Коагуляция коллоидных систем под действием физических факторов

Коагуляция в результате механического воздействия наблюдается при механическом перемешивании коллоидных систем, перекачке через трубопроводы, всасывании через распределительные устройства и т.д. Причины коагуляции обусловлены временным нарушением адсорбционного равновесия стабилизатора у поверхности коллоидных частиц, что способствует сближению частиц на расстояние, где уже проявляются вандерваальсовы силы, что подтверждается тем, что в коагуляте, полученном в результате механической коагуляции, стабилизатора содержится всегда меньше, чем в коагуляте при коагуляции электролитами.

Коагуляция при разбавлении или концентрировании золей может быть объяснена десорбцией стабилизирующего электролита с поверхности частиц, что обусловливает падение заряда частиц. В этом случае может протекать гидролиз, способствующий снижению устойчивости системы.

При разбавлении коллоидной системы технической водой, содержащей электролиты, коагуляция системы может произойти и под действием электролитов. При выпаривании протекает процесс концентрирования золя, что приводит систему в неустойчивое состояние.

Коагулиравание при нагревании можно объяснить возрастанием броуновского движения, приводящего к процессу десорбции стабилизатора с коллоидной частицы. А нарушение двойного электрического слоя способствует снижению энергетического барьера между частицами, что приводит к их слипанию.

При замораживании, по Люттермозеру, причиной коагуляции гидрозоля является отнятие воды от дисперсной фазы в результате вымораживания. Коагулирование успешнее протекает при замораживании всей массы золя. В этих условиях вследствие увеличения объема в замороженной системе развиваются большие давления. Спрессованные частички дисперсной фазы вступают друг с другом в контакт и слипаются.

А.В. Думанский считает, что при замораживании золя постепенно образуются кристаллики чистой воды, в результате в оставшейся незамерзшей воде происходит увеличение концентрации золя и электролита. Вследствие этого может возникнуть такая большая концентрация электролита, что произойдет коагуляция системы.

Р. Зигмонди установил, что коллоидная дисперсная система при замораживании тем более стойка, чем она устойчивее к влиянию электролитов или удалению воды при высушивании. Следовательно, разрушение золя при хранении или при действии физических факторов (перемешивание, замораживание, нагревание, действие света, электрического разряда, ультразвука и др.) сводится к нарушению двойного электрического слоя вокруг коллоидной частицы.

На потенциальной кривой 1 (см. рис. 9.5) на расстоянии г{ частиц друг от друга существует минимум М. Для гидрофобных золей глубина его незначительна, но для сравнительно крупных асимметричных частиц, имеющих форму палочек или пластин, энергия взаимодействия в точке М

превышает энергию теплового движения и происходит взаимное притяжение частиц с большого расстояния (порядка нескольких толщин двойного электрического слоя). Это явление способствует образованию геля, который легко разрушается при встряхивании системы. Изотермическую обратимость гель <-» золь называют тиксотропией. Тиксотропные структуры возникают лишь при определенных концентрациях коллоидных частиц и электролитов. Количественная характеристика тиксотропии дается путем измерения кинетики самопроизвольного восстановления механических свойств (модуля упругости на сдвиг, прочности и др.) в зависимости от времени стояния системы.

Для коагуляции гидрофильных коллоидов требуется большее количество электролита, чем для гидрофобных. Процесс коагулирования гидрофильных коллоидов называют высаливанием (например, высаливание мыла из водного щелочного раствора). Основную роль в этом процессе играет разрушение гидратной оболочки частиц, в то время как роль заряда частиц становится второстепенной.

Гидрофильные коллоиды при осаждении увлекают за собой жидкую фазу, иногда даже целиком застудневают, образуя с растворителем общую массу (желе, студень). Подобные осадки называются гелями. Процесс перехода золя в гель называется застудневанием или желатиниза- цией. При нагревании гель можно снова превратить в золь. С течением времени студень подвергается глубоким изменениям, сокращаясь в объеме, выделяет из себя растворитель. Это явление называется синерезисом или старением студня.

Гелями называют структуры, образуемые коллоидными частицами или молекулами полимеров в форме пространственных сеток, ячейки которых заполнены дисперсионной средой. Различают хрупкие гели и эластичные. К хрупким гелям относится, например, гель кремниевой кислоты H2Si()3. Благодаря жесткости всего каркаса хрупкого геля его объем при высушивании или оводнении мало изменяется. После высушивания хрупкие гели имеют сильнопористую структуру с множеством жестких капилляров. Образование хрупких гелей из лиофобных золей И. А. Ребиндер рассматривает как один из видов коагуляционного структу- рообразования. Хрупкие гели относятся к двухфазным гетерогенным системам.

Эластичные гели или студни образуются высокомолекулярными соединениями и в отличие от хрупких гелей являются однофазными системами. Из-за гибкости цепей в пространственной сетке эластичные гели сравнительно легко изменяют свой объем при поглощении и отдаче дисперсионной среды. Эластичные гели способны к набуханию с увеличением объема в десятки раз по сравнению с собственным объемом полимера.

Коагуляция осложняется обратным процессом — процессом пептизации или дезагрегации, т.е. переходом коагулята в золь. Этот процесс совершается самопроизвольно без затраты энергии на увеличение поверхности раздела фаз. Пептизация более вероятна в свежеосажденных системах и зависит от лиофильности осажденного золя. Чем выше лиофильность, тем более возможна дезагрегация. С течением времени в коагуляте протекают процессы взаимодействия частиц, приводящие к уменьшению дисперсности и поверхностной энергии. В этом случае коагуляция принимает необратимый характер, и пептизация в системе не происходит. Пептизация может наступить при введении в систему электролита, содержащего потенциалобразующие ионы. Например, амфотерные коагуляты типа А1(ОН)3 пеп- тизируются при добавлении щелочей или кислот в небольших количествах, но достаточных для увеличения заряда на частице. Иногда процесс пептизации коагулята может быть вызван при отмывании осадка от электролита (концентрационная коагуляция). Несмотря на кажущееся различие обоих путей (отмывка от электролита и добавление электролита), механизм пептизации в обоих случаях заключается в увеличении потенциальной энергии отталкивания, приводящем к дезагрегации частиц.

Следовательно, коагуляция — обратимый процесс, и при определенных условиях в системе устанавливается динамическое равновесие (золь агрегаты), которое мешает процессу коагуляции идти до конца.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >