ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Активированные золи кремнезема — обработка воды

Данная форма кремнезема должна обсуждаться в разделе поликремневых кислот, поскольку она имеет лишь незначитель­ное отношение к выпускаемому промышленностью коммерче­скому коллоидному кремнезему.

Получаемую из силиката натрия кремневую кислоту дли­тельное время использовали как коагулянт при обработке воды. Рассмотрение данного вопроса суммировано ВейлоМ [192].

Выражение «активированный» происходит от методики, раз­работанной Бейлисом [193]. Приготовленный из растворимого силиката натрия при низких значениях рН, раствор поликрем­невой кислоты «активировался» на стадии старения при не­сколько более высоком рН, благодаря чему эффективность поликремневой кислоты намного повышалась. Правда, сомни­тельно, чтобы подобное улучшение имело место, когда в про­цессе агрегации — полимеризации первичные частиДЫ размером 1—2 нм превращались в очень открытые агрегаты микрогеля. В этой форме кремнезем гораздо более эффективен как адсор­бент и пригоден для улавливания суспендированного вещества и при формировании быстро осаждающегося хлопьевидного осадка.

Окура и Гото [194] исследовали структуру «активирован­ных» золей кремнезема. Измеряя скорости растворения, они определили относительные значения удельной поверхности и, следовательно, относительные размеры первичных частиц. Они также измеряли вязкость, из которой подсчитывали удельный гидродинамический объем. Эта величина представляет собой объем лишенного подвижности геля, отнесенный к 1 г кремне­зема и образующийся по мере того, как частицы агрегируют в сетку геля. Было использовано видоизмененное уравнение Эйнштейна:

Относительная вязкость = 1 + 0,0025СУ

Где V — объем доли раствора, лишенного подвижности, в рас­чете на 1 г кремнезема и С — концентрация кремнезема, г/л.

Были изучены золи двух типов.

А. Очищенную от солей кремневую кислоту приготовляли пропусканием 1 %-ного раствора Si02 (сотношением Si02: Na20

26 Заказ № 200
3,3) через колонку с ионообменной смолой в Н+-форме. Затем рН доводилось до 8—9.

В. Золь, содержащий сульфат натрия (так называемый «золь Бейлиса»), приготовляли смешением раствора силиката натрия с отношением Si02: Na20 3,3, содержавшего 3 % Si02, с достаточным по объему количеством 0,33 н. раствора H2SO,<. Получали 1,5 %-ный золь кремнезема, в котором 85 % было

И с; S

Нейтрализовано. Это позволяло достичь рН 8,5. Образцы под­вергали старению при 25°С в течение различных интервалов времени и затем разбавляли до 0,6 % Si02, для того чтобы из­бежать гелеобразования.

Из рис. 3.65 видно, что очищенный от солей золь А сохра­няет очень низкий гидродинамический объем, который соответ­ствует суспензии, состоящей из неагрегированных дискретных частиц Si02. В золе В благодаря образованию агрегатов частиц гидродинамический объем возрастает до тех пор, пока золь не начинают разбавлять перед превращением его в твердый гель.

Однако для обоих типов золей размер первичных частиц возрастает, что подтверждается понижением скорости, с кото­рой образцы золя растворяют в контрольном кислом растворе фторида. К тому же отмечено, что понижение скорости раство­рения золя В и рост его частиц продолжают оставаться неиз­
менными, несмотря на разбавление. Тем не менее даже через неделю диаметр частиц все еще остается менее 3 нм.

Различие между золями А и В обусловливается присут­ствием соли Na2S04 в золе В, понижающей заряд частиц и по­зволяющей им сталкиваться и агрегировать. Таким образом, «активированный» золь содержит частицы кремнезема разме­ром ~2 нм в диаметре. Большая часть этих частиц связана вместе в объемистую сетку, состоящую из агрегатов геля. Такие агрегаты фактически невидимы, поскольку имеют тот же самый показатель преломления, что и оставшийся золь.

Имеется обзор [195] по взаимодействию поликремневой кислоты, как агента коагуляции, с другими коллоидами. Поли­кремневые кислоты вызывают коагуляцию положительно заря­женных коллоидных частиц при низкой концентрации послед­них, однако при избытке таких частиц может произойти измене­ние заряда на обратный, и система снова стабилизируется. Специфические взаимодействия между частицами могут превы­сить величину электростатического отталкивания, например, отрицательно заряженные полисиликат-ионы могут вызвать флокуляцию отрицательно заряженных частиц золя бромида серебра.

В обзоре Миддлтона [196] описано использование широко­известных во всем мире «активированных» золей кремнезема, а также новых модификаций золя, включая систему Na2SiF6 — силикат, и показаны их новые приложения по обработке сточ­ных вод. Крупномасштабное применение таких золей для коа­гулирования твердых веществ из сточных вод г. Чикаго (США) было описано в работе [197].

Слипченко и Шелякова [198] разработали быстрый способ приготовления «активированных» золей. При концентрации кремнезема ниже 1,3 °/о Si02 и при молярных отношениях Na2SiF6 : Na20 порядка 0,5—0,6 и Si02 : F 3,0—3,4 процесс быстрой полимеризации происходит в течение 3—5 мин до та­кой стадии, когда уже золь можно разбавлять для последую­щего применения. Если же его не разбавлять, то в течение 12—20 мин он превращается в гель [198]. Устойчивость систем «активированных» золей рассмотрена в обзоре Генри [199]. В работе [200] дано объяснение влиянию длительности про­цесса старения системы перед разбавлением золей. Гриффин [201] описал теорию процесса «активации» и методики приго­товления и использования «активированных» золей. Вопросы теории и практического применения «активированных» золей кремнезема обобщены также в работе Ланге и Спенсера [202], которые сопоставили активность системы с размерами и заря­дом частиц золя. О подобных исследованиях сообщили Гото и Яцуянаге [203], определившие, что «активированный» золь — 26* это такой золь, в котором трехмерные структуры из агрегиро­ванных частиц уже сформированы, но тем не менее точка геле­образования еще не достигнута. В «стабилизированном» золе процесс агрегации—полимеризации либо полностью предотвра­щается с самого начала, либо быстро прекращается. Типичный «активированный» золь содержит около 2 % БіОг в процессе своего формирования. В таком состоянии его подвергают ста­рению, причем время старения равно половине времени, необ­ходимого для образования геля. Затем золь разбавляют и от­бирают дозы с содержанием 0,001 % Si02 для использования их в качестве коагулирующего агента при обработке воды.