Устойчивость и коагуляция коллоидных систем

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Коллоидные растворы – термодинамически неустойчивые системы. Причиной неустойчивости является большая межфазная поверхность. Под устойчивостью понимают способность дисперсных систем сохранять в течении времени неизменными своё состояние и свойства. Различают два вида устойчивости – седиментационную и агрегативную.

Седиментационная [19] устойчивость – это способность частиц дисперсной фазы оставаться во взвешенном состоянии в объёме дисперсионной среды. Она зависит от размеров частиц, осаждению которых противодействуют силы диффузии, и, следовательно, седиментационная устойчивость зависит от соотношения сил диффузии[20] и тяжести.

Грубодисперсныесистемы седиментационно неустойчивы, так как увеличивающиеся за счёт агрегации силы тяжести сравнительно быстро превышают действующие в них силы диффузии. Высокодисперсныесистемы седиментационно более устойчивы и существуют продолжительно, так как силы диффузии в них больше сил тяжести.

Агрегативная устойчивость – это способность частиц дисперсной фазы противостоять их агрегации. Процесс слипания частиц, приводящий к образованию осадка – расслоения системы на две фазы называется коагуляцией [21] .

Большинство как грубо, так и высокодисперсных систем являются агрегативно неустойчивыми. Они не могут существовать без присутствия в системе стабилизатора.

Большинство дисперсных систем, несмотря на агрегативную неустойчивость, могут сохраняться достаточно долго.

От седиментационной и агрегативной устойчивости зависит срок хранения и качество многих материалов и пищевых продуктов (например, соков, молока, майонезов).

Факторы стабилизации агрегативной устойчивости дисперсных систем подразделяются на термодинамические (электростатические, адсорбционно-сольватные, энтропийные) и кинетические (структурно-механические, гидродинамические).

Электростатический фактор стабилизации коллоидных растворов обусловлен тем, что между одноимённо заряженными частицами дисперсной фазы действуют силы отталкивания.

Адсорбционно-сольватный фактор ведёт к уменьшению поверхностного натяжения и снижению энергии Гиббса образования поверхности раздела.

Энтропийный фактор обусловлен тем, что частицы дисперсной фазы в высокодисперсных системах участвуют в броуновском движении [22] , при этом происходит равномерное распределение их во всём объёме системы (рис. 30).

Рис. 30. Траектория броуновского движения коллоидной частицы (точками отмечены положения частицы через одинаковые промежутки времени)

Структурно-механический фактор обусловлен образованием на поверхности частиц дисперсной фазы адсорбционного слоя, ограничивающего их движение в дисперсионной среде.

Гидродинамический фактор замедляет агрегацию частиц вследствие увеличения вязкости среды, изменения плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Факторы стабилизации при изменении условий могут быть нейтрализованы. Например, электростатический фактор чувствителен к воздействию электролита, коагулирующее действие которого проявляют ионы, имеющие заряд, противоположный по знаку заряду коллоидных частиц. Причём, коагулирующая сила таких ионов тем больше, чем больше их заряд.

Коагуляционный эффект проявляется после того, как концентрация в дисперсионной среде достигнет определённого значения, называемого порогом коагуляции.

Если с частиц осадка, образовавшегося в результате коагуляции, удалить ионы – коагулянты, то, в случае обратимого коллоида, можно вновь получить золь. Этот процесс называется пептизацией[23].

Пептизацией называют процесс перехода свежеполученного при коагуляции осадка в золь под действием веществ, называемых пептизаторами (рис. 31). Процесс, обратный коагуляции. Пептизаторами могут быть как электролиты, так и неэлектролиты.

Рис. 31. Процесс пептизации

Наличие примесей растворённых веществ и/или грубодисперсных частиц отрицательно сказывается на свойствах золей, снижая их устойчивость.

Для очистки коллоидных растворов от примесей используют мембранные процессы: фильтрацию, диализ[24] и ультрафильтрацию.

Фильтрация (от лат. filtrum– войлок) основана на способности коллоидных частиц проходить через поры обычных фильтров (рис. 32). При этом более крупные частицы задерживаются. Фильтрацию используют для очистки коллоидных растворов от примесей и грубодисперсных частиц.

Диализ (от греч. dyalisis – отделение) – удаление с помощью мембран низкомолекулярных соединений из коллоидных растворов. Движущей силой этого процесса является градиент[25] концентрации. Разделение достигается за счёт различия в скоростях переноса через мембрану частиц разных размеров. Через мембрану проходят лишь частицы молекул и ионов с молярной массой менее 1000 г/моль. Принцип диализа показан на рис. 33.

Рис. 32. Прохождение коллоидных частиц через фильтр

Рис. 33. Принцип диализа

Ультрафильтрация (от лат. ultra – сверх, filtrum – войлок) применяется для очистки систем, содержащих частицы коллоидных размеров (золи, взвеси бактерий и вирусов). В основе метода лежит продавливание разделяемой смеси через фильтры с порами, пропускающими только молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. Этот метод позволяет получать более концентрированный коллоидный раствор. На рис. 34 показана схема ультрафильтрационной установки.

Рис. 34. Схема ультрафильтрационной установки:

1 – ультрафильтр; 2 – давление воздуха; 3 – фильтрующая часть; 4 – воронка;

5 – водоструйный насос; 6 – колба для отсасывания

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒