Коагуляція
Що таке коагуляція? В перекладі з латині це згортання, згущення, з'єднання дрібних частинок у дисперсних системах і перетворення їх в більш великі в результаті зчеплення, процес, що відноситься в рівній мірі і до хімії, і до фізики. Так утворюються коагуляційні структури. Ця теорія побудована таким чином: існує дисперсна фаза, де частинки знаходяться в броунівському русі (незалежно один від одного) до тієї пори, коли дві частинки не зблизяться на таку відстань, при якому їх центри можна визначити як радіус сфери впливу (позначається d).Це відстань приблизно дорівнює сумі радіусів частинок, і безпосередній контакт неминучий, тому що раптово (негайним стрибком) з'являються сили взаємодії, частинки притягуються один до одного і агрегуються. Ймовірність зіткнення більше двох частинок мізерно мала, а тому притягуються або одиночні або подвійні з одиночної, або подвійні частинки один з одним, потрійні з одиночними і так далі. Звідси починається теорія хімічних бимолекурярних реакцій. Ось це і є коагуляція. Поріг коагуляції призводить до випадання осаду в колоїдному розчині у вигляді флокул (пластівців), або виходить холодець.
Визначення
Що таке коагуляція як процес - з'ясувати вдалося, тепер необхідно вивести визначення. Коагуляція - це зменшення ступеня дисперсності, а також числа частинок за допомогою злипання. Результатом є седиментація дисперсної фази (тобто випадання частинок) або будь-які зміни тієї дисперсної системи, яка була представлена спочатку. Можна спостерігати в природі, як відбувається мимовільна коагуляція. Це старіння колоїдного розчину (золю) з розшаруванням на дисперсну середовище та на тверду фазу з досягненням мінімальної енергії. Але людство вміє з допомогою коагулянтів (спеціальних реактивів) штучно викликати коагуляцію. Поріг коагуляції - менша кількість електроліту, достатню для початку процесу випадіння осаду. Його структури називаються коагуляційними. Вони утворюються, якщо дисперсна система втрачає седиментаційних стійкість. Достатній вміст дисперсної фази забезпечує армування повного обсягу всієї дисперсної системи. Однак "затвердіти" вся рідка середовище не може, колоїдна дисперсна фаза зазвичай дуже мала, у кілька відсотків від загальної маси.Властивості
Міцність коагуляційної структури не надто висока, механічні дії цілком можуть викликати мимовільне відновлення дисперсної рухомому середовищі. Така властивість (тиксотропия) мають полімери, лаки, фарби, де коагуляційні структури утворюються за рахунок пігментів і наповнювачів. Найхарактернішим прикладом можуть служити просторові сітки, які виникають у дисперсіях глин при коагуляції їх за допомогою електролітів.Седиментационная стійкість - це протидія осіданню частинок, які досить важкі, але під впливом сили тяжіння не осідають. Це відбувається у всіх грубодисперсионних системах, що можна простежити на прикладах осаду в суспензіях і вершків в емульсіях, де відбувається поділ на шар чистої дисперсійного середовища і шар дисперсійної фази. Для седиментації характерні дві картини: повільне осідання і швидке. У першому випадку частинки не зчіплюються, осідаючи окремо, а в другому - осідають спільно. Перший випадок показує седиментаційних стійкість, а другий - нестійкість.
Проблема стійкості
Все під стійкістю розуміють здатність зберігати первісний склад в незмінності. Так само відбувається і в процесах коагуляції. Поріг коагуляції порушує цей стан. Саме тоді закінчується час постійної концентрації дисперсної фази і постійного розподілу в ній частинок. У колоїдної хімії одна з центральних проблем - життя або смерть, які обирають для себе дисперсні системи. Це завдання протилежні, і їх постійно доводиться вирішувати практично. Наприклад, збереженням або руйнуванням дисперсної системи. Якщо це харчова маса - необхідно зберегти її стійкість, а якщо вода з будь-яких водойм - стійкість необхідно зруйнувати, очищаючи. Тобто, вивести в осад все нехороші домішки. Або, наприклад, нафти - їх дисперсна фаза складається з складних надмолекулярних утворень, які виділяються в самостійну микрофазу як частинки різних розмірів. І тут дисперсні системи - це широке поле діяльності.Старіння
Швидкість старіння колоїдного золя залежить від багатьох факторів: розділу фаз, коефіцієнта дифузії, радіуса частинок, розчинність і температури макрофази. Електрокоагуляція - прискорення старіння, коли використовується коагулирующая здатність електроліту. Зіткнення частинок далеко не кожен раз викликають злиття, оскільки їх оточує подвійний електричний шар, навпаки, що відвертає їх один від одного.З допомогою електролітів вдається цей шар зруйнувати або деформувати, тим самим прискоривши коалесценцию. Вид електроліту, тобто лиотропние ряди іонів, валентність електроліту впливають на ефективність цього процесу. Гідрофобні золі здатні руйнуватися, якщо електроліти додавати потроху. Це і стало об'єктом величезного числа теоретичних і експериментальних робіт.
Іони
Вплив електролітів на стан гідрофобних золів показує, що коагулюючу дію залежить від заряду іонів. Швидкість коагуляції значно підвищується при концентрації електроліту, яка перевищує критичне значення (це поріг коагуляції). Формула його розраховується, якщо відома концентрація коагулятора (електроліту), об'єм електроліту, який додається - V, а також загальний обсяг золя - V 30 (зазвичай це десять міліграмів). Величина, що протистоїть порогу коагуляції, є коагулирующей здатність електроліту, і чим нижче поріг коагуляції, тим вище здатність електроліту до коагуляції. Однак не весь електроліт бере участь у цьому процесі, тут головним діючим елементом є саме той іон, що збігається своїм зарядом по знаку з зарядом супротивника (а заряд іона, покликаного до коагулирующей діяльності, завжди протилежний заряду, який має колоїдна частинка). Такий іон називається іоном-коагулянтом. І чим більший його заряд, тим вище коагулирующая здатність, згідно з правилом Шульце-Гарді. Зв'язку між іоном-коагулянтом і порогом коагуляції описані в теорії Дерягіна-Ландау. Правила електролітної коагуляції включають в себе і правило довжини, що стосується співвідношення порогів коагуляції для одновалентних, двовалентних і тривалентних іонів. Y 1 : Y 2 : Y 3 = 729 :11 : 1. Це означає, що трехразрядного іон здатний 729 разів швидше коагулювати, ніж однорозрядний.
Поправки
З плином часом і у зв'язку з розвитком колоїдної хімії як науки правилу довжини встановлені деякі відхилення. Поріг коагуляції залежить не тільки від заряду, вплив роблять і радіус іона-коагулянту, і здатність до гідратації та абсорбції, а також сама природа іона, який коагулянту супроводжує. Многозарядность іона дає ефект перезарядження часток, тобто якщо знак заряду змінюється, змінюється і потенціал колоїдної частинки. Додані іони обмінюються з протиіонами, заміщають їх в адсорбційним і дифузному шарах. Якщо многозарядний іон малий, як, наприклад, Al 3+ , Th 4+ і інші, виходить сверхэквивалентная адсорбція, коли цей іон заміщує по заряду нееквівалентне кількість колишніх іонів на поверхні частинок. І тоді, наприклад, замість одного або двох іонів До + виявляється іон Th 4+ . Це і показує зміна потенціалу і знака заряду.
Фізика
Колоїдна суміш стабільна, якщо їй допомагають у цьому електростатичне відштовхування і стерические ефекти. Саме тому коагулювання проводиться наступним методом: електростатичне відштовхування запобігається за допомогою зміни кислотності або додавання солей, за рахунок чого колоїдні частинки отримують можливість зближатися до того відстані, що необхідно для їх злипання. Метою коагуляція є освіта хлопьевидних скупчень, що необхідно, наприклад, для відстоювання або фільтрування води. Тільки якщо пластівці досягнуто досить великого розміру, їх можна видалити. А без коагуляція робити це вкрай непрактично, оскільки буде потрібно величезна кількість часу. Оптимальний розмір флокул для очищення води, наприклад, повинен бути в кілька міліметрів, інакше домішки видалити практично неможливо.Процес
Коагулювання має два етапи: 1. Хімікат швидко змішується з водою - близько однієї хвилини, щоб коагулянт правильно розподілився і не зруйнував утворилися флокули. Зазвичай для змішування використовується спеціальний змішувач-резервуар. 2. Від півгодини до сорока п'яти хвилин відбувається власне коагуляція , коли вода, проходячи кілька резервуарів з меншою швидкістю перемішування, утворює осад. Окремий випадок - коли коагуляція проводиться електролітами, де два гідрофобних золя мають різні знаки зарядів. При звичайній коагуляції перезарядженням займаються іони-коагулянти, а в даному випадку потрібно певне співвідношення концентрації змішуються золів, щоб ця перезарядка настала.Значення
Взаємна коагуляція дуже важлива і природних, і в технологічних процесах. Наприклад, формування ґрунтового горизонту відбувається завдяки коагуляції електролітами ґрунтових колоїдів. Солі у воді гідролізуються, утворюючи колоїдні частинки, позитивно заряджені, - А 1 (ВІН) 3 , які взаємодіють з колоїдними частинками у воді, зарядженими майже завжди негативно, що і призводить до взаємної коагуляції, після чого коагулированние частинки випадають в осад. Найбільш ефективна коагуляція, коли в дисперсну систему додають електроліти, що містять іони з протилежним зарядом, ліквідуючи таким чином седиментаційних стійкість. Для процесів електролітної коагуляції використовуються солі заліза або алюмінію, а також їх суміші. Коагуляцію можна викликати різними способами - від механічного впливу до зміни температури. Якщо воду, наприклад, закип'ятити або виморозити, обов'язково утворюється осад. Також впливають на коагуляційні процеси різноманітні випромінювання, додавання сторонніх речовин, особливо електролітів. Саме електролітна коагуляція найбільш важлива, а тому добре вивчена і широко застосовується.