Коллоидная химия для инженеров-экологов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коллоидная химия для инженеров-экологов



1. Общая характеристика дисперсных систем и методы их получения

1.1 Предмет и задачи коллоидной химии

Коллоидная химия рассматривает особые гетерогенные сильно раздробленные системы.

Раньше коллоидная химия была главой физической химии. Со временем стала самостоятельной наукой.

Традиционное название науки о дисперсных системах и поверхностных явлениях.

Изучает такие поверхностные процессы и явления, как адгезия, адсорбция, смачивание, коагуляция, электофорез.

И.И. Жуков: «Коллоидная химия, будучи самостоятельным разделом физической химии, ставит своей задачей изучение с использованием методов физической химии, с одной стороны, свойств высокодисперсных, простирающихся до молекулярных размеров гетерогенных систем, кладя в основу поверхностные явления на границе фаз, с другой стороны - изучение физико-химических свойств высокомолекулярных и высокополимерных соединений, как в твердом состоянии, так и в состоянии раствора.»

Коллоидная химия разрабатывает научные принципы технологии строительных материалов, бурения горных пород, механической обработки металлов, мыловаренной, бумажной, текстильной промышленности, фармакологии и т.д.

Вместе с биохимией и физикохимией полимеров составляет основу учения о возникновении и развитии жизни.



1.2 Основные понятия и определения

Истинные растворы являются гомогенными смесями веществ, в которых составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов.

Кроме гомогенных, существуют гетерогенные смеси, в которых визуально или с помощью оптических приборов можно различить области различных веществ, разграниченные поверхностью раздела. Такие области называются фазами.

Гетерогенная смесь состоит из двух или большего числа фаз.

Дисперсная система - гетерогенная смесь, в которой одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой.

Важнейшей характеристикой дисперсных систем является степень дисперсности - средний размер частиц дисперсной фазы или степень раздробленности D - величина обратная размеру дисперсных частиц, измеряется [см^-1].

D =

а - равно либо диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок.

а - называется поперечник частицы.

Соотношение между поверхностью и объемом характеризует удельная поверхность:

S_уд =



S_уд: а) для частиц сферической формы:

S_уд = 4рr²/4/3рr³ = 3/r = 6/d,

r - радиус шара,

d - диаметр шара.

б) для частиц кубической формы:

S_уд = 6l²/l³ = 6/l,

l - длина ребра куба.

Таким образом, с повышением дисперсности вещества все большее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, т.е. совокупностью процессов, происходящих в межфазовой поверхности.

Своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы, а также физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсной среды на границе раздела фаз.

1.3 Особенности коллоидных растворов

- способны рассеивать свет или опалесцировать, что наглядно можно продемонстрировать: через коллоидный раствор пропускают пучок сходящихся лучей, подставив между источником света и кюветой с раствором линзу, сбоку хорошо виден светящийся конус - конус Тиндаля;

- коллоидные растворы в отличие от истинных растворов очень медленно диффундируют;

- способны к диализу, т.е. могут быть отчищены с помощью полупроницаемой мембраны от содержащихся в них растворенных примесей кристаллических веществ, которые проходят через мембрану, а коллоидные частицы остаются в виде очищенного раствора;

- агрегативно неустойчивы, т.е. коллоидно растворенное вещество способно сравнительно легко выделяется из раствора, т.е. коагулировать под влиянием незначительных внешних воздействий, в результате выпадает осадок - коагулят - это агрегаты, состоящие из слипшихся друг с другом первичных частиц;

- свойственно явление электрофореза (Ф.Ф. Рейс 1808-1809 гг. Россия) - это перенос коллоидных частиц в электрическом поле к одному из электродов, т.е. происходит заметный перенос вещества только в одном направлении в отличие от электролиза, где продукты выделяются на электродах в эквивалентных количествах в соответствие с законом Фарадея.

1.4 Классификация дисперсных систем

Рассматривается классификация именно дисперсных систем, т.к. коллоидные растворы являются видом дисперсных систем.

Существует несколько классификаций по различным признакам.

I. по топографическому строению

Представим себе кубик какого-либо вещества, который будем разрезать параллельно одной из его плоскостей, затем полученные пластинки нарежем на палочки, а последние на кубики. В результате такого диспергирования (дробления) получаются следующие системы:

· пленочно дисперсные или ламинарные;

· волокнисто дисперсные или фибриллярные;

· корпускулярно дисперсные или корпускулярные.

II. по степени дисперсности



Таблица 1. Классификация корпускулярно дисперсных систем по степени дисперсности

системы	раздробленность вещества	поперечник частиц, см	степень дисперсности D, см-1	число атомов в одной частице
грубодисперсные (микрогетерогенные)	макроскопическая	1 - 10-2	1 - 102	> 1018
	микроскопическая	10-2 - 10-5	102 - 105	> 109
предельно высоко дисперсные (ультра микрогетерогенные)	коллоидная	10-5 - 10-7	105 - 107	109 - 103
молекулярные и ионные (истинные растворы)	молекулярная и ионная	10-7 - 10-8	> 107	< 103

III. по однородности размеров частиц:

· монодисперсные - все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры;

· полидисперсные - частицы дисперсной фазы неодинакового размера.

IV. по агрегатному состоянию

Таблица 2. Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

дисперсная фаза	дисперсионная среда	примеры
т	т	минералы, цветные стекла, сплавы
ж	т	почва, гели, капиллярные системы, жемчуг
г	т	пемза, твердые пены, силикагель, кирпич, активированные угли
т	ж	взмученная глина в воде, суспензии, коллоидные растворы, золи металлов
ж	ж	эмульсии, капли масла в воде, молоко, майонез
г	ж	пены мыльные, противопожарные, газовые эмульсии
т	г	дым, смог, порошки, твёрдые аэрозоли
ж	г	туман, облака, жидкие аэрозоли

т - твердое состояние, ж - жидкое состояние, г - газообразное состояние

Система «газ в газе» не входит в число дисперсных систем, т.к. является молекулярной (в ней отсутствуют границы раздела).

V. по термодинамической устойчивости.

Изучение процессов и характера взаимодействия дисперсионной среды и дисперсной фазы привело к тому, что коллоидные системы не могут рассматриваться как единое целое, так, имеются две группы, отличные по взаимодействиям между частицами дисперсной фазы (д.ф.) и дисперсионной среды (д.с.):

· лиофобные или коллоидные растворы;

· лиофильные или растворы ВМС (высокомолекулярных соединений).

Лиофобные коллоиды характеризуются значительной энергией связи внутри дисперсной фазы, превышающей энергию взаимодействия последней со средой. Диспергирование происходит за счёт затраты внешних сил - химических или механических, образующиеся коллоидные растворы являются термодинамически неустойчивыми. Такие системы кинетически стабильны. Некоторые лиофобные системы сохраняют устойчивость в течение длительного времени (например, красный золь золота), другие быстро теряют устойчивость (суспензии грубодисперных частиц, концентрированные золи сульфидов металлов).

Лиофильные дисперсные системы отличаются взаимодействием частиц со средой, самопроизвольным диспергирование и термодинамической устойчивостью. Если в качестве жидкой дисперсной среды используется вода, то системы называются гидрофильными. Примерами лиофильных коллоидов могут служить глины, мыла, агрегаты высокомолекулярных соединений. Они образуют в водной и полярной среде неограниченно устойчивые дисперсные системы.

VI. по наличию или отсутствию взаимодействии между частицами дисперсной фазы:

· свободнодисперсные - частицы д.ф. не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести (аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии);

· связнодисперсные - возникают при контакте частиц д.ф., приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки (порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены.).

Отдельно выделяют капиллярнодисперсные системы - это системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют сплошную массу, частицы дисперсионной среды ее пронизывают как поры ил капилляры. Примером капиллярнодисперных систем могут быть древесина, мембраны, диафрагмы, кожа, бумага, картон, ткани.

Дискретная фаза (твердая или жидкая) в производственных сточных водах представлена коллоидными частицами размером 0,001 - 0,1 мкм, мелкодисперсными частицами размером 0,1 - 10 мкм, а также частицами, размер которых превышает 10 мкм.

В процессах механической обработки сточных вод наиболее эффективно удаляются самые крупные частицы. Коллоидные и мелкодисперсные частицы при механической обработке практически не удаляются, поэтому для очистки сточных вод от этих загрязнений используют различные коагулянты (чаще всего - соли алюминия и железа), которые увеличивают их скорость осаждения.

Среди всего множества дисперсных систем особый интерес представляют коллоидные растворы или золи (от латинского «solutio» - раствор), которые рассматриваются в курсе изучения дисциплины «коллоидная химия».



1.5 Строение коллоидной частицы

Коллоидные растворы - это высокодисперсные системы с жидкой дисперсной средой.

Коллоидные частицы называются мицеллами.

Строение мицеллы рассмотрим на примере образования коллоидного раствора иодида серебра AgI: при взаимодействии очень разбавленных растворов AgNO₃ и KI:

AgNO₃ + KI = AgIv + KNO₃

Ag⁺ + NO₃ ^- + K⁺ + I^- = AgIv + K⁺ + NO₃^-

нерастворимые молекулы AgI образуют ядро

1) вещество ядра имеет кристаллическую или аморфную структуру и состоит из нескольких тысяч нейтральных молекул или атомов:

m[AgI]

ядро коллоидной частицы

2) Ядро адсорбирует на своей поверхности те или иные ионы, имеющиеся в растворе. Обычно адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра, т.е. или Ag⁺ или I^- Если раствор получали при избытке KI, то адсорбируются I^- Они достраивают кристаллическую решетку ядра, прочно образуют адсорбционный слой и придают ядру отрицательный заряд:

m[AgI] nI^-

Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий заряд называются потенциалопределяющими ионами.

3) В растворе находятся ионы, противоположные по знаку - это противоионы - K⁺, они электростатически притягиваются ионами адсорбционного слоя. Но только часть ионов K⁺ притягиваются потенциалопределяющими ионами. Таким образом формируется гранула - ядро с адсорбционным слоем.

{m[AgI] nI^-(n-x) K⁺}^x-

ядро адсорбционный слой

гранула

4) Оставшаяся часть противоионов образует диффузионный слой ионов.

{m[AgI] nI^-(n-x) K⁺}^x-xK⁺

гранула диффузионный слой

мицелла

Ядро с адсорбционным и диффузионным слоями представляют собой мицеллу.

При очистке сточных вод используют соли железа и алюминия, которые гидролизуются в воде с образованием малорастворимых гидроксидов, который образуют золи этих гидроксидов. Согласно существующей мицеллярной теории, структура мицеллы Fe(OH)₃ можно представить следующими формулами:

{m [Fe(OH)₃]•nH⁺•(n-x) Cl^-}⁺•xCl^-

или

{m [Fe(OH)₃]•nFeOCl⁺, FeO⁺•(n-x) Cl^-}⁺•xCl^-

Строение мицеллы гидроксида алюминия, образованного при гидролизе, следующее:

{m [Al(OH)₃]•nH⁺•1/2 (n-x) SO₄^2-}⁺•1/2xSO₄^2-.

1.6 Способы получения коллоидных систем

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами.

Поэтому коллоидные растворы могут быть получены:

- либо путем ассоциации (конденсации) молекул или ионов истинных растворов;

- либо дальнейшим раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем.

I. Конденсация

физическая - без протекания химических реакций:	химическая - образование коллоидной системы в результате протекания химической реакции, приводящей к образованию нерастворимого вещества:
- метод понижения температуры - конденсация молекул испаряющегося вещества, соединяющихся в мелкие частицы при охлаждении; - метод замены растворителя - изменение среды, при котором вещество из растворимого становится нерастворимым или малорастворимым.	- ox-red реакция: Na2S2O3 + H2SO4 = Nа2SO4 + SO2^ + Sv + H2O 2HAuCl4 + 3H2O2 = 2Auv + 8HCl + 3O2 - гидролиз: FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl^ - реакция обмена: AgNO3 + KCl = AgClv + KNO3 Hg(CN)2 + H2S = HgSv + 2HCN

II. Диспергирование осуществляется следующими методами:

· получение коллоидных растворов механическим раздроблением твердого тела;

· методом электрического распыления;

· ультразвуковое дробление.

Метод пептизации можно отнести к методу диспергирования по принципу дробления вещества, но обычно его выделяют в отдельную группу.

III. Пептизация

Пептизацией называется процесс получения золей из студней или рыхлых осадков при действии на них некоторых веществ, способных хорошо адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц и таким путем сообщать им способность перехода в золь.

При пептизации происходит не изменение степени дисперсности частиц, образующих студень или осадок, а только их разъединение. Пептизаторы способствуют образованию двойного слоя ионов на поверхности частиц осадка, придавая золю агрегативную устойчивость.

Различают пептизацию непосредственную и посредственную в зависимости оттого, что адсорбируется на поверхности частиц перед их разделением: прибавленное вещество (стабилизатор) или продукт его взаимодействия с веществом частиц.

Примером посредственной пептизации может служить получение золя Fе(ОН)₃. Адсорбирующиеся на поверхности частиц ионы образуются в результате химической реакции взаимодействия разбавленной соляной кислоты на студенистый осадок Fe(OH)₃, предшествующей пептизации. При этом часть расположенных на поверхности молекул Fе(ОН)₃ взаимодействует с НС1 и образует молекулы FeOCI, которые пептизируют осадок.



2. Устойчивость и коагуляция гидрофобных золей

2.1 Устойчивость дисперсных систем

Коллоидные системы являются термодинамически неустойчивыми и принципиально агрегативно неустойчивыми вследствие их большой удельной поверхности.

Под устойчивостью дисперсной среды понимают постоянство их свойств во времени и в первую очередь дисперсности, распределения по объему частиц дисперсной фазы и межфазного взаимодействия.

По представлению Н.П. Пескова (1920 г.) устойчивость дисперсных систем разделяеют на 2 вида:

- устойчивость к осаждению дисперсной фазы;

- устойчивость к агрегации ее частиц.

Под молекулярно-кинетической или седиментационной устойчивостью понимают свойства дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии не седементируясь, а распределятясь по высоте в соответствии с гипсометрической формулой Лапласа - Перрена:

- гипсометрическая формула Лапласа - Перрена

где - отношение изменения числа частиц в единице объема в двух слоях жидкости, отстоящих а расстоянии h (слой 2 выше слоя 1); N_a - число Авогадро; V - объем отдельной частицы; d - плотность частиц; с - плотность среды.

Агрегативная устойчивость колодных систем есть способность частиц дисперсной фазы оказывать сопротивление их слипанию и тем удерживать определенную степень дисперсности этой фазы в целом.

2.2 Факторы устойчивости коллоидных систем

1. Электростатический фактор - уменьшение межфазного натяжения веществами вследствие возникновения ДЭС на поверхности частиц, обуславливается электролитической диссоциацией или адсорбцией электролитов, особенно для лиозолей в полярной среде.

2. Адсорбционно-сольватный фактор - уменьшение межфазного натяжения при взаимодействии частиц дисперсной фазы со средой благодаря адсорбции и сольватации.

Чем выше сольватация, тем выше устойчивость, т.к. молекулы сольвента адсорбируясь на поверхности частиц дисперсной фазы, препятствуют их слипанию.

В соответствие с теорией Пескова основная причина устойчивости коллоидных систем связана с процессом адсорбции молекул растворителя на поверхности частиц.

3. Энтропийный фактор - стремление дисперсной фазы к равномерному распределению оп объему системы.

4. Структурно-механический фактор - при добавлении к дисперсной системе ПАВ или ВМС, адсорбирующихся на поверхности раздела, образуются адсорбционные слои ВМС или ПАВ. Они обладают упругостью и механической прочностью, что предотвращает слипание частиц.

5. Гидродинамический фактор снижает скорость коагуляции благодаря изменению вязкости среды и плотности дисперсионной среды и дисперсной фазы.

2.3 Теория ДЛФО - теория устойчивости и коагуляции

Разработана учёными Б.В. Дерягин и Л.Д. Ландау в 1937-1941 гг. и позже независимо от них голландскими учёнными Фервеем и Овербеком.

Теория удовлетворительно описывает закономерности поведения типично лиофобных дисперсных систем, для которых можно пренебречь адсорбционно-сольватным фактором устойчивости.

В соответствии теорией ДЛФО все частицы взаимодействую друг с другом, следующим образом:

1. Между частицами существуют силы отталкивания, имеющие электростатическую природу. Эти силы не проявляются на значительном расстоянии друг от друга. Когда диффузные слои перекрываются, возникает электростатической взаимодействие между противоионами и происходит перераспределение. Природа сил отталкивания при сближении мицелл сложнее, чем просто кулоновское взаимодействие.

Дерягин показал, что здесь проявляются силы особого рода, называемые расклинивающим давлением (силы отталкивания) - возникает при сильном уменьшении толщины слоя в результате перекрывания поверхностных слоёв.

Дерягин вычислил зависимость энергии отталкивания от расстояния между частицами, взяв за основу систему расчетов для двух пластин:

,

где l - расстояние между частицами; С - концентрация электролита; д - толщина диффузного слоя; R - универсальная газовая постоянная; г - параметр, зависящий от потенциала частиц, рассчитывается по формуле:

Энергия электростатического отталкивания может быть также рассчитана по следующей формуле:

,

где ч - обратная величина толщины диффузного ДЭС; h - расстояние между частицами, h=2l;

2. Силы притяжения между частицами (Ван-дер-Ваальсовы силы). Возникновение таких сил обусловлено:

а) взаимодействием диполей - эффект Кеезома - если молекулы полярны, их дипольный момент описывается по формуле

м=ql,

где q - величина эффективного заряда, l - расстояние между центрами тяжести положительного и отрицательного заряда в молекуле, то энергия взаимодействия между диполями - энергия ориентационного взаимодействия - описывается формулой:

,

где х - расстояние между диполями.

б) поляризацией одной молекулы другой - эффект Дебая - наблюдается при взаимодействии между диполем и индуцированным диполем - возникает под действием стабильного диполя, называется энергией индукционного взаимодействия:

,



где х - расстояние между диполями; б - поляризуемость частицы.

в) взаимодействием мгновенных и индуцированных моментов - эффект Лондона - обусловлено электронными переходами, называется энергией дисперсионного взаимодействия:

,

где h - постоянная Планка; н - волновое число; х - расстояние между диполями; б - поляризуемость частицы.

В общем случае электрическое межмолекулярное взаимодействие определяется:

Поскольку коллоидная частица имеет определённый размер, то ДЭС можно представить как плоский, тогда

,

где А - Ван-дер-Ваальсовская постоянная - константа Гамакера, учитывает природу взаимодействующих частиц, выражается в единицах энергии и имеет значение порядка 10^-19 Дж.

При сближении частиц ионно-стабилизированных золей баланс возникающих сил отталкивания и Ван-дер-ваальсовых (межмолекулярных) сил притяжения определяет суммарную потенциальную энергию взаимодействия частиц.



Уравнение справедливо для случая, когда толщина ДЭС меньше радиуса частиц, т.е. поверхность может рассматриваться как плоская.

При сближении частиц энергия притяжения резко возрастает, а суммарная потенциальная энергия на некотором расстоянии между частицами проходит через max. U_max - потенциальный барьер отталкивания, который характеризует агрегативную устойчивость золя.

При увеличении концентрации электролита силы электростатического отталкивания уменьшается вследствие сжатия диффузных ДЭС частиц и потенциальный барьер отталкивания U_max снижается.

Вначале с увеличением концентрации скорость коагуляции растёт - медленная коагуляция, затем скорость перестаёт зависеть от концентрации электролита - быстрая коагуляция. С_к - концентрация электролита, при которой происходит переход от медленной к быстрой коагуляции, называется ПБК - порогом быстрой коагуляции.

2.4 Коагуляция

Лиофобные коллоиды являются термодинамически неустойчивыми, существующими благодаря стабилизации за счет возникновения защитных ионных сил или молекулярных слоев, поэтому изменение состояния этих слоёв может привести к потере устойчивости и выпадению дисперсной фазы.

Коагуляция - процесс слипания коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов (что называется потерей агрегативной устойчивости) с последующей потерей кинетической устойчивости.

Коагуляция в разбавленных системах приводит к потере седиментационный устойчивости и к расслоению фаз.

К процессу коагуляции относят адагуляцию - агрегативное взаимодействие частиц дисперсной фазы с макроповерхностями.

Потеря агрегативной устойчивости приводит к коагуляции, первый этап которой состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взсимной их фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остаются прослойки дисперсионной среды.

Флокуляция - это образование агрегатов из нескольких частиц, разделённых прослойками дисперсионной среды.

Коагуляция коллоидных растворов может быть вызвана следующими факторами:

- повышением температуры - увеличивается броуновское движение частиц, что способствует повышению кинетической устойчивости, это способствует более частым и эффективным столкновениям и преодолению сил отталкивания, следовательно, происходит слипание частиц, т.е. ведёт к понижению агрегативной устойчивости, одновременно снижается и кинетическая устойчивость;

- механическим воздействием (перемешиванием);

- объединением коллоидных систем с противоположным зарядом гранул;

- добавлением электролита.

Наиболее важным и изученным фактором коагуляции является действие электролита. Устанавливается ряд эмпирических закономерностей воздействия электролитов - правила коагуляции.

коллоидный коагуляция дисперсный химия

2.5 Правила коагуляции

1. Правило знака заряда. Любой электролит может вызвать коагуляцию дисперсной системы. Характер протекания определяется зарядом этой частицы.

2. Каждый электролит способен вызвать коагуляцию данного золя и мерой является порог коагуляции (г) - та минимальная концентрация, которая вызывает явную коагуляцию. Из теории ДЛФО Дерягин и Ландау установили, что порог коагуляции определяется следующим уравнением:

,

где С - const; - диэлектрическая постоянная; A - константа Гамакера; K - константа Больцмана; e - заряд электрона; z - заряд коагулирующего иона.

3. Правило валентности - правило Шульца - Гарди. Чем выше заряд коагулирующего иона, тем ниже порог коагуляции. Коагулирующая способность резко возрастает с увеличением заряда иона. Теория ДЛФО приводит к соотношению:

или Сz⁶ = const

или ,

где k - некоторый числовой множитель.

Таким образом, пороговая концентрация электролита обратно пропорциональна шестой степени заряда коагулирующего иона. Из чего следует, что соотношение пороговых концентраций для ионов разного заряда:

С_I: C_II: C_III = = 729:11:1



Одновалентный ион почти в 1000 раз эффективнее трёхвалентного иона.

На практике пороговая концентрация электролита определяется по следующей формуле:

,

где V₁ - объём электролита, добавляемого в коллоидную систему, необходимый для начала коагуляции; V₂ - начальный объем золя; с - концентрация электролита в добавляемом растворе.

Так, это явление проявляется при гипсовании солонцеватых почв (замене ионов Na⁺ на ионы Ca²⁺) и известковании кислых почв (замене ионов Н⁺ на ионы Ca²⁺). Коллоиды почв образуют при этом своеобразную микроструктуру: почва становится влагопроницаемой, увеличивается прочность ее структуры.

4. Лиотропные ряды или ряды Гофмейстера. Если коагулирующие ионы имеют одинаковый заряд, то большее коагулирующее действие будет иметь ион с большим радиусом (с меньшей степенью гидратации). В ряду неорганических ионов одинаковой зарядности коагулирующая активность увеличивается с уменьшением гидратации.

5. Связь коагуляции с величиной электрокинетического потенциала. Часто началу коагуляции соответствует снижение дзета-потенциала до критического значения. Слипание частиц имеет место при достижении о-потенциала 30 мВ.

В области очень маленьких концентраций ДЭС почти отсутствует. Система устойчива ниже критического значения дзета-потенциала.

а) Концентрационная коагуляция: с увеличением концентрации электролита ДЭС сжимается за счёт диффузных частиц и происходит коагуляция. При этом поверхностный заряд частиц и потенциал остаются неизменными. Правило Шульце-Гарди применимо.

б) Нейтрализационная коагуляция: добавляемые ионы электролита взаимодействуют с потенциалопределяющими ионами на поверхности частиц, связывая их в нерастворимое соединение, что понижает заряд и потенциал частиц. Это приводит к отклонению от правила Шульце-Гарди.

Влияние различных концентраций многозарядных ионов приводит к перезарядке золей явление непральных рядов коагуляции.

6. Коагулирующее действие органических ионов тем выше, чем выше адсорбционная способность.

2.6 Совместное воздействие электролитов

При совместном воздействии растворов электролитов на коллоидные системы возможны следующие случаи:

1) аддитивное воздействие: случай при котором совместное воздействие равно сумме воздействий по отдельности ;

2) антогонизм: совместное воздействие суммы воздействия по отдельности.;

3) синергизм: электролиты усиливают коагулирующее действие друг друга.

Сенсибилизация: в ряде случаев добавление органических веществ приводит не к повышению, а к уменьшению агрегативной способности, т.к. при низких концентрациях компоненты данных веществ выполняют роль коагулирующего иона. Кроме того возможна адсорбция молекулы органического вещества на нескольких коллоидных частицах одновременно, что приводит к укрупнению.



2.7 Гетерокоагуляция и применяемые коагулянты

При очистке производственных сточных вод основное применение нашел процесс гетерокоагуляции.

Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц за счёт их взаимодействия и объединения в агрегаты. Мелкие частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия. Слипание разнородных частиц называется гетерокоагуляцией.

Гетерокоагуляция - это взаимодействие коллоидных и мелкодисперных частиц сточных вод с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов.

Наиболее часто в практике очистки сточных вод используют соли алюминия и железа, которые гидролизуются в соответствии со следующими реакции:

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O > 2Al(OH)₃ +3H₂SO₄

FeCl₃ + 3H₂O > Fe(OH)₃ + 3HCl

FeSO₄ + 2H₂O > Fe(OH)₂ + H₂SO₄

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O > 4Fe(OH)₃

В результате протекания этих реакций образуются малорастворимые гидраты алюминия и железа, обладающие развитой хлопьевидной поверхностью, на которой сорбируются мелкодисперсные и коллоидные примеси, оседающие затем на дно отстойников и образующие осадок. Образующиеся кислоты (HCl, H₂SO₄) нейтрализуют щелочными реагентами или за счет взаимодействия с бикарбонатионами, присутствующими в сточных водах.

Минимальный расход коагулянтов достигается при осуществлении рассматриваемого процесса в интервале оптимальных значений pH, которые представлены в таблице 3.

Таблица 3. Оптимальные значения pH при коагуляционной очистке

Коагулянт	Интервал оптимальных значений pH
Al(OH)3	4,5 - 7
Fe(OH)2	8,5 - 10,5
Fe(OH)3	4 - 6, 8 - 10

В качестве коагулянтов используют соли железа и алюминия. Соли железа: железный купорос или сульфат двухвалентного железа FeSO₄•7H₂O, сульфат трёхвалентного железа Fe₂(SO₄)₃•9H₂O, хлорид железа FeCl₃•6H₂O. Соли алюминия, применяемые в качестве коагулянтов: сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃•18 H₂O, алюминат натрия NaAlO₂, оксихлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl, полихлорид алюминия [Al₂(OH)_nCl_{6 - n}]_m(SO₄)_x (1 < n < 5m < 10), алюмокалиевые [AlK(SO₄)₂•18H₂O] и алюаммонийные [Al(NH₄)•(SO₄)₂•12H₂O] квасцы. В ряде случаев в качестве коагулянтов используют соли магния (MgCl₂•6H₂O, MgSO₄•7H₂O), известь, бетонит и др.

2.8 Применение коагуляции в методах очистки от загрязнителей

Физико-химические методы играют существенную роль при обработке производственных сточных вод. К ним относятся коагуляция и флокуляция, сорбция, ионный обмен, экстракция, мембранные методы обратный осмос, ульрафильтрация), электрохимические методы и др.

Химическую очистку применяют в тех случаях, когда выделение загрязнителей возможно только в результате химических реакций между загрязнителем и вводимыми реагентами с образованием новых веществ, которые легко удалить из сточных вод. Методы химической очистки наиболее приемлемы в системах локальной очистки стоков, где объёмы очищаемой воды относительно невелики, а концентрации загрязняющих веществ значительны.

Химические методы очистки сточных гальванических отделений основаны на применении химических реакций, в результате которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, превращаются в соединения, безопасные для потребителя, или легко выделяются в виде осадков.

Среди известных методов химической нейтрализации сточных вод, содержащих цианистые соединения, техническое применение нашёл метод, основанный на выделении ионов CN^- в виде труднорастворимой соли, образующееся в основной среде в присутствии ионов Fe²⁺.

Стоки гальванических и травильных цехов - это сравнительно концентрированные отработанные растворы кислот, щелочей, солей и промышленных вод. Такие стоки подлежат нейтрализации до рН = 6,5 - 8,5.

В зависимости от условий, в которых протекают эти реакции, возникает осадок берлинской лазури Fe₄[Fe(CN)₆]₃ или турнбулевой сини Fe₃[Fe(CN)₃]₂. Качественное удаление ионов из сочных вод с помощью этого метода возможно лишь в случае очень точной выдержки всех установленных условий реакции и в особенности рН реакционной среды.

Электрокоагуляция применяется для очистки сточных вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианов.

При пропускании электрического тока с плотностью 50 - 100 А/м² через сточную воду, движущиеся по длине электролизёра в течение 10 - 15 мин, происходит анодное растворение поверхности стальных электродов и образующиеся при этом ионы двухвалентного железа восстанавливают шестивалентный хром до трёхвалентного. Одновременно происходит гидролиз ионов железа и трёхвалентного хрома с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OH)₂, Fe(OH)₃ и Cr(OH)₃. Сточная вода со взвешенными в ней гидроксидами поступает из электролизёра в центрифугу, в которой происходит отделение гидроксидов железа и хрома и удаления через трубопровод.

Пыль, выбрасываемая из сталеплавильных печей и других реагентов металлургического цикла и загрязняющая сточные воды при мокрой очистке газов, содержит до 60% железа и его окислов. Используется безреагентная коагуляция ферромагнитных мелкодисперсных взвесей, которая осуществляется воздействием на сточные воды магнитными полями с помощью электромагнитного коагулятора, устанавливаемого на трубопроводы, подающие сточные воды в отстойник.



Литература

1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия. 1964, 574 с.

2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. - М.: Химия. 1982, 400 с.

3. Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высшая школа. 1988, 400 с.

4. Базелин С.А., Ерофеев Б.В., Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной химии. М.: Просвещение, 1975.

5. Болдырев А.И. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 1983.

6. Кузнецов В.В., Усть-Качинцев В.К. Физическая и коллоидная химии. - М.: Высшая школа, 1976.

7. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 2006. 445 с.

8. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. - Л.: Химия, 1995. 385 с.

9. Шелудко А. Коллоидная химия / Под ред. Б.Г. Дерягина, Е.Д. Щукина. - М.: Мир, 1984. 320 с.

10. Захарченко В.Н. Коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 1989. 238 с.

11. Добычин Д.П., Каданер Л.И., Серпинский В.В. и др. Физическая и коллоидная химия. - М.: Просвещение, 1986. 463 с.

12. Гольфман М.И. Коллоидная химия. - Изд-во: Лань, 2005. 336 с.

13. Охрана окружающей среды. Учебное пособие для вузов. / Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа. 1983. 264 с.

Размещено на Allbest.ru

...