В.Я. БАРАНОВ , В.И. ФРОЛОВ 3 страница

0

+x_кр С _эл

Рис.7. Схема чередования зон устойчивости и коагуляции

Из рис.7 видно, что при малых концентрациях электролита значение x - потенциала выше критического. При увеличении концентрации электролита ионы вызывают коагуляцию. Первая зона коагуляции отвечает значениям потенциала от - x_кр до x_кр. Изменение знака эффективного заряда объясняется способностью многовалентных ионов к специфической адсорбции. Силы специфической адсорбции характеризуются адсорбционным потенциалом, величина которого зависит от индивидуальных свойств иона. Ион, обладающий большим большим адсорбционным потенциалом, может адсорбироваться в сверхэквивалентном количестве, т.е. в количестве, большем, чем это требуется для нейтрализации внутренней обкладки ДЭС. Избыточные ионы притягивают электростатически противоионы, располагающиеся диффузно, чем и обуславливается перемена знака x - потенциала. Дальнейшее увеличение концентрации приводит к перезарядке коллоидной частицы, что придает вновь золю устойчивость. В этой зоне значение x - потенциала снова выше критического, но обратно по знаку по отношению к значению x - потенциала исходного золя. Наконец при избыточных количествах электролита происходит окончательная коагуляция, связанная с сжатием диффузного слоя.

Явление перезарядки вызывается, как было отмечено выше, многовалентными ионами, например Th⁴⁺. При этом многовалентный ион Th⁴⁺ входит в ДЭС, нейтрализуя, как показано на рис.8, отрицательные потенциалопределяющие ионы.

- + - Th⁴⁺ -

- + + - Th⁴⁺ - - -

- + + + - Th⁴⁺ - - - -

- + + + + - Th⁴⁺ - - - - -

- + + + - Th⁴⁺ - - - -

- + + - Th⁴⁺ - -

- x

j_о j_о

+ x

С_эл

Рис.8. Схема перезарядки коллоидной частицы

В качестве противоионов уже будут выступать отрицательные ионы и при этом происходит перемена знака заряда x - потенциала на обратный. Процесс происходит столь быстро, что переход через изоэлектрическое состояние не сопровождается коагуляцией.

Привыкание лиофобных золей происходит при постепенном добавлении большого количества электролитов к коллоидным растворам, что сопровождается. меньшей потерей устойчивости дисперсной системы, чем при единовременном добавлении этого же количества электролитов. Коллоидная система как бы «привыкает» к электролиту. Наблюдается также явление отрицательного привыкания, когда при медленном добавлении к золю электролита его требуется меньше для коагуляции, чем при быстром введении. Пример: Добавление HCl к гидрозолю Fe(OH)₃.. Положительное привыкание здесь объясняется химическим взаимодействием коагулятора HCl с дисперсной фазой золя. Образующийся растворимый в воде FeCl₃ является стабилизатором дисперсной фазы, что приводит к увеличению устойчивости золя.

Fe(OH)₃. + 3 HCl FeCl₃. + 3 H₂O

Помимо химической теории привыкания используют физическую теорию устойчивости, основанной на уменьшении высоты энергетического барьера, имеющего место при сближении частиц золя по мере постепенного возрастания концентрации прибавляемого к золю электролита.

При коагуляции коллоидных растворов смесью двух электролитов наблюдается аддитивное действие электролитов, которое характеризуется прямой, соединяющей значения порогов коагуляции g₁ и g₂ для каждого электролита (рис.9, кривая 1), взятых по отдельности. Электролиты действуют независимо друг от друга и их коагулирующее действие складывается по закону аддитивности. Пример: KCl-KNO₃ на положительно заряженной частице гидрозоля AgJ; NaCl- KCl на отри цательно заряженной частице гидрозоля AgJ.

При коагуляции коллоидных растворов смесью двух электролитов наблюдается эффект антагонизма (рис.9, кривая 2), заключающийся в противодействии их друг другу и для коагуляции их следует брать больше, чем это следует из правила аддитивности. Значение порога коагуляции при этом увеличивается. Пример: LiCl-CaCL₂ на гидрозоль As₂S₃.

С₂ 2

1

С₁

Рис.9. Явления, сопровождающие коагуляцию лиофобных золей

1- аддитивность; 2-антагонизм; 3-синергизм

Эффект синергизма заключается в усилении коагулирующего действия двух электролитов (рис.9, кривая 3). Значение порога коагуляции при этом уменьшается, т.е. требуется меньшие количества электролитов, чем это следует из правила аддитивности. Пример: LiCl-CaCL₂ на гидрозоль HgS.

Коллоидная защита лиофобных золей заключается в повышении агрегативной устойчивости при добавлении к ним лиофильных гидрозолей, как более устойчивых к действию электролитов. К веществам способным обеспечить коллоидную защиту лиофобных гидрозолей относят водорастворимые высокомолекулярные соединения (ВМС) – белки, углеводы, пектины, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), а в случае олеофобных золей (дисперсионная среда углеводородная) используют маслорастворимые ВМС (каучук и ему подобные вещества). В качестве критерия защитного действия различных ВМС предложено использовать так называемое «золотое число», под которым понимается количество мг ВМС, которое необходимо добавить к 10 см³ красного золотого золя для того, чтобы предотвратить его посинение при введении в систему 1 см³ 10%-ного раствора NaCl.

Механизм защитного действия ВМС заключается в образовании вокруг коллоидной частицы адсорбционной оболочки из макромолекул ВМС.

Защитные коллоиды широко применяются в нефтяной промышленности для модификации свойств буровых растворов (КМЦ, гипан, УЩР, ССБ, крахмальные реагенты, полифенолы, лигнины). В качестве защитных коллоидов природных нефтяных эмульсий выступают оболочки вокруг глобул воды, состоящие из нефти, ВМС, парафинов, порфиринов, которые обладают внутренней структурой, упрочняющаяся во времени.

В организме человека в качестве защитных коллоидов выступают белки, которые образуют защитную оболочку вокруг кристалликов оксалатов, уратов и тартратов (соли соответственно щавелевой, мочевой и винной кислот), образующихся в организме человека. При нарушении белкового обмена эти оболочки утончаются. Что приводит к началу их слипания (коагуляции) в организме появляется так называемый «песок». При дальнейшем развитии болезни белковые оболочки исчезают полностью и начинается прогрессивное образование «камней» в почках, печени человека.

В фотографии в качестве защитного коллоида для кристалликов AgBr чаще всего используется желатина.

В пищевой промышленности при производстве сливочного мороженого в качестве защитного коллоида выступают белковые вещества сливок, которые обволакивают кристаллики воды и тем самым улучшают вкус мороженого и комфортность его поедания.

6.4. Влияние различных факторов на электрокинетический потенциал

6.4.1. Влияние природы электролитов

Большое влияние на величину x - потенциала оказывает природа электролита. Индифферентные электролиты не имеющие ионов, способных достраивать кристаллическую решетку агрегата золя не изменяют знак и величину термодинамического потенциала (j_о), но снижают значение x - потенциала в результате увеличения концентрации противоионов и сжатия ДЭС.

Неиндифферентные электролиты имеющие ионы, способные достраивать кристаллическую решетку агрегата золя при их добавлении сначала увеличивают значение x - потенциала, а после достижения максимума снижают. Это связано с тем, что при малых концентрациях электролита происходит достраивание кристаллической решетки, вызванное селективной адсорбцией ионов, а при больших концентрациях, по мере завершения достройки решетки происходит сжатие диффузного слоя. При введении неиндифферентного электролита возможна перезарядка частиц, как и в случае многовалентных ионов и органических катионов, рассмотренных выше, но отличие состоит в том, что в этом случае изменяется как x - потенциал, так и j_о - потенциал.

6.4.2. Влияние рН

На величину x - потенциала сильно влияет рН дисперсионной среды. Объясняется это тем, что водородные (Н⁺) и гидроксильные ионы (ОН⁺) обладающие дипольным моментом вследствие их малого размера способны адсорбироваться поверхностью частиц, изменяя ее потенциал.

6.4.3. Влияние температуры

С повышением температуры растет величина x - потенциала, так как увеличивается тепловое движение ионов и толщина ДЭС. Одновременно с этим возможно возрастание десорбции потенциаоопределяющих ионов. При понижении температуры наблюдается обратная зависимость.

6.4.4. Влияние природы дисперсионной среды

Электрокинетические явления в первую очередь характерны для систем с полярной дисперсионной средой. Многочисленные опыты показывают, что x - потенциал дисперсной фазы тем меньше, чем меньше полярность среды.

6.5. Физическая теория устойчивости и коагуляции лиофобных дисперсных систем (теория ДЛФО)

Физическая теория устойчивости и коагуляции лиофобных дисперсных систем (ДС) основывается на принципах статистической физики, теории растворов и теории действия молекулярных сил. Строгую количественную трактовку устойчивости и коагуляции ДС дает теория, предложенная Дерягиным Б.В. и Ландау Л.Д. в 1941 г. и подтвержденная голландцами Фервеем и Овербеком (теория ДЛФО по начальным буквам основных авторов).

Согласно этой теории устойчивость ДС определяется балансом энергии притяжения и отталкивания частиц дисперсной фазы. Теория ДЛФО позволяет с достаточной точностью рассчитать значения x - потенциалов, величину порогов коагуляции и, строго математическим путем объяснить большинство явлений коагуляции лиофобных золей.

В основе термодинамики теории ДЛФО лежит представление о расклинивающем давлении, введенное Дерягиным Б.В.(1935 г.). Расклинивающее давление возникает при сильном уменьшении толщины пленки (h) в результате сближающихся поверхностных слоев частиц дисперсной фазы (рис.10).

h >>2 r h << 2 r

h

а) б)

- молекулы (ионы) дисперсионной среды

Рис.10. Схема механизма возникновения расклинивающего давления

а) расклинивающее давление отсутствует;

б) наличие расклинивающего давления

При большой толщине поверхностной пленки (рис.10 а, толщина пленки значительно больше двух радиусов молекул или ионов дисперсионной среды, h >>2r) в обобщенное уравнение 1-го и 2-го начал термодинамики (13) входят только величины поверхностных энергий обоих межфазных поверхностных слоев.

dG = -SdT + s_1,2 dS+ s_1,3 dS +åm_idn_i (13)

где s_1,2 – поверхностное натяжение на границе газ-жидкость; s_1,3 - поверхностное натяжение на границе твердое тело-газ.

При уменьшении толщины пленки (рис.10 б, толщина пленки значительно меньше двух радиусов, h << 2 r) ограничивающие ее поверхностные слои начинают перекрываться, вследствие чего возникает расклинивающее давление, обусловленное взаимодействием как сближающихся дисперсных фаз, так и межфазных слоев. В этом случае избыточная поверхностная энергия Гиббса (уравнение 14) зависит также от толщины пленки h.

dG = -SdT + s_1,2dS+ s_1,3 dS +åm_idn_i + (dG/dh)dh (14)

Член уравнения (dG/dh)dh отражает вклад расклинивающего давления в общую энергию системы.

При большой толщине прослойки (рис.10 а), избыточная энергия молекул или ионов полностью скомпенсирована благодаря взаимодействию с соседними молекулами (ионами) и равна их энергии в объеме среды и всем ее объемом.

Если же толщина пленки равна или меньше двух радиусов действия межмолекулярных или межионных сил (рис.10б), то в пленке остаются только те молекулы или ионы, энергия которых приближается к энергии молекул или ионов на межфазных границах. Стремясь понизить избыточную поверхностную энергию эти молекулы (ионы) втягивают из объема среды молекулы (ионы) с меньшей энергией, что приводит к возникновению положительной составляющей расклинивающего давления. Следует также заметить, что на межфазных границах обычно существуют сольватные и электрические слои в которых энергия молекул и ионов значительно понижена. Нарушение этих слоев при сближении частиц резко увеличивает энергию молекул в зазоре и соответственно энергию рассталкивания частиц.

Жидкость, смачивающая твердое тело, проникая в тонкие трещины способна играть роль клина и раздвигать ее стенки, т.е. тонкие слои жидкости обладают расклинивающим действием. Экспериментально установлено, что расклинивающее действие тем больше, чем прочнее связь между жидкостью и поверхностями твердого тела. Его можно усилить, если ввести в жидкость ПАВ, хорошо адсорбируемые поверхностью твердого тела. На этом явлении основан эффект Ребиндера.

В теории ДЛФО следует рассматривать два предельных случая:

1) коагуляция происходит у лиофобных золей со слабо заряженными частицами, обладающими сравнительно низкими значениями j₀ -потенциала (нейтрализационная коагуляция: разбавленные растворы электролитов; толщина диффузного слоя велика; значения j₀ -потенциалов близки к значениям x - потенциалов, которые сравнительно легко экспериментально измерить). В этом случае по теории ДЛФО можно рассчитать, при каком достаточно низком значении j₀ -потенциала произойдет коагуляция. При этом исчезает энергетический барьер, т.е. когда результирующая потенциальная кривая (рис.11), характеризующая зависимость взаимодействия частиц от расстояния между ними (h), должна только в одной точке коснуться оси абцисс (кривая 2).

Е

h

Рис.11. Потенциальные кривые для взаимодействующих частиц

1 – коагуляция (критическое значение j₀ -потенциала);

2 – устойчивое состояние системы (большое значение j₀ -потенциала)

Эйлерс и Корф (1940 г.) эмпирически установили условия коагуляции и устойчивости на основе значений j₀ -потенциала и h согласно уравнения (15):

j₀ ²× h >(<) В (15)

где В – некоторая критическая опытная величина.

Если j₀ ²× h < В наблюдается коагуляция, если j₀ ²× h > В - условие устойчивости системы.

2. Коагуляция происходит у лиофобных золей с сильно заряженными частицами при увеличении концентрации индифферентного электролита (концентрационная коагуляция: значения x - и j₀ –потенциалов сильно отличаются друг от друга; отсутствует корреляция между x - потенциалом и агрегативной устойчивостью; коагуляция имеет место при значительных значениях x -потенциала; причина коагуляции - электростатический эффект сжатия двойного электрического слоя по мере роста концентрации индифферентного электролита). Порог концентрационной коагуляции (g) не зависит от j₀ –потенциала, а зависит от значения постоянной притяжения А, диэлектрической постоянной e раствора, температуры Т и валентности Z противоиона по модифицированному уравнению Дерягина (16):

g = a / Z⁶ = C×e (kT)⁵/ A² e⁶ Z⁶ (16)

где C – конcтанта, слабо зависящая от асимметрии электролита; k – постоянная Больцмана.

7. Потенциал протекания (течения).

При течении раствора электролита через капилляр (или поры капиллярной системы) под действием внешнего давления, в капилляре создается движущийся в ламинарном режиме поток раствора. Граница перемещения жидкости лежит в диффузной части ДЭС и совпадает с той границей, которая образуется при смещении жидкости вследствие наложения электрического поля при электроосмосе. Поэтому при течении жидкости через капилляр распределение зарядов ионов в наружной части ДЭС будет нарушаться, и будет происходить вынос зарядов - избытка ионов одного знака, в зависимости от заряда стенки капилляра на одну его сторону, по направлению потока жидкости. Движение зарядов вдоль стенки представляет собой поверхностный ток, в результате чего и появляется разность потенциалов на концах капилляра. Эта разность потенциалов, в свою очередь, дает начало вторичному объемному току проводимости, текущему в обратном направлении. Разность потенциалов будет расти до тех пор, пока величина поверхностного тока не станет равной объемному току. Полученная разность потенциалов есть потенциал протеканиия (течения), и в стационарном состоянии потенциал течения приобретает постоянную величину.

Очевидно, чем больше диффузионная часть ДЭС, тем больше величина x -потенциала, тем большее количество ионов-зарядов может быть вынесено по направлению потока жидкости и тем больше величина потенциала течения. Такая же пропорциональность должна существовать между величинами давления и потенциала течения, так как изменение давления связано с линейной скоростью движения потока жидкости и ионов, несущих заряды, и поэтому увеличение давления должно приводить к пропорциональному увеличению потенциала течения.

Для стационарного состояния (I_v = I_s) уравнение Гельмгольца-Смолуховского для потенциала течения (17) записывается в следующем виде:

x = 4×p×h×c×E / e_a×DP (17)

где h -вязкость среды; c -удельная электропроводность среды; e_a - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; Е - разность потенциалов; DP - разность гидростатических давлений, приложенная к системе.

Нахождение величины x методом потенциала течения во многих случаях более предпочтительно, чем использование электроосмоса, поскольку не требует приложения внешней ЭДС, вызывающей побочные эффекты (нагревание, поляризация).

Практическое значение потенциала токов течения весьма велико, несмотря на недостаточное еще техническое применение.

Так при протекании природных вод в земной коре через грунты и горные породы возникают потенциалы течения. Исследование этого "естественного поля" земной коры и его аномалий, обусловленных залеганием проводящих рудных тел, широко используется геофизиками для практических целей разведки полезных ископаемых методом естественного поля. Заманчиво использовать измерение потенциала течения для контроля состояния нефтяного коллектора в период эксплуатации и при этом можно также следить за изменениями происходящими в коллекторе при воздействии на него различных реагентов. Потенциал протекания возникающий в нефтяном коллекторе приводит к появлению электрокинетических сил, которые до последнего времени не учитывались при рассмотрении фильтрации в процессе разработки нефтяных месторождений. Электрокинетическим силам противостоит гидродинамическая (лобовая) сила, которая стремится оторвать и переместить элементарный объем насыщающей среды относительно скелета коллектора по направлению к скважине. Установлено, что возникновение в пласте даже небольших потенциалов протекания (десятки вольт на 1 м) суммарное электрокинетическое давление существенно выше гидродинамического. При этом фильтрация прекращается и насыщающая среда удерживается на поверхности скелета породы-коллектора. Это может служить основой для объяснения многих аномальных явлений, наблюдаемых в процессах фильтрации пластовых жидкостей. Весьма вероятно, что этими явлениями можно объяснить аномально высокие вязкости эмульсий, затухание фильтрации и потери проницаемости в нефтяных пластах.

При течении крови через капилляры кровеносной системы возникают биопотенциалы, в частности один из пиков электрокардиограммы (зубец Q) обусловлен течением крови в коронарной системе. Явление потенциала протекания используют в конструкциях датчиков регистрирующих сейсмические колебания и взрывы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: