Бөлшектерді біріктіру - Particle aggregation

Бөлшектер агломерациясы а-да жиынтықтардың пайда болуына жатады тоқтата тұру функционалдық тұрақсыздандыруға әкелетін механизмді білдіреді коллоидты жүйелер. Бұл процесте сұйық фазада диспергирленген бөлшектер бір-біріне жабысып, өздігінен дұрыс емес бөлшектердің жиынтықтарын, үйінділерін немесе агломераттарын құрайды. Бұл құбылыс сонымен қатар аталады коагуляция немесе флокуляция және мұндай суспензия деп те аталады тұрақсыз. Бөлшектердің агломерациясын коагулянт немесе флокулянт деп аталатын тұздарды немесе басқа химиялық заттарды қосу арқылы индукциялауға болады.[1].

Бөлшектер агломерациясының схемасы. Бөлшектер функционалды тұрақты суспензияда жеке-жеке шашырайды, ал олар функционалды тұрақсыз суспензияда агломератталады. Агломерация ерте кезеңдерден күйлерге қарай жүретін болғандықтан, агломераттар мөлшері бойынша өсіп, соңында келуі мүмкін.

Бөлшектер агломерациясы қайтымды немесе қайтымсыз процесс болуы мүмкін. «Қатты агломераттар» ретінде анықталған бөлшектер агломераттарын бастапқы жалғыз бөлшектерге қайта бөлу қиынырақ. Агломерация барысында агломераттар мөлшері бойынша өседі, нәтижесінде олар мүмкін қоныстану деп аталатын контейнердің түбіне дейін шөгу. Сонымен қатар, коллоидты гель оны өзгертетін концентрацияланған суспензияларда пайда болуы мүмкін реологиялық қасиеттері. Бөлшек агломераттары жеке бөлшектер ретінде қайта диспергирленетін кері процесс пептизация, өздігінен пайда болмайды, бірақ араластыру кезінде болуы мүмкін қайшы.

Коллоидты бөлшектер сұйықтықта ұзақ уақыт бойы (бірнеше жылдан бірнеше жылға) дисперсті болып қалуы мүмкін. Бұл құбылыс деп аталады коллоидтық тұрақтылық және мұндай тоқтата тұру функционалды деп аталады тұрақты. Тұрақты суспензияларды көбінесе тұздың төмен концентрациясында немесе химиялық заттарды қосқанда алады тұрақтандырғыштар немесе тұрақтандырғыш агенттер. Бөлшектердің тұрақтылығы, коллоидтық немесе басқаша, көбінесе мынаған байланысты бағаланады дзета әлеуеті. Бұл параметр бөлшектердің агрегациясының негізгі ингибиторы болып табылатын бөлшектер арасындағы репульсияның оңай анықталатын өлшемін ұсынады.

Осындай агломерация процестері басқа дисперсті жүйелерде де болады. Жылы эмульсиялар, олар тамшыға қосылуы мүмкін бірігу, және тек шөгіндіге әкелмейді, сонымен қатар кілегей. Жылы аэрозольдер, ауадағы бөлшектер бірдей жинақталып, үлкен кластерлер түзуі мүмкін (мысалы, күйе ).

Ерте кезеңдер

Жақсы дисперсті коллоидты суспензия жеке, бөлінген бөлшектерден тұрады және итергіш бөлшектер аралық күштермен тұрақтандырылады. Коагулянтты қосу арқылы итергіш күштер әлсірегенде немесе тартымды болғанда, бөлшектер біріктіріле бастайды. Бастапқыда бөлшектер дублеттері А2 синглдерден құралады А1 схема бойынша[2]

A1 + A1 → A2

Агрегаттау процесінің бастапқы кезеңінде суспензияда негізінен жеке бөлшектер болады. Бұл құбылыстың жылдамдығы агрегаттау коэффициентімен сипатталады к. Дублеттің қалыптасуы а екінші реттік мөлшерлеме процесс, бұл коэффициенттердің өлшем бірліктері m3с−1 өйткені бөлшектердің концентрациясы көлем бірлігінде бөлшектердің саны ретінде көрсетіледі (м−3). Біріктірудің абсолютті жылдамдығын өлшеу қиын болғандықтан, көбінесе тұрақтылықтың өлшемсіз арақатынасына сілтеме жасайды W = кжылдам/к қайда кжылдам бұл жылдам режимдегі агрегаттау коэффициенті, және к қызығушылық жағдайындағы коэффициент. Тұрақтылық коэффициенті жылдам режимде бірлікке жақын, баяу режимде жоғарылайды және суспензия тұрақты болғанда өте үлкен болады.

Тұз концентрациясына қарсы коллоидты суспензияның тұрақтылық схемасы.

Көбінесе коллоидты бөлшектер суда тоқтатылады. Бұл жағдайда олар жинақталады беттік заряд және ан электрлік қос қабат әр бөлшектің айналасында пайда болады.[3] Жақындаған екі бөлшектің диффузиялық қабаттарының қабаттасуы итергіштікке әкеледі екі қабатты өзара әрекеттесу бөлшектердің тұрақтануына әкелетін потенциал. Суспензияға тұз қосқанда, электрлік екі қабатты итеру скринингтен өтеді, және van der Waals аттракционы доминант болып, тез агрегацияны тудырады. Оң жақтағы суретте тұрақтылық коэффициентінің типтік тәуелділігі көрсетілген W баяу және жылдам агрегация режимдері көрсетілген электролит концентрациясына қарсы.

Төмендегі кестеде есептегіштің әр түрлі таза зарядының CCC диапазоны келтірілген ион.[4]Зарядтың өлшем бірліктерімен көрсетілген қарапайым заряд. Бұл тәуелділік Шульце-Харди ережесін көрсетеді,[5][6] онда CCC қарсы иондық зарядтың кері алтыншы қуаты ретінде өзгеретіндігін айтады. CCC сонымен қатар ионның түріне байланысты, егер олар бірдей зарядты болса да. Бұл тәуелділік бөлшектердің әртүрлі қасиеттерін немесе бөлшектердің бетіне иондардың әр түрлі жақындығын көрсетуі мүмкін. Бөлшектер жиі теріс зарядталатын болғандықтан, көп валентті металл катиондары жоғары тиімді коагулянттарды білдіреді.

ЗарядCCC (× 10−3 моль / L)
150-300
22-30
30.03-0.5


Қарама-қарсы зарядталған түрлердің адсорбциясы (мысалы, протондар, арнайы адсорбциялық иондар, беттік белсенді заттар, немесе полиэлектролиттер ) зарядты бейтараптау арқылы бөлшектердің суспензиясын тұрақсыздандыруы немесе зарядты жинақтау арқылы тұрақтандыруы мүмкін, бұл зарядты бейтараптау нүктесінің жанында жылдам жиналуға және одан алшақ агрегацияға әкеледі.

Коллоидты тұрақтылықтың сандық интерпретациясы бірінші кезекте тұжырымдалған DLVO теориясы.[2] Бұл теория баяу және жылдам агрегациялық режимдердің бар екендігін растайды, дегенмен баяу режимде көбінесе тұз концентрациясына тәуелділік эксперименттік байқалғандардан әлдеқайда күшті болады деп болжанады. Шульце-Харди ережесін алуға болады DLVO теориясы сонымен қатар.

Коллоидты тұрақтандырудың басқа механизмдері бірдей мүмкін, әсіресе полимерлерді қосады. Адсорбцияланған немесе егілген полимерлер бөлшектердің айналасында қорғаныс қабатын құрап, стерикалық итергіш күштерді тудыруы және стерикалық тұрақтылыққа әкелуі мүмкін. поликарбоксилат эфирі (PCE), химиялық тұрғыдан бейімделген соңғы буын суперпластификатор жұмыс қабілеттілігін арттыру үшін арнайы жасалған бетон оның қасиеттері мен беріктігін жақсарту үшін оның құрамындағы судың мөлшерін азайту. Полимерлер тізбегі бөлшектерге адсорбцияланған кезде, полимер тізбегі екі бөлшекті көпірлеп, көпір күштерін тудыруы мүмкін. Бұл жағдай көпір деп аталады флокуляция.

Бөлшектердің агрегациясы тек диффузиямен жүретін болса, оған сілтеме жасалады перикинетикалық жинақтау. Агрегацияны арқылы жақсартуға болады ығысу стресі (мысалы, араластыру). Соңғы жағдай аталады ортокинетикалық жинақтау.

Кейінгі кезеңдер

Үлкен агрегаттардың құрылымы әр түрлі болуы мүмкін. Жылдам жинақтау режимінде немесе DLCA режимінде агрегаттар кеңейтілген, ал баяу біріктіру режимінде немесе RLCA режимінде агрегаттар ықшам болады.

Біріктіру процесі жалғасқан кезде үлкенірек кластерлер пайда болады. Өсім негізінен әр түрлі кластерлер арасындағы кездесулер арқылы жүреді, сондықтан біреуі кластер-кластерді біріктіру процесіне жатады. Алынған кластерлер тұрақты емес, бірақ статистикалық тұрғыдан өздеріне ұқсас. Олар массаның мысалдары фракталдар олардың массасы М сипатталатын типтік мөлшерімен өседі айналу радиусы Rж билік заңы ретінде[2]

қайда г. бұл массалық фракталдық өлшем. Жиынтықтың жылдамдығына немесе баяудығына байланысты диффузиялық шектеулі кластерлік біріктіруді (DLCA) немесе реакциямен шектелген кластерді біріктіруді (RLCA) айтады. Кластерлер әр режимде әр түрлі сипаттамаларға ие. DLCA кластері бос және кеңейтілген (г. ≈ 1.8), ал RLCA кластерлері неғұрлым ықшам (г. ≈ 2.1).[7] Осы екі режимде кластердің мөлшерін бөлу де әр түрлі. DLCA кластерлері салыстырмалы түрде монодисперсті, ал RLCA кластерлерінің көлемдік таралуы өте кең.

Кластер мөлшері неғұрлым үлкен болса, олардың шөгу жылдамдығы соғұрлым тез болады. Сондықтан бөлшектердің тұнбасы және бұл механизм оларды суспензиядан бөлудің жолын ұсынады. Бөлшектердің жоғары концентрациясында өсіп жатқан кластерлер өзара байланысып, бөлшек түзуі мүмкін гель. Мұндай гель серпімді қатты дене болып табылады, бірақ қарапайым денелерден өте төмен болуымен ерекшеленеді серпімді модуль.

Гомеоагрегацияға қарсы гетероагрегация

Ұқсас монодисперсті коллоидты бөлшектерден тұратын суспензияда агрегация пайда болған кезде процесс деп аталады гомоагрегация (немесе гомокоагуляция). Бір-біріне ұқсамайтын коллоидты бөлшектерден тұратын суспензияда агрегация пайда болған кезде біреуіне сілтеме жасалады гетероагрегация (немесе гетерокоагуляция). Ең қарапайым гетероагрегация процесі монодисперсті коллоидты бөлшектердің екі типі араласқанда пайда болады. Алғашқы сатыларда дублеттің үш түрі пайда болуы мүмкін [8]

A + A → A2
B + B → B2
A + B → AB

Алғашқы екі процесс құрамында А немесе В бөлшектері бар таза суспензиядағы гомоагрегация сәйкес келсе, соңғы реакция нақты гетероагрегация процесін білдіреді. Осы реакциялардың әрқайсысы сәйкес жиынтық коэффициенттерімен сипатталады кАА, кBB, және кAB. Мысалы, А және В бөлшектері сәйкесінше оң және теріс зарядты көтергенде, гомоагрегация жылдамдығы баяу болуы мүмкін, ал гетероагрегат жылдамдығы тез болады. Гомоагрегациядан айырмашылығы, гетероагрегация жылдамдығы тұз концентрациясының төмендеуімен тездейді. Осындай гетероагрегациялық процестердің кейінгі кезеңдерінде пайда болған кластерлер DLCA кезінде алынғаннан да кең таралған (г. ≈ 1.4).[9]

Гетероагрегация процесінің маңызды ерекше жағдайы болып табылады бөлшектердің шөгуі субстратта.[1] Процестің алғашқы кезеңдері жеке бөлшектердің субстратқа қосылуына сәйкес келеді, олар басқа, әлдеқайда үлкен бөлшектер сияқты суреттер болуы мүмкін. Кейінгі сатылар бөлшектер арасындағы итермелейтін өзара әрекеттесу арқылы субстраттың блокталуын көрсетуі мүмкін, ал тартымды өзара әрекеттесу көп қабатты өсуге әкелуі мүмкін, сонымен қатар пісетін деп аталады. Бұл құбылыстар мембранада немесе фильтрде маңызды ластау.

Эксперименттік әдістер

Бөлшектердің бөлінуін зерттеу үшін көптеген эксперименттік әдістер жасалды. Негізінен уақыт бойынша шешілетін оптикалық әдістер қолданылады өткізгіштік немесе шашырау жарық.[10]

Жарық беру. Агрегатталған суспензия арқылы берілген жарықтың өзгеруін тұрақты түрде зерттеуге болады спектрофотометр көрінетін аймақта. Агрегаттау жалғасқан сайын орта лайлана түседі және оның сіңіру артады. Абсорбцияның жоғарылауы агрегация жылдамдығының тұрақтысымен байланысты болуы мүмкін к және тұрақтылық коэффициентін осындай өлшемдер бойынша бағалауға болады. Техниканың артықшылығы - оның қарапайымдылығы.

Жарықтың шашырауы. Бұл техникалар шашыраңқы жарықтың агрегатирленген суспензиядан уақыт бойынша шешілуіне байланысты зондтауға негізделген. Статикалық жарықтың шашырауы шашырау қарқындылығының өзгеруін береді, ал жарықтың динамикалық шашырауы айқын гидродинамикалық радиустың өзгеруі. Агрегаттаудың алғашқы кезеңдерінде осы шамалардың әрқайсысының өзгеруі жинақтау жылдамдығының константасына тура пропорционалдык.[11]Кейінгі кезеңдерде қалыптасқан кластерлер туралы ақпарат алуға болады (мысалы, фракталдық өлшем).[7] Бөлшектер мөлшерінің кең ауқымы үшін жарық шашырауы жақсы жұмыс істейді. Шашыраудың бірнеше эффектісін қарастыруға тура келуі мүмкін, өйткені шашырау үлкен бөлшектер немесе үлкен агрегаттар үшін маңызды бола бастайды. Мұндай әсерлерді әлсіз лайланған суспензияларда ескермеуге болады. Күшті шашырау жүйелеріндегі біріктіру процестері зерттелді өткізгіштік, шашырау техникасы немесе диффузиялық-толқындық спектроскопия.

Бөлшектерді жалғыз санау. Бұл әдістеме бөлшектердің оннан бір бөлігінен жасалған кластерлерді жеке шешуге мүмкіндік беретін тамаша шешімді ұсынады.[11] Агрегирленген суспензия тар капилляр арқылы мәжбүр болады бөлшектер есептегіші және әр агрегаттың мөлшері жарықтың шашырауымен талданады. Шашырау қарқындылығынан әр агрегаттың өлшемін шығаруға болады және егжей-тегжейлі агрегат өлшемін үлестіруге болады. Егер суспензия құрамында көп мөлшерде тұз болса, онда а-ны бірдей қолдануға болады Култер есептегіші. Уақыт өте келе мөлшердің үлестірілуі үлкен агрегаттарға қарай ауысады және осы вариациядан әр түрлі кластерлерді біріктіру мен бөліну жылдамдығын шығаруға болады. Техниканың жетіспеушілігі мынада: агрегаттар тар капилляр арқылы жоғары ығысу кезінде мәжбүрленеді, және бұл жағдайда агрегаттар бұзылуы мүмкін.

Жанама техникалар. Коллоидты суспензиялардың көптеген қасиеттері ілулі бөлшектердің агрегаттық күйіне байланысты болғандықтан, бөлшектердің агрегациясын бақылау үшін әртүрлі жанама әдістер қолданылды. Мұндай тәжірибелерден жинақтау жылдамдығы немесе кластерлік қасиеттер туралы сандық ақпарат алу қиын болса да, олар практикалық қолдану үшін ең құнды бола алады. Осы әдістердің ішінде қоныстану тесттер ең өзекті болып табылады. Флокулянттың әр түрлі концентрациясында дайындалған суспензиялары бар пробиркалардың қатарын тексергенде, тұрақты суспензиялар көбіне шашыраңқы болып қалады, ал тұрақсыздар тұнып қалады. Суспензияның шөгуін бақылау үшін жарық шашырауына / өткізгіштігіне негізделген автоматтандырылған құралдар жасалды және оларды бөлшектердің агрегациясын зерттеу үшін қолдануға болады. Алайда, бұл әдістер әрдайым суспензияның нақты агрегаттық күйін дұрыс көрсете бермейтінін түсіну керек. Мысалы, ірілендірілген ірі бөлшектер агрегация болмаған кезде де шөгуі мүмкін немесе коллоидты гель түзген агрегаттар суспензияда қалады. Біріктіру күйін бақылауға қабілетті басқа жанама әдістерге, мысалы, сүзу, реология, сіңіру ультрадыбыстық толқындар, немесе диэлектрлік қасиеттері.[10]

Өзектілігі

Бөлшектердің агрегациясы - табиғатта өздігінен пайда болатын, сонымен қатар өндірісте кеңінен зерттелген кең таралған құбылыс. Кейбір мысалдарға мыналар жатады.

Өзен атырабының қалыптасуы. Шөгінді бөлшектерін тасымалдайтын өзен суы тұзды суға жеткенде, бөлшектердің агрегациясы өзен атырауының пайда болуына себеп болатын факторлардың бірі болуы мүмкін. Зарядталған бөлшектер аз мөлшерде тұзды өзеннің тұщы суларында тұрақты, бірақ тұз мөлшері көп теңіз суында тұрақсыз болады. Соңғы ортада бөлшектер біріктіріледі, үлкен агрегаттар тұнбаға түседі, сөйтіп өзен атырауын жасайды.

Іс қағаздарын жасау. Қағаздың пайда болуын тездету үшін целлюлозаға сақтау құралдары қосылады. Бұл көмекші заттар - бұл целлюлоза талшықтары мен толтырғыш бөлшектері арасындағы агрегацияны жеделдететін коагуляциялық көмекші құралдар. Көбінесе осы мақсатта катиондық полиэлектролиттер қолданылады.

Суды тазарту. Қалалық ағынды суларды тазарту әдетте қатты бөлшектер жойылатын фазаны қамтиды. Бұл бөлуге суспензияланған қатты заттардың агрегациясын тудыратын флокуляциялық немесе коагуляциялық агент қосу арқылы қол жеткізіледі. Толтырғыштар әдетте шөгінділермен бөлініп, ағынды сулардың шламына әкеледі. Суды тазартуда жиі қолданылатын флокуляциялық агенттерге көп валентті металл иондары жатады (мысалы, Fe3+ немесе Al3+), полиэлектролиттер немесе екеуі де.

Ірімшік жасау. Ірімшік өндірісіндегі шешуші қадам - ​​сүтті қатты сүзбе мен сұйық сарысуға бөлу. Бұл бөлінуге сүтті қышқылдандыру немесе бүйрек қосу арқылы казеин мицеллалары арасындағы агрегация процестерін индукциялау арқылы қол жеткізіледі. Қышқылдандыру мицелладағы карбоксилат топтарын бейтараптайды және агрегацияны тудырады.

Сондай-ақ қараңыз

Сыртқы сілтемелер

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б М. Элимелек, Дж. Грегори, X. Джиа, Р. Уильямс, Бөлшектерді тұндыру және жинақтау: өлшеу, модельдеу және модельдеу, Баттеруорт-Хейнеманн, 1998 ж.
  2. ^ а б c Р.Бассел, В. Савиль, В. Шовалтер, В.Коллоидты дисперсиялар, Кембридж университетінің баспасы, 1989 ж.
  3. ^ Д. Ф. Эванс, Х. Веннерстром, Коллоидтық домен, Джон Вили, 1999.
  4. ^ Тезак, Б .; Матиевич, Е .; Schuiz, K. F. (1955). «Стату Наскендидегі гидрофобты зольдердің коагуляциясы. III. Қарсы әрекеттің иондық мөлшері мен валенттілігінің әсері». Физикалық химия журналы. 59 (8): 769–773. дои:10.1021 / j150530a018. ISSN  0022-3654.
  5. ^ IUPAC алтын кітабы. Шулце-Харди ережесі: «Әдеттегі лиофобтық золь үшін крагиальды коагуляция концентрациясы қарсы иондардың валенттілігіне өте сезімтал болатынын жалпылау (жоғары валенттілік коагуляция концентрациясы төмен)». Дереккөз: PAC, 1972, 31, 577 (Физикалық-химиялық шамалар мен өлшем бірліктері үшін шартты белгілер мен терминология жөніндегі нұсқаулық, II қосымша: Коллоидты және беттік химиядағы анықтамалар, терминология және шартты белгілер) 610 бетте.
  6. ^ IUPAC алтын кітабы (1997). Шулце-Харди ережесі. IUPAC химиялық терминологияның 2-ші басылымы (1997).
  7. ^ а б М. Ю.Лин; Х.М. Линдсей; D. A. Weitz; R. C. Ball; Р.Клейн; П.Меакин (1989). «Коллоидты агрегациядағы әмбебаптық» (PDF). Табиғат. 360–362 бет. Бибкод:1989 ж.33..360L. дои:10.1038 / 339360a0.
  8. ^ Джеймс, Роберт О .; Гомола, Эндрю; Хили, Томас В. (1977). «Амфотерлі латекс коллоидтарының гетерокоагуляциясы». Химиялық қоғам журналы, Фарадей операциялары 1: Конденсацияланған фазалардағы физикалық химия. 73 (0): 1436. дои:10.1039 / f19777301436. ISSN  0300-9599.
  9. ^ Ким, Энтони Ю; Хауч, Кип D; Берг, Джон С; Мартин, Джеймс Е; Андерсон, Роберт А (2003). «Сызықтық тізбектер және электростатикалық гетероагрегациядан алынған тізбек тәрізді фракталдар». Коллоид және интерфейс туралы журнал. 260 (1): 149–159. Бибкод:2003JCIS..260..149K. дои:10.1016 / S0021-9797 (03) 00033-X. ISSN  0021-9797.
  10. ^ а б Григорий, Джон (2009). «Бөлшектерді біріктіру процестерін бақылау». Коллоидтық және интерфейстік ғылымның жетістіктері. 147-148: 109–123. дои:10.1016 / j.cis.2008.09.003. ISSN  0001-8686.
  11. ^ а б Холтхоф, Гельмут; Шмитт, Артур; Фернандес-Барберо, Антонио; Борковец, Михал; Cabrerı́zo-Vı́lchez, Miguel ángel; Шуртенбергер, Петр; Идальго-Альварес, Роке (1997). «Коллоидтық бөлшектер үшін коагуляция жылдамдығының тұрақты шамаларын өлшеу: жалғыз және көпбөлшекті жарық шашырау әдістерін салыстыру». Коллоид және интерфейс туралы журнал. 192 (2): 463–470. Бибкод:1997JCIS..192..463H. дои:10.1006 / jcis.1997.5022. ISSN  0021-9797.