Коллоидная химия и экологические проблемы

Коллоидная химия — это отдельный раздел физической химии, в котором изучают дисперсные системы и поверхностные явления. Ее еще называют физической химией дисперсных систем. Дисперсными называются гетерогенные системы с высокой степенью дисперсности. Гетерогенная система, в которой одна из фаз раздроблена до частиц микрометрового масштаба, называется микрогетерогенные. если частицы значительно меньше микрометрового масштаба (<1 мкм), систему называют ультрамикрогетерогенною. Раздроблена фаза называется дисперсной фазой, а среду, в которой она распределена называется дисперсионной средой значит для всех дисперсных систем главными признаками являются высокая раздробленность.

(Дисперсность) и гетерогенность. Вследствие высокой дисперсности эти системы имеют большую поверхность разграничения между фазой и средой и как следствие, обладают большим запасом поверхностной энергии Гиббса.

dF = у * dSn.

где у — поверхностное натяжение, S — удельная поверхность Важной особенностью коллоидного состояния является то, что значительная часть всей массы и свободной энергии системы сосредоточена в межфазных поверхностных слоях. В дисперсных термодинамически неустойчивых системах происходят процессы, которые снижают поверхностную энергию: адсорбция, коагуляция (слипание дисперсних частиц), образование макрострутур и прочее. Поверхность реальной частицы твердого тела микро и субмикронеодноридна с выступлениями и впадинами различной высоты и площади, распределенных изотропно или анизотропно. На этих участках поверхности локальное снижение поверхностной энергии и силового поля разные, поэтому две системы одинакового состава и степени дисперсности не могут быть энергетически равноценными. Итак дисперсные коллоиды являются индивидуальными и невоспроизводимых системами. Кроме дисперсий твердых частиц в коллоидной химии выделяют две основные группы ассоциативные или мицеллярные коллоиды (растворы ПАВ) и растворы высокомолекулярных соединений. Последние получают растворением полимеров в соответствующих водных или органических средах. Этот процесс сопровождается уменьшением свободной энергии и, соответственно, система, образуется является термодинамически устойчивой.

Предметом изучения коллоидной химии являются гетерогенные смеси веществ (дисперсные системы), их свойства, процессы, протекающие в этих системах.

Задачи коллоидной химии — прогнозирование направления и изучение осо-бенностей протекания физико-химических процессов в дисперсных системах.

В отечественной промышленности не уделялось должного внимания проблеме предотвращения загрязнения водного бассейна. Огромное количество сточных вод неопределенного состава сбрасывалось и сбрасывается в открытые водоемы — реки, речки, непроточные и проточные озера.

Одной из проблем остается низкое качество ирригационных сооружений. Так при строительстве ирригационных каналов с целью снижения их стоимости в ряде случаев в качестве антифильтрационных материалов, предотвращающих фильтрацию воды из канала и засоление окружающих полей, использовали полимерные (полиэтиленовые или полихлорвиниловые) пленки, которые теряют целостность в результате прорастания придонных растений и имеют малую эффективность. Вода через отверстия в пленках беспрепятственно фильтруется через дно каналов, а большие затраты на пленочные покрытия русла каналов оказываются бесполезными. Использование бетонов, глиноцементов и т. д. часто не дает нужного эффекта в связи с низкой солестойкостью и высокой пористостью готового материала Большая проблема в общей системе охранных мероприятий — защита подземных вод от загрязнений, выбрасываемых промышленными предприятиями. Очень часто промышленные загрязнения из прохудившихся подземных или заглубленных резервуаров или трубопроводов поступают через фильтрующий слой почвы в подземные водоемы.

Проблема защиты окружающей среды от протечки из емкостей сточных вод и попадания их в подземные природные резервуары чистой пресной воды заставляет искать эффективные антифильтрационные материалы. Большой урон природе наносят также протечки из ирригационных и магистральных каналов, приводящие к заболачиванию и засолению почвы вблизи них.

На магистральных каналах чаще всего применяют монолитные и сборные железобетонные лотки, изготовленные заводским способом или выполненные путем пневмонанесения бетона непосредственно на русло каналов. Железобетонные защитные покрытия обычно укладывают в местах проведения каналов через грунты с высокой фильтрующей способностью. Толщина таких покрытий составляет от 8 до 20 см и зависит от условий работы каналов, поэтому стоимость этого вида защиты от фильтрации высока и не всегда оправдывает себя в связи с несовершенством гидроизоляции швов на стыках железобетонных конструкций. Через возникающие трещины фильтрация воды достигает значительных размеров, сводя на нет эффект от применения железобетонных защитных противофильтрационных покрытий. Например, в оросительных системах Узбекистана за три года разрушается более 60% железобетонных защитных сооружений.

Экономически целесообразны и технически легко выполнимы коллоидно-химические методы обработки грунтов и использование некоторых природных высокодисперсных глин, поверхностно-активных веществ и водорастворимых полимерных соединений для механической и физико-химической кольматации почвы в руслах каналов и в прудах, куда сбрасываются сточные воды. Под термином «кольматация» понимается такая обработка грунта, в результате которой происходит потеря фильтрующей способности при набухании глинистых частиц.

Тонкодисперсные частицы глинистых материалов способны проникать в поры между крупными частицами грунта, где возможна их коагуляция, в результате чего резко понижается водопроницаемость грунта. В поровом пространстве формируется внутригрунтовой противофильтрационный слой мощностью 20−30 см в песчаных грунтах и до 10 см — в суглинках. Такой способ кольматации позволяет снизить на 95−98% фильтрационные потери на гидротехнических земляных сооружениях — прудах, водоемах сельскохозяйственного и промышленного назначения. Способность гидрофильных частиц глин к набуханию при смачивании водой приводит к снижению эффективного пористого пространства между частицами и подавляет фильтрацию воды через почву, кольматированную таким способом. Другой способ кольматации — обработка грунтов водорастворимыми полимерными материалами, в результате которой грунты приобретают водостойкость. Если необходимо не только резко снизить водопроницаемость русла оросительных каналов, но и защитить водоносные горизонты от проникновения химически вредных стоков предприятий химической, нефтехимической, металлургической и других обильно водопотребляющих и загрязняющих окружающую среду отраслей промышленности, то возникают задачи создания такой антифильтрационной обработки грунтов, когда вредные химические вещества не разрушают противофильтрационный экран. Этого можно достичь с использованием тиксотропных глинистых дисперсий с небольшими добавками кремнийорганических смол, которые повышают устойчивость антифильтрационного экрана к кислотам и препятствуют коагуляции глинистых дисперсий в присутствии солей. Для повышения прочности коллоидной структуры слабоконцентрированных суспензий глины можно использовать также двучетвертичные аммониевые соли в концентрации 0,7−1%. Наличие двух положительно заряженных групп, способных к взаимодействию с поверхностями различных частиц может способствовать росту прочности коллоидной структуры. В результате таких добавок прочность слабоконцентрированной суспензии глины возрастает на порядок. Этот факт представляет большой интерес как для укрепления почвы, так и в гидротехнической практике. Особый источник поступления загрязнений в открытые водоемы — весенние талые и паводковые воды. Отходы сельского хозяйства, химических и нефтехимических предприятий, открытых разработок минерального сырья и угля вместе с паводковыми водами могут попадать как в подземные, так и в открытые водоемы и, соответственно, загрязнять их. В связи с этим талые воды, а в летнее время ливневые стоки должны собираться в специальные резервуары и очищаться от загрязнений перед направлением их в открытые водоемы. Водоемы (пруды-накопители), в которых собирают такие воды, также как и каналы для предотвращения фильтрации загрязненной воды могут по дну и стенкам защищаться антифильтрационными материалами, в качестве которых часто используют структурированные дисперсии глинистых набухающих материалов. Такие структурированные дисперсии при низких экономических затратах позволяют получить высокий защитный эффект, так как они обладают необходимой механической прочностью, водонепроницаемостью и солеустойчивостью.

Глобальная проблема — загрязнение водного бассейна (морей, океанов, озер и рек) нефтью и нефтепродуктами — стоит на одном из первых мест в негативном воздействии промышленной деятельности человека на гидросферу. Ежегодно в воду попадает несколько миллионов тонн нефти и продуктов её переработки. Это происходит в результате катастроф нефтеналивных судов, перевозящих нефть из районов нефтедобычи в районы потребления, при аварийных ситуациях на морских нефтепромыслах, при нарушении целостности нефтепроводов и при сливе балластных и промывочных вод танкерами. Вероятность загрязнения водного бассейна постоянно растет в связи с развитием нефтепромыслов на шельфе и повышением грузоподъемности и скорости нефтеналивных судов.

Коллоидная химия позволяет решить две из возможных проблем глобального загрязнения водного бассейна нефтепродуктами. Попадая на поверхность воды, нефть образует толстую пленку, которая постепенно растекается по поверхности воды и под действием волн и ветра смешивается с водой и постепенно переходит в состояние обратной эмульсии, так как находящиеся в ней природные поверхностно-активные вещества способствуют формированию эмульсии именно этого типа. Эта высоковязкая эмульсионная пленка способна длительное время сохраняться на водной поверхности, нарушая кислородный обмен и привнося трудности в жизнедеятельность не только низших организмов, но и рыб, и птиц, и морских животных.

Одно время большие надежды связывали с удалением нефтяных загрязнений путем их потопления при обращении типа эмульсии. Такой способ борьбы был основан на использовании поверхностно-активных веществ в смесях с гидрофобизированным песком или углеродным сорбентом, смешение которых с нефтью приводило к потоплению нефти и осаждению на дно. Однако осажденная таким образом нефть продолжала оказывать негативное влияние на жизнедеятельность организмов в водном бассейне.

Поэтому наиболее рациональным остается сбор основной массы нефтяного загрязнения с поверхности водного бассейна механическим путем с помощью специальных судов — сборщиков нефти. Оставшееся небольшое количество в виде тонкой, подчас мономолекулярной пленки обрабатывают поверхностно-активным веществом, способным переводить пленку в устойчивую прямую эмульсию. Этот процесс обычно протекает за счет самопроизвольного эмульгирования в присутствии неионогенных ПАВ. Устойчивая разбавленная эмульсия не оказывает вредного воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов и морского животного мира и относительно быстро уничтожается естественным биохимическим путем. Естественно, что в качестве эмульгатора прямой эмульсии должно использоваться биологически мягкое ПАВ.

Проблема отмывания танкеров от остатков нефтепродуктов решается применением специальных моющих средств, способных эмульгировать нефтепродукты с образованием малоустойчивой прямой эмульсии. Эта эмульсия затем разрушается и нефтепродукты собираются в специальных резервуарах, а водная фаза вновь возвращается в цикл очистки судов. Таким образом, реализуется замкнутый цикл промывки судов без сброса отработанной воды и без загрязнения водного бассейна. К сожалению низкая культура мореплавания и дополнительные затраты на промывку судов приводят к тому, что некоторые нефтеналивные суда сбрасывают промывные и балластные воды непосредственно в открытое море, создавая за собой многокилометровый след из нефтепродуктов.

Таким образом, даже при кратком рассмотрении экологических проблем гидросферы и охраны водного бассейна можно отметить их тесную связь с коллоидно-химическими процессами :

• — седиментация осадков естественного происхождения (минеральных и органических взвесей) и искусственных (производственные загрязнения различной химической природы, весьма разнообразной формы и размеров); следовательно, надо знать закономерности седиментации;
• — коагуляция и флокуляция частиц или капель дисперсной фазы с целью их укрупнения и облегчения седиментации (поскольку речь идет о коагуляции, то возникает связь с нарушением агрегативной и кинетической устойчивости дисперсных систем и необходимо знать теорию стабилизации и коагуляции);
• — удаление растворенных веществ осуществляется методом адсорбции на различных адсорбентах или пузырьках воздуха (здесь проявляется связь с теорией адсорбции из растворов на твердых адсорбентах и на поверхности раствора с воздухом или с другой жидкостью, а также с теорией и практикой эмульгирования, пенообразования и пенной сепарации).