Электрические свойства коллоидных растворов

Электрические свойства коллоидных растворов или электрокинетические явления обусловлены наличием электрического заряда, как у коллоидных частиц, так и у дисперсионной среды. Это приводит к тому, что при наличии внешней разности электрических потенциалов происходит направленное перемещение заряженных коллоидных частиц и самой дисперсионной среды. В первом случае явление называется электрофорезом, а во втором – электроосмосом. Возможно, также, и самопроизвольное возникновение разности потенциалов в объёме коллоидного раствора в результате частичного оседания более тяжёлых и одноимённо заряженных коллоидных частиц. Возникающий в таких случаях скачок электрического потенциала между придонными и более высокими слоями жидкости называется потенциалом оседания. При течении коллоидных растворов через тонкие капилляры разность потенциалов может возникать и за счёт избирательной сорбции поверхностью капилляров частиц с определённым электрическим зарядом. Это – потенциал течения.

КОАГУЛЯЦИЯ

Когуляция (от лат. coagulum –сгусток) – слипание коллоидных частиц с образованием более или менее крупных агрегатов. Коагуляция – проявление термодинамической неустойчивости дисперсных систем. Процесс укрупнения коллоидных частиц связан с потерей агрегативной устойчивости и приводит к потере ими кинетической устойчивости, которая выражается в образовании осадка. Коагуляция в разбавленных системах приводит к образованию хлопьев, выпадающих в осадок (или всплывающих), тогда как в концентрированных системах может также привести к возникновению сплошной пространственной структуры – геля. В ряде случаев свежий коагулят под влиянием механического воздействия (напр., перемешивания) или образования адсорбционных слоёв при добавлении некоторых веществ (пептизаторов) способен к обратному переходу в состояние золя. Это явление называется пептизацией.

Коагуляцию вызывают различные воздействия: добавление различных веществ – коагулянтов (электролитов или неэлектролитов), длительный диализ, электрофорез, повышение температуры, действие света и др. высокочастотных электромагнитных колебаний, а также ультразвуковых колебаний, встряхивание и перемешивание. Гидрозоли могут коагулировать при взбалтывании с неполярными жидкостями (напр., бензин), частицы при этом собираются на границе раздела жидкостей. В аэрозолях (дымах и туманах) частицы несут на своей поверхности очень малые заряды или вовсе не заряжены, из-за чего в аэрозолях всегда идет самопроизвольная коагуляция. В промышленных условиях коагуляция дымов и др. аэрозолей производится путем фильтрации их через пористые материалы или с помощью электрических полей с высоким градиентом потенциала (электрофильтр Коттреля и др.). В практике очистки природных и сточных вод от коллоидов чаще применяется химический метод коагулирования, основанный на введении в систему электролита.

Наиболее изучена коагуляция, вызываемая электролитами. Коагулирующее действие электролитов связано со сжатием двойного электрического слоя на поверхности дисперсных частиц (уменьшением дзета-потенциала) и одновременным снижением лиофильности их поверхности. Наименьшая концентрация электролита, вызывающая коагуляцию за определённый (обычно короткий) промежуток времени, называется порогом коагуляции (γ). Для различных электролитов величины порогов коагуляции могут сильно варьировать. Теоретически показано, что отношения порогов коагуляции у одно-, двух- и трёх-зарядных ионов при прочих равных условиях обратно пропорциональны шестой степени величины заряда. В среднем можно считать, что концентрации электролитов, соответствующие порогу коагуляции, с однозарядными ионами в 60 раз выше, чем с ионами двухзарядными, и приблизительно в 750 раз выше, чем с ионами трехзарядными (правило Шульца и Гарди).

Коагуляции препятствуют электрический заряд частиц (электрический фактор устойчивости) и сольватация их поверхности (молекулярно - сольватационный фактор), а иногда – адсорбция на ней молекул поверхностно-активных и высокомолекулярных веществ - стабилизаторов (структурно-механический). Для коллоидных систем это явление получило название коллоидной защиты, которая обусловлена образованием структурно-механическогобарьера на поверхности частиц. Добавление высокомолекулярных веществ к лиофобным золям может привести иногда и к уменьшению устойчивости по отношению к электролитам (сенсибилизация) и даже к коагуляции. Снижение величины электрического заряда (или дзета-потенциала) коллоидных частиц и их сольватации (обычно изменения электрических свойств и сольватации поверхности частиц происходят одновременно) вызывает коагуляцию.

Коагуляция очень распространена в природных и техногенных дисперсных системах. Она играет важную роль в геологических и почвенных процессах, в биологических и метеорологических явлениях. Явления коагуляции представляют интерес в связи с вопросами агрегативной устойчивости многих дисперсных систем, напр. почв, коллоидных растворов, суспензий различных веществ и в том числе продуктов питания и лекарственных веществ. Коагуляцию широко применяют в разнообразных технологических процессах (напр., деэмульгирование нефти, очистка питьевой воды и воздуха с целью освобождения от взвешенных частиц и бактерий).