Коагуляция нефтепродуктов. 
Коагуляция нефтепродуктов

Литературный обзор

коагуляция электролит смолуховский.

Коагуляцией называется процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов. В результате коагуляции система теряет свою седиментационную устойчивость, так как частицы становятся слишком крупными и не могут участвовать в броуновском движении.

Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Различают две стадии коагуляции.

• 1 стадия — скрытая коагуляция. На этой стадии частицы укрупняются, но еще не теряют своей седиментационной устойчивости.
• 2 стадия — явная коагуляция. На этой стадии частицы теряют свою седиментационную устойчивость. Если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды, образуется осадок.

Причины коагуляции многообразны. Едва ли существует какое либо внешнее воздействие, которое при достаточной интенсивности не вызывало бы коагуляцию.

Правила коагуляции:

1. Все сильные электролиты, добавленные к золю в достаточном количестве, вызывают его коагуляцию.

Минимальная концентрация электролита, при которой начинается коагуляция, называется порогом коагуляции Ck.

Иногда вместо порога коагуляции используют величину V_K, называемую коагулирующей способностью. Это объем золя, который коагулирует под действием 1 моля электролита:

.

т.е. чем меньше порог коагуляции, тем больше коагулирующая способность электролита.

• 2. Коагулирующим действием обладает не весь электролит, а только тот ион, заряд которого совпадает по знаку с зарядом противоиона мицеллы лиофобного золя. Этот ион называют ионом-коагулянтом.
• 3. Коагулирующая способность иона-коагулянта тем больше, чем больше заряд иона.

Количественно эта закономерность описывается эмпирическим правилом Щульце — Гарди:

Или.

.

где — постоянная для данной системы величина;

Z — заряд иона — коагулянта;

— порог коагуляции однозарядного, двухзарядного, трехзарядного иона-коагулянта.

Соотношение порогов коагуляции для одно -, двух — и трёхвалентных ионов равно (правило значности):

г1: г2: г3 = 729: 11: 1.

Следовательно, коагулирующая способность трёхзарядного иона в 729 раз выше коагулирующей способности однозарядного иона.

Правило устанавливает, что коагулирующие силы иона тем больше, чем больше его валентность. Экспериментально установлено, что ионы с высшей валентностью имеют значение порога коагуляции ниже, чем ионы с низшей. Следовательно, для коагуляции лучше брать ионы с высшей степенью окисления. Если валентность ионов одинакова, то коагулирующая способность зависит от размеров и степени гидратации ионов. Чем больше радиус иона, тем больше его коагулирующая способность. По этому правилу составлены лиотропные ряды.

Для однозарядных неорганических катионов коагулирующая способность убывает в следующем порядке:

— лиотропный ряд. 1, 2].

При коагуляции смесью электролитов различают два типа процессов:

• · гомокоагуляция
• · гетерокоагуляция

Гомокоагуляция — укрупнение подобных частиц в больший агрегат осадка. Причем в процессе отстаивания мелкие частицы растворяются, а крупные увеличиваются за их счет. На этом основано явление активации и перекристаллизации. Этот процесс описывается уравнением Кельвина — Томсона:

.

где С — растворимость макрочастиц;

С — растворимость микрочастиц;

V_м — молярный объем;

R — универсальная газовая постоянная;

T — температура;

r — радиус частиц.

Из уравнения следует, что концентрация вокруг маленького радиуса больше, поэтому диффузия идет от бульшей концентрации к меньшей.

При втором типе происходит слияние разнородных частиц или прилипание частиц дисперсной системы на вводимые в систему чужеродные тела или поверхности.

Гетерокоагуляция — взаимная коагуляция разнородных дисперсных систем.

Коагуляция смесью электролитов имеет большое практическое значение, так как даже при добавлении к золю одного электролита-коагулянта, в действительности коагуляция происходит, по крайней мере, под влиянием двух электролитов, так как в системе содержится электролит-стабилизатор. Кроме того, в технике для коагуляции часто применяют смесь двух электролитов. Понимание закономерностей взаимного действия электролитов важно также при исследовании воздействия биологически активных ионов на органы и ткани живого организма. 5].

В качестве количественной характеристики коагуляции Зигмонди предложил использовать скорость коагуляции.

Скорость коагуляции — это изменение концентрации коллоидных частиц в единицу времени при постоянном объеме системы.

.

где — концентрация частиц;

— время.

Знак «-» стоит потому, что концентрация частиц со временем уменьшается, а скорость всегда положительна.

Степень коагуляции :

.

где Z — общее число столкновений частиц в единицу времени; Z_эф — число эффективных столкновений (т.е. столкновений, приводящих к коагуляции) в единицу времени.

Если = 0, коагуляция не происходит, коллоидный раствор агрегативно устойчив.

Если = 1, происходит быстрая коагуляция, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.

Если.

0 1,.

наблюдается медленная коагуляция, т. е. только некоторые столкновения частиц приводят к их слипанию.

Чтобы частицы при столкновении слиплись, а не разлетелись как упругие шары, должен быть преодолен потенциальный барьер коагуляции ДU_к. Следовательно, коагуляция произойдет только в том случае, когда коллоидные частицы будут обладать кинетической энергией, достаточной дл преодоления этого барьера. Для увеличения степени коагуляции необходимо снижать потенциальный барьер. Это может быть достигнуто добавлением к золю электролита — коагулянта.

Зависимость скорости коагуляции от концентрации электролита представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость скорости коагуляции от концентрации электролита На графике видны три участка:

I. .

Следовательно, кинетическая энергия.

kТ << ДUк, (k — постоянная Больцмана) — лиофобный золь агрегативно устойчив.

II. ,.

т.е. потенциальный барьер коагуляции больше, но соизмерим с кинетической энергией коллоидных частиц, причем с увеличением концентрации электролита — коагулянта он уменьшается, а скорость коагуляции возрастает. С_км — порог медленной коагуляции, С_кб — порог быстрой коагуляции. Этот участок кривой выражает зависимость:

На этом участке происходит медленная коагуляция.

III.

Каждое столкновение приводит к слипанию частиц — идет быстрая коагуляция. 4].

Теория быстрой коагуляции, разработанная М. Смолуховским в 1916 г., основана на следующих положениях.

Рассматриваемая система является монодисперсной, радиус частиц r.

т. е. все столкновения являются эффективными.

Рассматриваются только столкновения первичных частиц.

Кинетика коагуляции подобна кинетике бимолекулярной реакции:

.

где k — константа скорости коагуляции.

Проинтегрируем это уравнение, разделив переменные:

.

где ₀ — концентрация частиц золя в начальный момент времени;

_t — концентрация частиц золя в момент времени t.

Для характеристики быстрой коагуляции используется период коагуляции (период половинной коагуляции) .

Период коагуляции () — это время, через которое концентрация коллоидных частиц уменьшается в два раза.

При.

Согласно теории быстрой коагуляции, константа коагуляции зависит от коэффициента диффузии и может быть вычислена по уравнению.

Если подставить в это уравнение величину коэффициента диффузии, получим:

Медленная коагуляция связана с неполной эффективностью столкновений вследствие существования энергетического барьера. Простое введение величины степени коагуляции в формулы теории Смолуховского не привело к согласию теории с опытом. Более совершенную теорию медленной коагуляции разработал Н.Фукс. Он ввел в кинетическое уравнение коагуляции множитель, учитывающий энергетический барьер коагуляции ДU _к:

.

где k_КМ — константа скорости медленной коагуляции;

k_КБ — константа скорости быстрой коагуляции;

Р — стерический фактор;

ДU_к — потенциальный барьер коагуляции;

k — постоянная Больцмана.

Таким образом, для расчета константы скорости медленной коагуляции необходимо знать потенциальный барьер коагуляции[4].

Нефтяная эмульсия — система нефть-вода, в которой одна из жидкостей диспергирована в другую в виде мелких капель (глобул). Основные типы нефтяных эмульсий — эмульсии первого рода, или прямые, когда нефть диспергирована в воде (типа «масло в воде»), и второго рода, или обратные, когда вода диспергирована в нефти («вода в масле»).

Нефтяные эмульсии, образующиеся при добыче и обессоливании нефти, относятся в основном ко второму типу. По содержанию дисперсной фазы нефтяные эмульсии подразделяют на разбавленные (до 0,2% по объёму), концентрированные (до 74%) и высококонцентрированные (свыше 74%)[6].

Для заполнения электродов сравнения чаще всего используют 3 М раствор КСl, также в этом растворе и хранят электроды между измерениями.

Для приготовления данного раствора нам понадобится, собственно, хлорид калия и дистиллированная вода, из оборудования — весы, мерная колба, объемом 1 литр, воронка диаметром 36 либо 57 мм для удобства. Проводим вычисление:

М (КСl) 74,6 г/моль x 3 моль = 223,8 г.

То есть отвешиваем 223,8 г хлорида калия, помещаем в мерную колбу и доводим объем дистиллированной водой до 1 литра и трехмолярный раствор хлорида калия готов.

По аналогии делаем 3 М раствор MgSO₄.Проводим вычисление:

М (MgSO₄) 120,3 г/моль x 3 моль = 360,9 г. 7].

• 1. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии / С. С. Воюцкий. — М.: Издательство Химия, 1975. — 513 с.
• 2. С. И. Левченков. Лекции по курсу «Физическая и коллоидная химия» / Левченков С. И. — Ростов н/Д, 2004 — 28 с.
• 3. Коллоидная химия: учебник для бакалавров / Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина. — 7-е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2014 -444 с.
• 4. Основы процессов коагуляции и осаждения [Электронный ресурс], — http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU_BOOK/ch3.htm
• 5. Лекция «Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. Коагуляция электролитами, правило Шульце-Гарди» [Электронный ресурс], — https://studfiles.net/preview/2 229 402/page:4/
• 6. Горная энциклопедия [Электронный ресурс], — http://www.mining-enc.ru/n/neftyanaya-emulsiya
• 7. ООО «Лабораторная посуда и оборудование» [Электронный ресурс], — http://www.labor.promzone.ru/elektrodi_sr.htm