Методы очистки коллоидных систем

Приготовленные золи необходимо очищать от содержащихся в них примесей электролитов. Электролиты понижают устойчивость золи и мешают изучению его свойств. Для очистки золей от примесей электролитов применяют несколько методов: диализ, электродиализ, ультрафильтрация, электроультрафильтрация, ультрацентрифу-гирование.

Диализ осуществляется в специальных установках – диализаторах, имеющих полупроницаемые мембраны, через которые свободно проходят ионы и молекулы дисперсионной среды, но задерживаются более крупные по размеру коллоидные частицы. Коллоидная система контактирует через полупроницаемую мембрану с растворителем, при этом происходит диффузия ионов через мембрану в растворитель. Периодически меняя растворитель, можно добиться достаточно глубокой очистки коллоидной системы. Диализ протекает очень медленно. Процесс ускоряется под действием электрического поля и применения проточной воды. Подобные усовершенствованные установки называются электродиализаторами.

Ультрафильтрацию проводят через полупроницаемые мембраны под давлением или создают разряжение для ее ускорения. При этом дисперсная фаза остается на фильтре, а дисперсионная среда с ионами образует фильтрат. Дисперсную фазу вновь можно перевести в другую чистую дисперсионную среду и получить очищенный золь. Ультрафильтрацию можно комбинировать с электродиализом. Этот комбинированный метод очистки получил название элек-троультрафильтрация.

Отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды, содер-жащей примеси ионов, можно осуществлять в ультрацентрифугах, ротор которых вращается со скоростью 60000 об/мин и выше. Кювета содержит всего 0,5 мл коллоидного раствора. После осаждения дисперсионную среду осторожно удаляют из кюветы и вносят в нее чистую дисперсионную среду. В современных ультрацентрифугах оседают не только частицы лиофобных золей, но и молекулы белков и другие высокомолекулярные вещества.

 

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем связаны с движением частиц дисперсной фазы. Наиболее важными свойствами являются броуновское движения, диффузия, осмос и мембранное равновесие Доннана.

 

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

Броуновское движение – это беспорядочное, непрекращающееся движение частиц дисперсной фазы, вызываемое тепловым движе-нием молекул дисперсионной среды. Оно впервые описано английским ботаником Р.Броуном (1827).

Интенсивность броуновского движения зависит только от температуры, вязкости среды и от размеров частиц. А.Эйнштейном и М.Смолуховским предложено уравнение для определения среднего значения среднеквадратичного смещения шарообразной частицы в определенном, но произвольно выбранном направлении:

= t,

где R – универсальная газовая постоянная; Т – температура золя, К; – вязкость дисперсионной среды; r – радиус частицы; N _А – число Авогадро; t – время наблюдения.

Вследствие беспорядочности движения необходимо усреднять не сами смещения или их проекции, а квадраты этих величин, так как смещения одинаковой величины, но противоположные по знаку, равновероятны и при усреднении дают нуль.

 

ДИФФУЗИЯ

Диффузия – это самопроизвольный процесс переноса вещества в объеме, приводящий к установлению равновесного распределения концентраций в результате беспорядочного теплового движения частиц дисперсной фазы. Диффузия заканчивается с достижением равномерного распределения частиц по объему. Следовательно, она возможна только в системах, где имеется градиент концентрации. Процесс диффузии подчиняется закону Фика, который описывается следующим математическим уравнением:

dm = –D ,

где dm – масса переместившегося вещества; S – площадь сечения, через которое идет диффузия; dt – время; dC/dx – градиент концентрации в направлении переноса вещества; D – коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии для шарообразных частиц определяется соотношением:

D = ,

где k – постоянная Больцмана; Т – температура; – вязкость среды; r – радиус частицы.

Из последней формулы видно, что коэффициент диффузии, характеризующий скорость диффузии, обратно пропорционален размеру диффундирующих частиц. По этой причине скорость диффузии коллоидных частиц в сотни и тысячи раз меньше, чем скорость диф-фузии в молекулярно (ионно)-дисперсных системах. Определив величину D опытным путем, из формулы для коэффициента диффузии можно найти размер коллоидных частиц.

Диффузия играет важную роль во многих технологических процессах: дублении кожи, выделке меха, крашении тканей и другие. Подчеркивая роль процесса диффузии, коллоидный раствор, образующийся после извлечения сахарозы из сахарной свеклы, называют диффузионным соком.

 

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

В коллоидных системах, как и в молекулярно-дисперсных системах, наблюдается явление осмоса. Однако оно менее выражено в коллоидных системах. Например, осмотическое давление 1%-ного раствора сахарозы достигает 6,4∙10⁴Па, а осмотическое давление 1%-ного золя As₂S₃ при той же температуре составляет всего3,5 Па.

Осмотическое давление в коллоидных системах вычисляется по уравнению:

Р_осм= ,

где – число коллоидных частиц в объеме V; N _А – число Авогадро (N _А=6,02∙10²³); R – универсальная газовая постоянная; Т – темпера-тура коллоидной системы. Отношение /(VN _А) дает молярную концентрацию коллоидных частиц в системе.

Небольшое осмотическое давление коллоидных систем позволяет провести процессы очистки различных растворов от содержания в них коллоидных частиц методом обратного осмоса. При этом к растворам, содержащим коллоидные частицы, прилагается внешнее давление, которое выше осмотического давления, вычисленного по приведенному выше уравнению. Дисперсионная среда проходит через полупроницаемую мембрану в другую ее сторону, очищаясь от коллоидных частиц.

Обратный осмос используют и в случае, когда необходимо концентрировать коллоидный раствор путем удаления из него растворителя.