Быстрая и медленная коагуляция

Введение

Коагуляция (от лат. Coagulatio - коагуляция, утолщение) - объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты за счет когезии (адгезии) частиц при их столкновениях.
Коагуляция наиболее характерна для дисперсий твердых веществ (золей, суспензий), в которых, в отличие от эмульсий и пен, коалесценция невозможна даже при непосредственном контакте частиц после прорывающих их жидких пленок.
Коагулирующая способность - это свойство электролита образовывать коагуляты (создавать коагуляцию), а коагулирующая сила - это физическая величина (параметр электролита), которая имеет электрическую природу и количественно характеризует коагулирующую способность электролита.
Интенсификация процесса коагуляции заключается в выборе необходимой скорости образования хлопьев и степени разделения суспензии в объеме очищенной воды, что в конечном итоге играет решающую роль в повышении эффективности осветления воды. Это зависит от плотности и структурной прочности хлопьев, их адгезионной способности и тиксотропной обратимости.
В практике очистки воды используются различные методы интенсификации процесса коагуляции.
Обработка воды коагулянтами является наиболее распространенным методом очистки воды из поверхностных источников. Масштабы применения метода коагуляции в последние годы увеличились, и, судя по прогнозам, он будет расти.
Коагуляция коллоидных систем в целом и, в частности, в процессе очистки воды была предметом большого количества теоретических и экспериментальных исследований.

1. Кинетика коагуляции. Медленная и быстрая коагуляция
Ход коагуляции, в зависимости от концентрации коагулирующего электролита, можно разделить на две стадии (рисунок 1.1.): медленный и быстрый.
При медленной коагуляции изменение концентрации коагулирующего электролита сопровождается резким изменением скорости коагуляции.
В области быстрой коагуляции увеличение концентрации коагулирующего электролита не вызывает изменения скорости коагуляции, которая достигает своего максимального значения.
Концентрация электролита, начиная с которой скорость коагуляции остается постоянной, называется порогом быстрой коагуляции.

Рис 1.1.
Рисунок: Зависимость скорости коагуляции от концентрации электролита
Теория быстрой коагуляции была разработана М. Смолуховским. Она основана на предположении, что в области быстрой коагуляции любое столкновение частиц приводит к их коалесценции и что все зольные мицеллы перед коагуляцией имеют одинаковый размер и сферическую форму. Количество столкновений за единицу времени определяется интенсивностью броуновского движения частиц.
Для количественного описания коагуляции М. Смолуховский использовал уравнения формальной химической кинетики. Были использованы следующие допущения:
- при столкновении двух первичных частиц, из которых золь состоял до начала коагуляции, появляются более крупные частицы, называемые вторичными;
- когда вторичные частицы сталкиваются с первичными частицами, появляются третичные частицы;
- частицы более высокого, четвертого порядка образуются либо в результате адгезии двух вторичных частиц, либо третичной частицы от первичной; такие процессы приводят к образованию частиц большей кратности.
С увеличением концентрации электролита начинается формирование частиц более низких (I, II, III и так далее) порядков, которые незаметно протекают невооруженным глазом и поэтому называются скрытой коагуляцией

.
Дальнейшее увеличение концентрации электролита приводит к прогрессивному развитию коагуляции, увеличению его скорости и сопровождается появлением частиц более высоких порядков. Золь претерпевает видимые изменения: он более мутный или меняет цвет. Эта стадия процесса называется явной коагуляцией. Переход от скрытого к явному называется порогом коагуляции.
Уравнение быстрой скорости свертывания может быть представлено как реакция второго порядка:

где к – константа скорости, m=∑mi=m1+m2+m3+…+mi – общая концентрация частиц всех порядков (кратности) в системе, m1, m2, m3, …, mi – соответственно концентрации первичных, вторичных, третичных, I-ой кратности частиц.
М. Смолуховский разработал теорию медленной коагуляции частиц, сохраняющих некоторую устойчивость, предполагая, что не каждое столкновение частиц приводит к их слиянию.
Кинетика медленной коагуляции разработана в работах Н.А. Фукса. Если действенна только часть столкновений α, то константа скорости реакции:

В процессе коагуляции, наряду с уменьшением количества частиц и их увеличением, изменяется ряд свойств раствора: снижаются скорости диффузии и фильтрации частиц, увеличивается скорость осаждения, изменяется интенсивность рассеянного света, и в то же время цвет раствора.

2. Коллоидная защита, физический смысл явления. Приложение понятия коагуляции к биосистемам.
Коагуляция в некоторых случаях зависит от способа добавления электролита-коагулятора. Экспериментальные данные показывают, что, если электролит добавляют к золю небольшими порциями, в результате коагуляция происходит при более высокой концентрации электролита, чем когда большое количество добавляется немедленно. Это явление называется привыкание золь.
Причиной зависимости от золя может быть образование пептизатора или адсорбция ионов, заряженных одной и той же частицей, что приводит к увеличению начального заряда частицы.
Устойчивость лиофобных золей к коагуляции увеличивается в присутствии BMB: белков, полисахаридов и так далее. Это проявляется в увеличении порогов коагуляции защищенного золя и в неповиновении правилу Шульце-Харди.
Механизм защитного действия можно объяснить тем, что макромолекулы BMB адсорбируются на поверхности коллоидных частиц, создавая адсорбционные сольватные слои, которые увеличивают гидрофильность коллоидных частиц. В результате взаимодействие частицы с растворителем усиливается. Сольватные слои обеспечивают большее давление расклинивающего агента, когда две частицы подходят ближе и предотвращают их адгезию. Защитный эффект усиливается, если в адсорбционном слое BMB ​​образуются гелеобразные структуры с повышенной прочностью и эластичностью (это относится, например, к желатину).
В то же время при небольших добавках BMB в некоторых случаях отмечается не увеличение, а снижение стабильности коллоидов