II. Получение и очистка коллоидных систем

II. 1. Получение коллоидных систем

Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Поэтому коллоидные системы можно получить двумя путями: 1) дробление крупных кусков вещества до требуемой дисперсности (диспергационные методы) и 2) объединение молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров (конденсационные методы).

1) Диспергационные методы

Диспергирование – это процесс увеличения удельной поверхности дисперсной фазы. Процесс, как правило, несамопроизволен, он сопровождается увеличением поверхностной энергии, а следовательно, требует совершения работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил.

В процессе диспергирования в результате механического воздействия на поверхности частиц образуются микротрещины, значительно понижающие механическую прочность частиц. Микротрещины появляются в местах дефектов кристаллической структуры. Развитие микрощелей происходит в результате адсорбции компонентов раствора на поверхности трещин. При этом адсорбированное вещество образует в устье трещины двумерный конденсированный слой, оказывающий расклинивающее действие. Адсорбционное понижение твердости материалов называется эффектом Ребиндера и широко используется на практике. Диспергированием можно получить частицы размером не менее 1 мкм (суспензии и взвеси).

К диспергационным методам относятся:

а) механические методы – дробление, истирание, раздавливание твердых частиц (в дробилках и мельницах различных конструкций). Метод применяется в технике в огромных масштабах (энергия, расходуемая на размол цемента в России, превышает энергию Волжской ГЭС; мировое производство порошков достигает миллиарда тонн в год).

Шаровые мельницы: в цилиндр помещают сухие или мокрые куски и шары из прочного материала, цилиндр вращается, шары разбивают куски.

Коллоидные мельницы: развитие разрывающих усилий в суспензии или эмульсии под действием центробежной силы.

б) ультразвуковой метод – разрывающие усилия в частицах возникают вследствие резких локальных изменений давления при прохождении волны за малые промежутки времени (10^-4 – 10^-5 с). Получают органозоли легкоплавких металлов и сплавов, гидрозоли серы, гипса, графита, гидроокисей металлов, крахмала и т.д.

в) электрические методы – например, метод Бредига – образование вольтовой дуги между электродами из диспергируемого металла в воде. Происходит распыление металлического электрода в дуге и конденсация паров металла при высокой температуре (золь гидроксида железа). Работа, затрачиваемая на диспергирование, может быть условно разделена на две части:

1) работа упругого и пластического деформирования:

W_деф = k ∙ V, (2.1)

где V – объем тела, k – коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема конденсированного тела.

2) работа образования новой поверхности:

W_п = σ ∙ Δs, (2.2)

где σ – энергия образования единицы поверхности (поверхностное натяжение), Δs – приращение поверхности или площадь образовавшейся поверхности.

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, описывается уравнением Ребиндера:

W = W_деф + W_п = kV + σΔs (2.3)

или через линейный размер тела d:

W = k′d³ + k″d²σ = d² (k′d + k″σ), (2.4)

где k′ и k″ - коэффициенты пропорциональности.

При больших размерах тела d второе слагаемое << первого и

W ≈ k′d³, (2.5)

т.е. работа диспергирования определяется в основном работой упругого и пластического деформирования.

При малых значениях d (на заключительных этапах дробления)

W ≈ k″σ d², (2.6)

т.е. при измельчении работа диспергирования определяется в основном работой образования новой поверхности (т.е. работой по преодолению сил когезии).

Метод пептизации

 

Пептизацией называется переход в коллоидный раствор коагулировавших ранее осадков. Т.е. это процесс, обратный коагуляции. Пептизировать осадок можно, отмыв его от коагулянта, или добавив так называемый пептизатор – вещество, которое, адсорбируясь на поверхности частиц и образуя двойной электрический слой, создает силы отталкивания между слипшимися в процессе коагуляции частицами. Под действием теплового движения освободившиеся частицы распространяются по всему объему, образуя коллоидный раствор, обладающий высокой устойчивостью. Дисперсность полученного золя зависит от количества пептизатора. Перемешивание раствора ускоряет пептизацию, т.к. при этом ускоряется проникновение пептизатора к поверхности агрегатов. Скорость пептизации возрастает с ростом температуры. При постоянном количестве пептизатора количество растворившегося осадка (m₂) зависит от количества осадка, взятого для растворения (m₁) следующим образом:

 

 

m₂

 

 

m₁

Рис.2.1. Зависимость количества растворившегося осадка от количества осадка, взятого для растворения

 

Это объясняется тем, что для пептизации определенного количества осадка необходимо определенное количество пептизатора. Пока пептизатор в избытке, количество растворившегося осадка возрастает. Затем, когда пептизатор весь расходуется на растворение, количество растворившегося осадка перестает расти. Если еще увеличивать количество осадка, взятого для растворения, то часть растворившегося осадка будет снова коагулировать, т.к. пептизатор перераспределяется равномерно на все количество осадка, и его уже не хватает для стабилизации растворившегося осадка. Зависимость количества растворившегося осадка (m₂) от количества пептизатора (с) имеет вид:

m₂

 

 

с

Рис. 2.2. Зависимость количества рапстворившегося осадка от количества пептизатора

Плато соответствует полной пептизации всего осадка.