Суспензии и золи

Дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называют золями при коллоидной дисперсности вещества дисперсной фазы и суспензиями в случае более грубой дисперсности и седиментационной неустойчивости. Высококонцентрированные суспензии называют пастами. Золи являются основным объектом изучения в классической коллоидной химии, суспензии — объектом производственных процессов химической технологии (производство удобрений, катализаторов, красителей и др.) и других областей промышленности (производство строительных материалов, алмазного и твердосплавного инструмента, керамическое производство и т. д.). Получение материалов с необходимыми свойствами во многих случаях включает в качестве технологических процессов образование (диспергационное или конденсационное) частиц дисперсной фазы и их коагуляцию в жидкой дисперсионной среде. С другой стороны, коагуляция и осаждение взвесей являются одним из этапов процессов водоочистки. Это относится не только к вредным бытовым взвесям и отходам различных технологических процессов, но и к специально получаемым золям гидроксидов металлов, которые вводят в воду для улавливания примесей ПАВ и ионов тяжелых металлов. Методы управления этими процессами основаны на применении общих закономерностей образования и разрушения дисперсных систем в сочетании с изучением их специфических свойств, в особенности способности к формированию пространственных дисперсных структур с характерными механическими свойствами (см. гл. IX). Эти коллоидно-химические явления лежат в основе многих геологических процессов, например, ведущих к формированию почвенного слоя, явившегося основой развития жизни на поверхности Земли.

Природа агрегативной устойчивости дисперсных систем с частицами твердой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной средой определяется составом этих фаз, дисперсностью и концентрацией частиц. Устойчивость гидрозолей при малой концентрации электролитов в системе обычно связана с проявлением электростатической составляющей расклинивающего давления (см. гл. VII), обусловленной перекрытием диффузных частей двойных электрических слоев.

Вместе с тем (см. VII. 1), агрегативная устойчивость золей может иметь и термодинамическую природу. Дисперсная система — золь — обнаруживает термодинамическую устойчивость, если глубина потенциального минимума, характерная для частиц данной дисперсной системы, оказывается меньше выигрыша свободной энергии системы за счет включения частиц в тепловое движение.

Наиболее эффективная защита системы (особенно концентрированной) от протекания процессов коагуляции, в том числе и при введении электролитов, обеспечивается применением поверхностно-активных веществ: низкомолекулярных мицеллообразующих ПАВ и высокомолекулярных, так называемых «защитных коллоиддов». Адсорбция таких высокоэффективных стабилизаторов приводит к возникновению на поверхности частиц структурно-механического барьера, полностью предотвращающего коагуляцию частиц и возникновение между ними непосредственного контакта, развитие которого может вызвать необратимое изменение свойств систем. Роль структурно-механического барьера особенно велика при стабилизации обратных систем — суспензий и золей полярных веществ в неполярных средах, в которых электростатическое отталкивание, как правило, не существенно. Полное предотвращение сцепления частиц благодаря образованию защитного слоя ПАВ может происходить не только в разбавленных золях, но и в концентрированных пастах; в последнем случае ПАВ служит пластификатором, обеспечивающим легкоподвижность системы (см. гл. IX). Подбор ПАБ для стабилизации суспензий и золей различного типа сходен с выбором ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий: это должны быть ПАВ, относящиеся к третьей и четвертой группам с высокими значениями ГЛБ при стабилизации суспензий и золей в полярных средах и низкими (маслорастворимые ПАВ) — в неполярных.

Коагуляция разбавленных золей при недостаточно эффективной их стабилизации (или при введении электролитов в систему, стабилизированную только за счет электростатического фактора устойчивости) для изометричных частиц обычно приводит к возникновению отдельных агрегатов. В результате система теряет седиментационную устойчивость, и образуется более или менее рыхлый осадок. Наоборот, в системах с резко анизометричными частицами и в концентрированных системах коагуляция может приводить к образованию пространственной сетки частиц дисперсной фазы без потери седиментационной устойчивости: система из свободнодисперсного состояния (золь) переходит в связнодисперсное (гель).

Близким по внешним проявлениям к процессу коагуляции является флокуляция, наблюдаемая при добавлении к суспензиям и золям некоторых высокомолекулярных ПВ — флокулянтов — в очень малых количествах (обычно не выше 0,01%). Согласно Ла-Меру, при флокуляции образуются более рыхлые, чем при коагуляции, агрегаты, в которых частицы находятся на значительных расстояниях и связаны между собой молекулами полимеров, причем между частицами сохраняются свободные участки цепей макромолекул — флокуляция происходит по механизму образования мостиков. Это связано с тем, что при малых концентрациях молекула поверхностно-активного полимера, содержащая в своей цепи множество активных групп, оказывается достаточно «развернутой» и может закрепляться сразу на нескольких частицах дисперсной фазы, связывая их (особенно прочно при хемосорбции) в единый рыхлый агрегат.

Рис. VIII-15. Влияние коагуляции на форму седиментационных кривых.

При высоких концентрациях полимерного ПАВ, когда адсорбция на поверхности частиц велика и сопровождается образованием плотного лиофилизующего адсорбционного слоя, тот же полимер будет выступать в роли стабилизатора дисперсии, действующего по механизму структурно-механического барьера.

Полимеры, не способные к адсорбции на поверхности частиц, также могут в зависимости от концентрации вызывать флокуляцию или стабилизацию частиц дисперсной фазы, однако в этом случае механизм их действия будет иным. Так, флокуляция при низких концентрациях полимерных молекул обусловлена их вытеснением из зазора в объем раствора и возникновением вследствие этого осмотической составляющей расклинивающего давления. Возникающая при высоких концентрациях полимера стабилизация связана с энтропийными эффектами, вызванными изменением конформационного состояния макромолекул в зазоре между частицами^[1].

Флокуляция с помощью полимеров нашла широкое применение во многих прикладных областях: в водоочистке для ускорения осаждения частиц (и особенно доосаждения их мелких фракций), в агротехнике для управления фильтрационными и структурно-механическими свойствами почв, в том числе для предотвращения ветровой эрозии (что особенно актуально после чернобыльской катастрофы), в инженерной геологии для закрепления грунтов, в бумажной промышленности для регулирования связности целлюлозных волокон на разных этапах переработки бумажной пульпы и т. д.

В качестве флокулянтов водных дисперсий используются различные полиэлектролиты — полиакриламиды, полиэтиленимины и дру;

В суспензиях процессы коагуляции могут проявляться как в ходе оседания дисперсной фазы, так и в сформированном осадке. Коагуляция в процессе осаждения приводит к отклонению формы кривой накопления осадка от обычно наблюдающейся для агрегативно устойчивых систем: если коагуляция сопровождается увеличением размера и скорости оседания агрегатов, то на кривых накопления осадка может появиться точка перегиба (рис. VIII-I5). Изменение формы кривой накопления осадка в агрегата вно неустойчивой системе после ее стабилизации введением ПАВ позволяет изучать закономерности коагуляции в такой системе.

Другим проявлением коагуляции при оседании суспензии является увеличение объема осадка. Образование вследствие коагуляции сравнительно рыхлых агрегатов частиц приводит к увеличению объема осадка по сравнению с агрегативно устойчивой системой, где частицы способны свободно перемещаться относительно друг друга и плотно упаковываться.

• [1] Неппер Д. Стабилизация коллоидных дисперсий полимерами/Пер. с англ. Под.ред. Ю. С. Липатова. М: Мир, 1986.