Электрокинетические явления в коллоидных системах.

Электрокинетические явления в коллоидно-дисперсных системах и связанное с этими явлениями наличие электрических зарядов у коллоидов открыл Ф. Ф. Рейсс (1808).

При дальнейшем изучении этих явлений обнаружилось, что они характерны для коллоидно-дисперсных систем. Движение частиц дисперсной фазы в электрическом поле к противоположно заряженному электроду получило название электрофореза.

Пытаясь определить причины поднятия уровня воды в цилиндре с отрицательно заряженным электродом, Рейсе поставил опыт. Он пропускал постоянный ток через прибор, состоящий из U-образной трубки (рис. 6.7), средняя часть которой была заполнена мелким кварцевым песком. В этом приборе кварцевый песок играл роль пористой диафрагмы. После включения электрического тока уровень воды в колене с отрицательным электродом начал повышаться, а в колене с положительным электродом Рис. 6.7 с положительным электродом — понижаться. Это продолжалось до тех пор, пока разность уров­ней в обоих коленах не достигла определенной величины. Многочисленные опыты показали, что, как и при электрофорезе, этот процесс протекает с постоянной скоростью. Причем количество перенесенной жидкости находится в прямой зависимости от приложенной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости и обратно пропорционально вязкости этой среды. Впоследствии явление переноса жидкости через пористые диафрагмы и узкие капилляры получило название электроосмоса.

В 1878 г. Дорн обнаружил другое электрокинетическое явление, которое заключалось в возникновении скачка потенциалов при механическом передвижении твердых частиц в жидкой фазе (в опытах Дорнa — при оседании крупинок песка в воде). Указанное явление обратно электрофорезу и получило название эффекта седиментации, а возникающий скачок потенциала — потенциала седиментации.

Явления электрофореза и электроосмоса широко используются в технике и производстве. Электрофорез применяется в фарфоровом производстве для выделения из суспензий глин чистого каолина. Наиболее мелкие отрицательно заряженные частицы каолина после тщательного взмучивания в воде осаждаются на вращающемся свинцовом барабане, заряженном положительно. Посторонние примеси в виде положительно заряженных частиц Fе₂О₃, а также более крупные частицы каолина уносятся проточной водой. С помощью электрофореза различные изделия покрывают тонким слоем каучука из латекса. При этом отрицательно заряженные частицы латекса движутся в электрическом поле к аноду (покрываемый предмет) и осаждаются на нем. За последние годы метод электрофореза нашел широкое применение в получении оксикатодов в радиолампах.

Очень большое распространение получил метод инженера Коттреля с применением электрофореза в борьбе с топочными дымами и производственными пылями, а также для улавливания в заводских трубах наиболее ценных отходов производства. В заводских трубах устанавливают специальные металлические стержни, на которые подается отрицательное напряжение (в десятки тысяч вольт). Частицы дыма и пыли имеют одноименный заряд со стержнем и отбрасываются от него с силой на поверхность трубы. Аналогичным способом очищаются газы от всевозможных примесей.

Методы электроосмоса применяются в фильтр-прессах для обезвоживания различных пористых материалов, например торфа, а также для пропитки пористых материалов (например, древесины). В последние годы электроосмос довольно широко применяют для понижения уровня грунтовых вод, а также для осушения грунтов, особенно глинистых, в анодной зоне. Частицы коллоидно-дисперсных грунтов заряжены, как правило, отрицательно. Если в такой грунт ввести два металлических электрода, один из которых (отрицательно заряженный) опустить в специально пробуренную скважину, вода под действием электрического поля будет перемещаться в скважину, откуда ее можно откачивать глубинным насосом.

Применяется электроосмос и в сельскохозяйственном производстве. В частности, сделана попытка использовать электроосмотическую подачу воды к лемеху плуга в целях уменьшения трения между плугом и почвой при пахоте. Благодаря этому, как показали исследования, эффект уменьшения трения достиг примерно 80%.

Электроосмос применяется также при производстве кирпича для смачивания проволоки, режущей глиняные заготовки. При этом проволоку соединяют с отрицательным, а брусок глины — с положительным полюсом.

Детальное исследование электрокинетических явлений коллоидно-дисперсных систем позволило сделать ряд общих выводов.

1). Все золи по знаку заряда их дисперсной фазы при явлениях электрофореза и электроосмоса могут быть разделены на положительно и отрицательно заряженные. Положительный заряд дисперсных частиц имеют гидрозоли таких гидроксидов, как Fe(OH)₃, Аl(ОН)₃, а также водные растворы основных красителей (метиленовый синий, метиленовый зеленый, основной фуксин) и др. Отрицательный заряд частиц дисперсной фазы имеют гидрозоли золота, серебра, платины, а также водные растворы кислых красителей (эозин, флуоресцеин, кислый фуксин).

2). Электрофорез и электроосмос в золях не являются процессами односторонними. Оба они представляют собой единство двух противоположных процессов.

3). При наличии определенных условий во многих случаях коллоидные частицы в золях могут перезаряжаться, т. е. менять свой знак заряда на обратный.

4). Величина и знак заряда, которые несет на себе коллоидная частица, также меняются в зависимости от концентрации самого золя и от концентрации (а также от природы) посторонних ионов, присутствующих в золях.