ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Коллоидные системы

Коллоидные системы представляют частный случай дисперсий, в ко­торых поверхностные свойства вещества, отличающиеся от свойств в объ­еме, играют значительную роль. Сильное развитие поверхности (количест­венное изменение) приводит в данном случае к появлению новых качеств, новых свойств, присущих только коллоидам. Эти свойства позволяют рас­сматривать коллоидные системы как особое состояние вещества (качест­венное изменение), характеризуемое, в частности, сильным развитием ад­сорбционных процессов.

Дисперсные системы - это такие системы, в которых одно вещество распределено в среде другого в виде очень мелких частиц. Они состоят из двух или большего числа фаз, т. е. являются гетерогенными. Распределяе­мое вещество называют дисперсной фазой, а вещество, в котором распре­деляется дисперсная фаза, - дисперсионной средой. Частицы дисперсной фазы составляют самостоятельную фазу, обладающую некоторой поверх­ностью, отделяющей ее от дисперсионной среды. Разделение коллоидной системы на дисперсную фазу и дисперсионную среду достаточно условно. Обычно придерживаются правила, что дисперсионной среды должно быть больше, чем дисперсной фазы.

7 5

Размер частиц коллоидной фазы лежит в пределах 10 .„10 см. Верхний их предел ограничен тем, что за ним идут уже обычные молеку­лярные растворы, размеры отдельных молекул которых имеют порядок 10­8 5

См. Нижний предел обусловлен тем, что при больших чем 10 см разме­рах коллоидные системы теряют одно из основных своих качеств - способ­ность к тепловому (броуновскому) движению частиц дисперсной фазы в газообразной и жидкой дисперсионных средах. В связи со столь малыми размерами дисперсной фазы коллоидные системы часто называют ультра - микрогетерогенными системами, а также коллоидными растворами.

Близки к коллоидным по свойствам и более грубые системы (размеры частиц 10-4...10-3 см), называемые микрогетерогенными.

В указанном диапазоне размеров коллоидные частицы полидисперсны, т. е. существенно различаются. Монодисперсные, можно получить только искусственно, пользуясь специальными приемами.

В целом по размерам частиц коллоидные и микрогетерогенные систе­мы занимают промежуточное положение между молекулярно - дисперсными системами (растворами) и системами с более крупными (грубодисперсными) частицами.

Коллоидные системы весьма многообразны, отличаются по составу дисперсной фазы и дисперсионной среды, размерам, свойствам, что за­трудняет их единую классификацию. Наиболее признанной является клас­сификация коллоидных систем в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды, разработанная В. О. Оствальдом. Она исходит из того, что каждая из фаз коллоидной системы может суще­ствовать в любом из трех агрегатных состояний (твердом, жидком или га­зообразном), т. е. теоретически возможны девять комбинаций дисперсной фазы и дисперсионной среды. Практически реализуются только восемь из них, так как газы в обычных условиях растворимы друг в друге неограни­ченно и образуют гомогенную систему. В науке и технике каждая из воз­можных комбинаций дисперсной фазы и дисперсионной среды получила свое название (табл. 1.1).

Таблица1.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию Дисперсной фазы и дисперсионной среды______________________________________

В коллоидной химии все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности, называют золями. Золи с газовой дисперсионной средой из­вестны как аэрозоли (системы Ж-Г и Т-Г), а с жидкой - как лиозоли или гидрозоли, если дисперсионная среда представлена водой. Дисперсность аэрозолей большей частью ниже коллоидной, поэтому их правильнее было бы именовать аэродисперсными системами. По крупности аэрозоли с твер-

7 3

Дой дисперсной фазой разделяют на дымы с частицами 10.10 см и на пыли, размер частиц которых обычно больше 10-3 см. Туманы, т. е. аэрозо­ли с жидкой дисперсной фазой, как правило, содержат довольно крупные

5 3

Капельки размером см. Аэрозоли могут иметь самую разнооб­

Разную форму: игольчатую, пластинчатую, звездообразную и, конечно, ка­пельную. Их плотность из-за рыхлости значительно меньше плотности крупных частиц веществ, из которых они состоят. В частности, плотность

Дымовых частиц даже тяжелых металлов (золота, серебра, ртути) равна

3

0,07.0,64 г/см против плотности крупных частиц, составляющей в этом случае 10,5.19,5 г/см. К аэрозолям по своим свойствам примыкают по­рошки, которые можно рассматривать как аэрозоли со скоагулировавшей твердой дисперсной фазой, образовавшей осадок (аэрогель). К порошкам, например, относятся широко применяемые в технике и пищевой промыш­ленности сажа (0,03.0,6 мкм), титановые белила (0,2.0,7 мкм), пигмент оксида железа (0,3.1,5 мкм), крахмал (6.150 мкм), мука пшеничная высшего сорта (50.200 мкм). Большая часть порошков имеет частицы с размерами, превышающими коллоидные. Твердые эмульсии встречаются редко. Примером их служит так называемый черный фосфор, получаемый диспергированием металлической ртути в расплавленном фосфоре. Важ­ным свойством коллоидных систем являются характер и интенсивность взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой. Многие основ­ные свойства коллоидных систем в немалой степени определяются этим обстоятельством. Особенно сильно взаимодействие может быть выражено в системах с жидкой дисперсионной средой.

Коллоидные системы вследствие их большой удельной поверхности термодинамически неравновесны и в принципе агрегативно неустойчивы. Именно поэтому проблема их устойчивости является центральной в кол­лоидной химии. Тем не менее, хотя часть коллоидных систем с трудом можно получить и существуют они лишь секунды, некоторые из них (золи йодистого серебра и сернистого мышьяка) могут сохраняться годами. Су­ществуют два рода процессов, приводящих к разрушению коллоидных систем и. способных протекать самопроизвольно: седиментация и коагу­ляция.

Седиментация заключается в том, что частицы дисперсной фазы, от­личаясь по плотности от дисперсионной среды, выделяются из нее за счет оседания или всплывания в ней.

Коагуляция (свертывание) состоит в укрупнении (агрегации) частиц дисперсной фазы в результате их слипания или слияния. С процессами се­диментации и коагуляции тесно связаны понятия кинетической и агрега - тивной устойчивости коллоидных систем.

Кинетическая устойчивость обусловлена тем, что в коллоидной сис­теме седиментации противостоит тепловое (броуновское) движение частиц дисперсной фазы. Благодаря этому частицы сохраняются во взвешенном состоянии даже при значительном различии плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Агрегативная устойчивость заключается в способности коллоидной системы сохранять свою дисперсность. Агрегативная устойчивость (в от­ношении коагуляции) обусловлена наличием у частиц дисперсной фазы электрических зарядов одного знака и сольватной (гидратной) оболочки. Причина приобретения частицами заряда состоит в преимущественной ад­сорбции частицами дисперсной фазы ионов дисперсионной среды. Оче­видно, что наличие одноименных зарядов на частицах дисперсной фазы препятствует их слипанию. Агрегативную устойчивость коллоидных сис­тем может повысить также структурно-механический фактор стабилиза­ции.

Скорость коагуляции зависит от ряда физических факторов: старения системы, концентрации дисперсной фазы, температуры, механического воздействия, света и т. д. Однако наиболее важное теоретическое и практи­ческое значение имеет фактор коагу

Основными силами, удерживающими частицы в коагуляционной структуре, являются силы Ван-дер-Ваальса.

Флокуляцию можно рассматривать как связнодисперсное состояние неполностью астабилизированных растворов высокомолекулярных ве­ществ. В этом случае мельчайшие капельки эмульсий типа «масло в воде» не обладают достаточной агрегативной устойчивостью и в то же время не­способны к коалесценции (слиянию). Но они могут соединяться друг с дру­гом, образуя флокулы (рыхлые осадки).

Коллоидные системы чрезвычайно разнообразны. Они весьма рас­пространены в природе и широко используются во многих производствах. Ряд видов промышленной продукции относится к коллоидным или не­сколько более грубодисперсным системам.

Коллоидные частицы, отличаясь максимально развитой поверхностью и вместе с тем максимальным энергетическим пересыщением, являются наиболее активными катализаторами (коллоидные платина, палладий, иридий, осмий, порошки железа). Коллоидные катализаторы по активности во много раз превышают гетерогенные катализаторы и активны уже при комнатной температуре.

Вспомогательные операции ряда производств, в том числе связанных с защитой окружающей среды от промышленных выбросов, также во мно­гих случаях основаны на коллоидных процессах. Сюда относится выделе­ние воды из нефти на нефтеперерабатывающих заводах, разрушение эмульсий, образующихся в химических производствах при промывке того или иного жидкого продукта водой. Типичными примерами коллоидных процессов служат водо - и газоочистка. Водоочистка сводится к коагуляции взвешенных в воде мельчайших частиц электролитами или к извлечению из воды адсорбцией ненужных примесей. Газоочистка в электрофильтрах основана на дестабилизации и оседании мельчайших заряженных жидких или твердых частиц на электроде с противоположным зарядом.