + і Мg2 + реагентами в нерозчинні і легко видаляються з'єднання.

По застосовуваних реагентів розрізняють способи:

- вапняний (гашене вапно);

- содовий (кальцинована сода);

- натронним (гідроксид натрію) і

- фосфатний ( тринатрийфосфат).

Процес пом'якшення грунтується на наступних реакціях:

1) обробці гашеним вапном для усунення тимчасової жорсткості видалення іонів заліза і зв'язування СО2:

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = Ї2CaCO3 + 2Н2О

Mg(HCO3)2 + 2Са (ОН)2 = Ї2CaCO3 + + Ї Mg(OH)2 + 2Н2О

FeSО4

+ Са(ОН)2 = ЇFе(ОН)3 + ЇCaSO4

4Fе(ОН)3 + О2 + 2H2O = Ї4Fе (ОН) 3

CO2 + Са(ОН)2= Ї СаСО3 + Н2О

2) обробці кальцинованої содою для усунення постійної жорсткості:

MgSO4 + Na2CO3 = Ї MgCO3 + Na2SO4

MgCI2 + Na2CO3 = Ї MgCО3 + 2NaCl

CaSО4 + Na2CO3= Ї CaCO3 + Na2SO4

3) обробці тринатрійфосфату для більш повного осадження катіонів Са2+ і Mg2+:

3Са (НСО3) 2 + 2Na3PО4 = Ї 4Са3 (РO4) 2 + 6NaHCO3

3MgCl2 + 2Na3PО4 = Ї Mg3 (PО4) 2 + 6NaCl

Розчинність фосфатів кальцію і магнію мізерно мала, це забезпечує високу ефективність фосфатного методу.

Найбільш економічно застосування комбінованого способу пом'якшення, що забезпечує усунення тимчасової і постійної жорсткості, а також зв'язування СО2, видалення іонів заліза, коагулювання органічних і інших домішок. Одним з таких способів є вапняно-содовий в поєднанні з фосфатним.

Значний економічний ефект дає поєднання хімічного методу з фізико-хімічними, тобто Іонообмінним способом. Сутність іонообмінного способу пом'якшення полягає у видаленні з води іонів кальцію і магнію за допомогою іонітів, здатних обмінювати свої іони на іони, що містяться у воді.

Розрізняють процеси катіонного і аніонного обміну; відповідно іоніти називають катіоніти і аніоніти.

В основі катіонного процесу пом'якшення лежить реакція обміну іонів натрію і водню катіонітів на іони Са2 + і Mg2 +:

Na2 [Кат] + Са (НСОз)2>Са [Кат] + 2NaHCО3

H2 [ Кат] + MgCl2 >Mg [Кат] + 2HCI

Наведені реакції показують, що іонообмінний спосіб може забезпечити як пом'якшення води, так і знесолювання, тобто повне видалення солей з води.

Реакції іонообміну оборотні, і для відновлення обмінної здатності іонітів проводять процес регенерації. Регенерацію

Na-катіонітів здійснюють за допомогою розчинів кухонної солі,

а Н-катіонітів - введенням розчинів мінеральних кислот. Рівняння регенерації катіонітів:

Са [Кат] +2 NaCl >Na2 [Кат] + СаСl2

Na [Кат] + НС1>Н [Кат] + NaCI

Прикладом аніонного обміну може служити реакція обміну аніонів ОН-за рівнянням

[Ан] ОН + НС1 > [Ан] С1 + Н2О

Регенерацію аніоніти проводять за допомогою розчинів лугів:

[Ан] С1 + NaOH> [Ан] ОН + NaCI

Повне знесолення води може бути досягнуто також шляхом перегонки води - дистиляції - на перегінних установках.

Підвищення техніко-економічного ефекту водопідготовки пов'язано із застосуванням комбінування декількох технологічних процесів, наприклад коагуляції, пом'якшення і освітлювання за допомогою сучасних методів іонного обміну, сорбції, електрокоагуляції та ін

Для сучасної промислової водопідготовки значний інтерес представляє можливість застосування електрохімічних методів, зокрема електрокоагуляції. Електрокоагуляція - спосіб очищення води в електролізерах з розчинними електродами - заснована на електрохімічному отриманні гідроксиду алюмінію, що володіє високою сорбційною здатністю по відношенню до шкідливих домішок.

На розчинній алюмінієвому аноді відбуваються два процеси - анодна та хімічна (не пов'язане з протіканням електричного струму) розчинення алюмінію з наступним утворенням А1 (ОН) 3:

А1 - Зе-а A13 +

А13 + + ЗОН-аА1(ОН)3

На катоді відбувається виділення пухирців газу - водню (воднева деполяризація), які піднімають частки речовин на поверхню води. До переваг методу електрокоагуляції відносяться: висока сорбційна здатність електрохімічного А1 (ОН) 3, можливість механізації і автоматизації процесу, малі габарити очисних споруд.

Для очищення головним чином кислих оборотних вод застосовується нейтралізація - обробка води оксидом або гідроксидом кальцію.

Важливою частиною водопідготовки є видалення з води розчинених агресивних газів (СО2, О2) з метою зменшення корозії. Видалення газів здійснюють методом десорбції(термічної деаерації) шляхом нагрівання парою. коагуляція дисперсний фільтрування знезараження

Воду, яка використовується для побутових потреб, обов'язково піддають знезараженню - знищенню хвороботворних бактерій і окисленню органічних домішок в основному хлоруванням за допомогою газоподібного хлору, а також хлорного вапна і гіпохлората кальцію.

Размещено на Allbest.ru