Дайте определение коагуляции, порога коагуляции и коагулирующей способности электролита. Значение процессов коагуляции для жизнедеятельности организма
Нарушение агрегативной устойчивости коллоидной системы в сторону укрупнения частиц за счет их слипания под влиянием молекулярных сил притяжения называется коагуляцией (от лат.сгущение, свёртывание) . Коагуляцию коллоидов могут вызывать электролиты, изменения температуры, механические воздействия, изменение состава дисперсионной среды, электрический ток и др.
Электролитная коагуляция.
Основные правила коагуляции:
Все электролиты могут вызвать коагуляцию. Но коагулирующим действием обладает только тот ион, который противоположен заряду гранулы
Коагуляцию вызывает только определенная концентрация электролита.
Минимальная концентрация электролита, вызывающая быструю коагуляцию, называется порогом коагуляции (ПК).
Он выражается обычно в миллимолях на литр коллоидного раствора.
Коагулирующая способность электролита связана с валентностью ионов. Коагулирующий ион должен иметь заряд, противоположный заряду частиц.
Величина ПК зависит от величины заряда иона-коагулятора. Чем выше его валентность, тем меньшая концентрация электролита соответствует порогу коагуляции. Это правило Шульца – Гарди. Существует общая закономерность: с повышением валентности иона уменьшается концентрация добавляемого коагулирующего электролита, а соотношение порогов коагуляции для одно-, двух-, и трех-валентных ионов соответствует соотношению чисел: сотен, десятков и единиц.
Согласно правилу Шульце-Гарде, порог коагуляции (γ с) измеряется обратно пропорционально 6-степени валентности иона (в предельном случае)
γ с = k/Z 6 , k – коэффициент.
То есть, значения порогов коагуляции для одно-, двух-, и трехвалентных ионов как 1: (1/2) 6: (1/3) 6 = 1: 1/64: 1/729 = 729: 11: 1.
Порог коагуляции зависит от природы электролита и от валентности коагулирующего иона. Порог коагуляции вычисляют по формуле:
γ = СV(электролита)/(V(золя) + V(электролита)) (ммоль/л),
где С – концентрация электролита, ммоль/л; V - минимальный объем раствора электролита, при добавлении которого началась коагуляция золя, мл.
Коагулирующая способность ионов одинаковой зарядности увеличивается с возрастанием радиуса иона.
Коагулирующее действие электролита не сводится только к сжатию диффузного слоя. Одновременно протекает избирательная адсорбция на коллоидной частице тех ионов электролита, которые имеют заряд, противоположный грануле.
Механизм коагуляции электролитами
Происходит снятие электрического заряда, т.е. приведение коллоидной частицы в изоэлектрическое состояние(ζ = 0) и уменьшение гидратной оболочки коллоидной частицы.
В этом случае происходит сжатие диффузного слоя путем перехода противоионов из диффузного слоя в адсорбционный. При этом дзета-потенциал уменьшается, при ζ = 0 все коллоидные частицы седиментируют. Кроме этого происходит избирательная адсорбция на коллоидной частице тех ионов электролита, которые имеют заряд, противоположный грануле.
СУСПЕНЗИИ – это взвеси порошков в жидкости (почвы и грунты, глиняное тесто, цементные и известковые растворы, масляные краски). Разбавленные суспензии используются для крашения тканей, концентрированные – в строительстве. Размеры частиц суспензий больше, чем кол частицы. Суспензии одновременно и поглощают и рассеивают свет, седиментационно неустойчивы, не обнаруживают осмотического давления и броуновского движения, частицы видны в обычный микроскоп, не способны к диффузии. Как правило, на поверхности частиц образуется ДЭС или сольватная оболочка. -потенциал частиц имеет ту же величину, что и для типичных золей. Под влиянием электролитов суспензии коагулируют.
Агрегативноустойчивые суспензии пластичны. Агрегативно неустойчивые системы – хрупкие. Агрегативно неустойчивые системы можно сделать агрегативно устойчивыми при введении ПАВ (пример Al 2 O 3 в бензоле, сажи в воде).
Э мульсии – это дисперсные системы, в которых и дисперсная фаза, и дисперсионная среда - жидкие. Степень дисперсности обычных эмульсий не очень велика: радиус их частиц порядка 10 -3 – 10 -5 см. Обычные эмульсии - это микрогетерогенные системы, состоящие из двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых диспергирована в другой в виде весьма мелких капель. Обычно одна из фаз эмульсии - вода. Другой фазой может быть любая органическая жидкость, не смешивающаяся с водой: масло, бензол, бензин, керосин и др. Эту другую жидкость принято называть, независимо от ее химической природы, маслом. Кроме воды и масла, всякая устойчивая эмульсия обязательно содержит еще третий компонент, придающий ей агрегативную устойчивость, который называется эмульгатором. Вода и масло образуют эмульсии двух типов. Первый тип: вода – дисперсионная среда, масло – дисперсная фаза, это эмульсии масла в воде (М/В) – прямые эмульсии. Второй тип – эмульсии воды в масле (В/М) – обратные.
Различают эмульсии разбавленные и концентрированные. Разбавленные эмульсии (концентрация дисперсной фазы до 0,1 %) стабилизируются электролитами, создающими двойной электрический слой на поверхности эмульгированных капель. Они устойчивы без специальных эмульгаторов. Концентрированные эмульсии (концентрация дисперсной фазы > 1%) устойчивы только в присутствии специальных эмульгаторов, в качестве которых используются вещества, образующие на капельках эмульгированной жидкости прочную пленку, не разрывающуюся при столкновениях. Это ВМС, желатин, каучук, смолы и полуколлоиды – мыла.
Эмульгатор выбирается в соответствии с правилом: эмульсии М/В стабилизируются растворимыми в воде ВМС, например, белками, и водорастворимыми – гидрофильными мылами, например, олеатом натрия. Эмульсии В/М стабилизируются ВМС, растворимыми в углеводородах, наример, полиизобутиленом, олеофильными смолами и мылами с поливалентными катионами (олеатом кальция), не растворимыми в воде и растворимыми в углеводородах.
Эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74 % называют желатинированными. По физическим свойствам они отличаются от обычных. Обычные эмульсии – это жидкости, например, молоко, сливки; желатинированные – твердообразны, например, консистентные смазки, сливочное масло, маргарин, майонез, густые кремы.
Эмульсию одного типа можно превратить в эмульсию другого типа. Это явление называется обращением фаз в эмульсиях , оно достигается путем изменения природы эмульгатора.
Эмульсии получают механическим диспергированием дисперсной фазы в дисперсионной среде в присутствии соответствующего эмульгатора. Для диспергирования эмульгируемых жидкостей применяют сильное перемешивание, встряхивание, вибрации, что осуществляется с помощью специальных мешалок, коллоидных мельниц, ультразвука.
Самопроизвольное эмульгирование играет существенную роль в процессах, связанных с перевариванием и усвоением пищи животным организмом. При попадании, например, в кишечник жира сначала происходит самодиспергирование жира под влиянием ПАВ (холевых кислот), содержащихся в желчи, а затем полученная высокодисперсная эмульсия всасывается через стенку кишечника в организм.
К природным эмульсиям относится молоко, яичный желток, латекс – млечный сок каучуконосов, их которого получают натуральный каучук.
В пищевой промышленности к эмульсиям относятся не только молочные продукты, но и маргарин, майонезы, соусы. В фармацевтической промышленности многие лекарства применяются в виде эмульсий. Эмульсии битума в воде широко применяются при строительстве и ремонте дорог. В сельском хозяйстве многие гербициды, инсектициды и фунгициды применяются в виде эмульсий.
Пенами являются дисперсные системы, в которых дисперсная фаза – газ, а дисперсионная среда – жидкость, вытянутая в тонкие пленки. Другими словами, пены – это высококонцентрированные эмульсии газа в жидкости. Пенами являются многие строительные и изоляционные материалы (пенобетоны, пенопласты, пемзы), а также продовольственные товары (пастила, зефир, мусс и т.д.). Пены используются при огнетушении, процессах флотации.
Для получения устойчивой пены необходимы стабилизаторы – пенообразователи, в качестве которых могут использоваться поверхностно-активные ВМС, мыла и др. Молекулы пенообразователя адсорбируются на границе раздела фаз таким образом, что их гидрофобная часть (углеводородный радикал) направлена в сторону газовой фазы, а гидрофильная в воду. Гидрофильная часть молекулы гидратируется водой, образуя гидратные слои определенной толщины, защищающие пузырьки газа от слияния.
Пена может быть получена встряхиванием раствора пенообразователя в цилиндре или пропусканием воздуха через пористый фильтр, помещенный в раствор пенообразователя. Третий способ состоит в том, что струя раствора с определенной высоты падает на поверхность того же раствор, находящегося в цилиндре.
Время жизни пены определяется временем существования ее определенного объема с момента возникновения до полного разрушения или временем, за которое высота столба пены убывает в два раза.
Кратность пены – это отношение начального объема пены к объему раствора пенообразователя, израсходованного на образование этой пены.
Жидкую пену, стабилизированную мылом или ВМС, можно разрушить, добавив ПАВ, вытесняющее пенообразователь с поверхности пузырьков.
Если пленки жидкости, которые разделяют пузырьки газа в пене, способны отвердевать, то можно получить практически устойчивую твердую пену (пенобетон, микропористая резина и т.д.).
АЭРОЗОЛИ . Аэрозоли играют важную роль в метеорологии, в сельском хозяйстве (дождевание, борьба с вредителями), в военном деле (сигнальные и маскирующие дымы). Большинство топлива сжигается в распыленном виде. Тушение пожаров эффективнее проводить при помощи водяной пыли (водяной завесы).
Аэрозоли отличаются от лиозолей малой вязкостью дис среды и отсутствием стабилизирующей сольватной оболочки или ДЭС на поверхности дис частиц. Аэрозоли неустойчивы. Любой аэрозоль со временем разрушается. Грубодисперсные аэрозоли седиментируют. Высокодис аэрозоли разрушаются вследствие частых столкновений частиц между собой или со стенками сосуда (для природных аэрозолей с препятствиями: деревьями, зданиями и пр.). Частицы аэрозолей перемещаются не только под действием механических сил, но и под действием других градиентов: электрического потенциала (электрофорез); температуры (термофорез).
Заряд на частицах аэрозолей является случайной величиной и определяется захватом ионов газов из атмосферы. Оседание заряженных частиц приводит к возникновению потенциала оседания в вертикальном направлении (в атм десятки кВ/м). Скорость седиментации может быть усилена ветром и нисходящими воздушными течениями. При этом достигается напряженность поля, отвечающая пробою воздуха (диэлектрика), т.е. возникает молния.
Способы разрушения аэрозолей заключаются в фильтрации через пористые материалы, барботаже аэрозолей через жидкость, адсорбции частиц встречным потоком распыленной жидкости, осаждении искусственно заряженных аэрозольных частиц на электрофильтрах.
ПОЛУКОЛЛОИДЫ
Растворы ВМС представляют собой мономолекулярные лиофильные системы, термодинамически устойчивые и обратимые. Для разрушения системы необходимо уменьшить лиофильность за счет уменьшения активности дис среды, что приведет к уменьшению активности растворителя в сольватных слоях. Этого можно достичь при добавлении десольватирующих агентов, например, электролитов. Это явление называют высаливанием, при этом происходит борьба за воду между макромолекулами и ионами. В результате высаливания образуются волокна, хлопья, творожистые осадки.
ВМС всегда характеризуются некоторой усредненной массой М. Основными методами определения М являются методы осмометрии, диффузии, светорассеяния, ультрацентрифугирования и измерения вязкости. Многие набухшие или растворенные ВМС диссоциированы на ионы и представляют собой коллоидные электролиты.
Коллоидные электролиты могут существовать в виде отдельных полиионов. Например, молекула белка в растворе несет ряд ионных групп –СОО - или NH; в виде матрицы несущей фиксированные ионы одного знака, уравновешенные подвижными противоионами в ионообменных смолах. К полиэлектролитам близки мицеллы, возникающие в растворах ПАВ.
Способность дисперсных систем сохранять определенную степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.
Частицы дисперсной фазы сопротивляются слипанию за счет разных механизмов. Данная способность обусловлена во-первых образованием на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя,обеспечивающего электрическую стабилизацию дисперсной системы.Во-вторых, работаетмолекулярно-адсорбционный механизм стабилизации, заключающийся в образовании вокруг частиц слоёв адсорбции, состоящих из молекул дисперсной среды и растворённых в ней веществ. В-третьих, существует кинетический фактор устойчивости - малая частота столкновений дисперсных частиц.
Золи (коллоидные растворы) отличаются от грубодисперсных и молекулярных систем агрегативной неустойчивостью, поэтому они меняются как во времени, так и при добавках различных веществ.
Суть механизма очистки воды от взвешенных коллоидных частицсостоит в нарушении равновесного состояния системы - устранения баланса сил, не позволяющихчастицам осесть.
Для достижения этой цели использует процесс коагуляции коллоидных примесей (упрощённо - коагуляция воды).
Коагуляция - процесс слипания коллоидов в более крупные агрегаты, происходящее в результате их столкновенийприброуновском движении, смешении или направленном перемещении во внешнем силовом поле, добавлении коагулянтов. При этом происходит выпадение осадка - коагулята.
Коагулянты (обычно это растворимые соли железа или алюминия) интенсифицируютпроцесс коагуляции. Введение в воду этих веществ способствует образованию новой малорастворимой фазы (в результате гидролиза - взаимодействия вещества с водой). Таким образом, процесскоагуляции заключается в прогрессирующем укрупнении частиц и уменьшении их численности в объёме дисперсионной среды.
Коагуляция бывает медленная и быстрая. При медленной коагуляции только незначительная часть соударений частиц-коллоидов приводит их к слипанию, а коагулят не выпадает. При быстрой коагуляции каждое соударение обладает эффективностьюи влечёт слипание частиц, а в коллоидном растворе постепенно образуется осадок.
Минимальную концентрацию дозируемого вещества (электролита или не электролита), инициирующего процесс коагуляции в системе с жидкой дисперсионной средой, называют порогом коагуляции. При определенных условиях коагуляция обратима. Процесс перехода коагулята обратно в золь называютпептизацией, а провоцирующие этот процессвещества - пептизаторами. Пептизаторы, являясь стабилизаторами дисперсных систем, адсорбируются на поверхностичастиц, ослабляя взаимодействие между ними, в результате чего происходит распад агрегатов. Особенно эффективно возврат в первичное состояние проходитпри вводе в среду поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностную межфазную энергию и облегчающих диспергирование.
Коагуляция с применением солей железа
Рассмотрим, какие процессы протекают при добавлении в коллоидный раствор сульфата железа (III). Этот коагулянт в водном растворе диссоциирует на ионы железа и сульфат-ион :
Fe 2 (SO 4) 3 → 2 Fe 3+ + 3 SO 4 2-
Fe 3+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2+ + H +
Fe(OH) 2+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2 + + H +
Fe(OH) 2 + + H 2 O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + H +
Fe 3+ + 3H 2 O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + 3H +
Мицелла - структурная единица лиофобных (слабо взаимодействующих с жидкостью) коллоидов, не имеющая определенного состава. Схематически ее строение на примере мицеллы гидроксида железа (III) может быть изображено схемой:
{mFe(OH) 3 2nFe(OH) 2+ (2n - x) SO 4 2- }2x+ xSO 4 2-
Микрокристалл гидроксида железа,образующий коллоидную частицу (см. рисунок), избирательно адсорбирует из окружающей среды ионы, идентичные ионам его кристаллической решетки. В зависимости от химического состава раствора (избыток сульфат - ионов илиизбыток ионов железа) микрокристаллприобретает отрицательный или положительный заряд. Такой заряженный кристалл называется ядром мицеллы, а сообщают ему этот заряд потенциалопределяющие ионы.
Электрическое поле заряженной поверхности кристалла притягивает из раствора противоионы - ионы, несущие противоположный заряд. На границе раздела фаз образуется двойной электрический слой, толщину которого определяет внешняя граница облака противоионов.
Двойной электрический слой состоит из адсорбционой и диффузной частей. Адсорбционный слой включает в себя потенциалобразующие ионы и часть противоионов, адсорбированных на поверхности ядра. Диффузный слой достраивают остальные противоионы в количестве, способствующем электронейтральности мицеллы.
Двойной электрический слой, окружающий коллоиды, под воздействием коагулянтов (электролитов), перестраивается: противоионы начинают вытесняться из диффузной в адсорбционную часть, и толщина всего электрического слоя со временем уменьшается до толщины адсорбционного слоя. Дисперсные частицы попадают в область взаимного притяжения, инаступает быстрая коагуляция.
Коагуляция с применением солей алюминия
Чаще всего для очистки воды коагуляцией на отечественных станциях водоподготовки и вбассейнах используют 18-ти водный кристаллогидрат сульфата алюминия - Al 2 (SO 4) 3 . 18 H 2 O.
Процессы, протекающие при введении в воду солей алюминия, аналогичны вышеописанным при добавлении солей железа:
Al 3+ + H 2 O ↔ Al(OH) 2+ + H +
Al(OH) 2+ + H 2 O ↔ Al(OH) 2 + + H +
Al(OH) 2 + + H 2 O ↔ Al(OH) 3 ↓ + H +
Суммарное уравнение гидролиза:
Al 3+ + 3H 2 O ↔ Al(OH) 3 ↓ + 3H +
Образование осадка гидроксида алюминия происходит при значениях рН в диапазонеот 5 до 7,5. При рН < 5 осадок не образуется. При рН > 8,5 идет растворение образованного гидроксида алюминия с образованием алюминатов.
Al 2 (SO 4) 3 + 6 NaOH = 2 Al(OH) 3 ↓ + 3 Na 2 SO 4
Al(OH) 3 + NaOH = Na или (NaAlO 2 . 2H 2 O)
Современные коагулянты
Все большее распространение в процессах водоподготовкии очистки сточных вод получаюткоагулянты на основе полиоксихлорида алюминия.
Преимущества этих коагулянтов по сравнению с сульфатом алюминия:
Поставка в виде растворов, что делает более удобным их применение (не надо растворять);
Большее процентное содержание активного вещества;
Получение очищенной воды более высокого качества;
Сокращение объёма вторичных отходов;
Низкое остаточноесодержание алюминия (< 0,2 мг/л);
Не требуется корректировать рН;
Широкий диапазон рабочих температур.
Технические характеристики таких коагулянтов производства ОАО «АУРАТ»:
Контактная коагуляция
Один из вариантов очистки методом коагуляции - контактная коагуляция. Контактная коагуляцияпроисходит на зёрнах загрузки напорных вертикальных фильтров механической очистки. При этом введение коагулянта осуществляется непосредственно перед механическим фильтром. Зерна загрузки и частицы, адсорбированные на них, служат центрами коагуляции. Процесс хлопьеобразования в этом случае значительно ускоряется.
Протекание процесса коагуляции с более высокой скоростью и отсутствие необходимости в отстойниках для формирования и осаждения хлопьев осадка являются несомненными преимуществами контактной коагуляции.
К недостаткам контактной коагуляции относится ускоренное загрязнение напорных фильтров и потребность в частой регенерации загрузки, а также опасность проскока реагента в случае неправильного подбора режима коагуляции/фильтрования.
Чтобы проверить - осуществляется ли контактная коагуляция или нет, воду после механических фильтров проверяют на содержание коагулянта.
Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность реализации очистки воды с помощью коагулянтов для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman . Мы разработаем для Вас оптимальную технологическую схему очистки воды.
Коагуляция - процесс слипания коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов из-за потери коллоидным раствором агрегативной устойчивости.
Порог коагуляции - минимальное количество электролита, которое надо добавить к коллоидному раствору, чтобы вызвать явную коагуляцию (заметную на глаз) - помутнение раствора или изменение его окраски.
спк = сэл·Vэл / Vкр+Vэл
где с эл - исходная концентрация раствора электролита; V эл - объем раствора электролита, добавленного к коллоидному раствору; V кр - объём коллоидного раствора.
Коагулирирующая способность - величина обратная порогу коагуляции, подчиняется правилу Шульце-Гарди.
Коллоидная защита, ее роль в жизнедеятельности. Пептизация, биологическая роль
Коллоидная защита - повышение агрегативной устойчивости лиофобных золей при добавлении к ним ВМС.
Механизм заключается в том, что вокруг мицелл коллоидного раствора образуются адсорбционные оболочки из гибких макромолекул ВМС, которые дифильны и их гидрофобные участки обращены к частицам дисперсной фазы, а гидрофильные фрагменты обращены к воде.
При этом система лиофилизируется, мицеллы приобретают дополнительный фактор агрегативной устойчивости за счет собственных гидратных оболочек из макромолекул ВМС.
- · хорошая растворимость ВМС в дисперсной среде коллоидного раствора и адсорбируемость молекул на коллоидных частицах;
- · достаточно большая концентрация.
Таким образом, белки крови препятствуют выпадению в осадок и выделению на стенках кровеносных сосудов малорастворимых холестерина и солей кальция, также препятствуют образованию камней в мочевыводящих и желчновыводящих путях.
Пептизация - процесс, обратные коагуляции, т.е. превращение осадка, образовавшегося в результате коагуляции, в устойчивый коллоидный раствор.
Проводится двумя путями:
- 1. промывание коагулята чистым растворителем (ДС);
- 2. добавление специального электролита-пептизатора.
Условия эффективной пептизации:
- · к пептизации способны только свежеполученные осадки;
- · необходимо добавление небольших количеств электролита-пептизатора;
- · пептизации способствуют перемешивание и нагревание.
Данный процесс лежит в основе рассасывания атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов, почечных и печеночных камней или тромбов кровеносных сосудов.
Лиофобные коллоидные растворы, как термодинамически неустой-чивые системы, могут разрушаться самопроизвольно или под влиянием внешних воздействий. Разрушение коллоидных растворов начинается с их коагуляции
Коагуляция – процесс объединения коллоидных частиц с образова-нием более крупных агрегатов из-за потери коллоидным раствором агрегативной устойчивости.
В результате коагуляции укрупненные частицы дисперсной фазы легко седиментируют, и происходит расслоение системы. Таким образом, причиной коагуляции является потеря агрегативной устойчивости колло- идным раствором, а следствием коагуляции – уменьшение его седимента- ционной устойчивости. Практически коагуляцию можно вызвать различными внешними воздействиями:
Ø добавлением небольших количеств электролита,
Ø концентрированием коллоидного раствора,
Ø изменением температуры,
Ø действием ультразвука, электромагнитного поля и др.
При коагуляции происходит нарушение агрегативной устойчивости коллоидных систем в сторону укрупнения частиц (рис.28), и золь разделя- ется на две самостоятельные фазы (жидкую и твердую). Явление коагуляции лежит в основе многих физиологических и па- тологических процессов, протекающих в живых системах: гемостаз (свер- тывание крови при повреждениях), коагуляция белков тканей при ожогах и т.д. Коагуляция коллоидных растворов фосфата кальция холестерина в крови приводит к образованию осадков и отложению их на стенках сосу- дов (склеротические изменения сосудов). В биологических системах наибольшее практическое значение имеет коагуляция при добавлении небольших количеств электролита, поскольку золи клеток находятся в соприкосновении с электролитами. Однако для каждого электролита необходима своя минимальная концентрация, назы- ваемая порогом коагуляции золя электролитом (с пк).Порог коагуляции – минимальная концентрация электролита, кото- рую надо добавить к 1 л золю, чтобы вызвать явную коагуляцию (заметную на глаз) – помутнение раствора или изменение его окра- ски. Порог коагуляции можно рассчитать по формуле: , где с эл – исходная концентрация раствора электролита; V эл – объем раство- ра электролита, добавленного к золю; V золя – объем исходного золя. эл золя эл эл пк V V V с с 8 9
Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующим действием и определяют по формуле: , Коагулирующее действие электролитов на коллоидные растворы с ионным стабилизатором подчиняется правилу Шульце – Гарди : & Коагуляцию золей вызывают любые ионы, которые имеют знак заряда, противоположный заряду гранул. Коагулирующая способ- ность ионов тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулянта. Коагулирующее действие иона-коагулянта прямо пропорционально его заряду в шестой степени: = f (z6). Если к золю, имеющему строение коллоидных частиц: {mAgI nI– (n–x)К+}x– xК+, добавить растворы NaCl, CaCl2, AlCl3, то коагулирующее действие катионов будет резко возрастать: (Na+) : (Ca2+) : (Al3+) = 1: 64: 729. В настоящее время установлены отклонения от правила Шульце- Гарди. На порог коагуляции кроме заряда иона-коагулянта влияет радиус этого иона и природа иона, сопутствующего иону-коагулянту. Влияние электролитов на коагуляцию коллоидных растворов необ- ходимо учитывать при введении растворов солей в живые организмы. При этом важно понимать, что имеет значение не толко концентрация электро- лита, но и заряд иона. Так, изотонический 0,9%-ный раствор NaCl нельзя заменить изотоническим раствором MgCl2, так как двухзарядные ионы обладают более высоким коагулирующим действием, чем однозарядные. ПК с1
Вводить растворы электролитов внутривенно или внутримышечно необходимо очень медленно, чтобы не вызвать коагуляцию. При бы- стром введении из-за медленной скорости диффузии может произой- ти локальное накопление электролита, превышающее пороговую кон- центрацию, что приведет к коагуляции биосубстратов. При медлен- ном введении электролит уносится с током крови, диффундирует в соседние ткани. Пороговая концентрация при этом не достигается и коагуляция не наступает. В живых тканях это явление называется «привыкание». На практике коагуляция часто вызывается действием смесями элек- тролитов . Аддитивность – это суммирование коагулирующего действия ио- нов, вызывающих коагуляцию. Аддитивное действие проявляется в тех случаях, когда электролиты, содержащие коагулирующие ионы, не взаимодействуют химически между собой и действуют независимо друг от друга. Это явление наблюдается в том случае, когда ионы-коагулянты обладают одинаковым зарядом и близкой степенью гидратации. Например, смесь солей KCl и NaNO3 про-являет аддитивное действие по отношению к коллоидным растворам как с отрицательно, так и с положительно заряженными гранулами. В первом случае коагуляцию вызывают катионы К+ и Na+, во втором – анионы Cl– и NO3–. Антагонизм – это ослабление коагулирующего действия одного электролита в присутствии другого. Наблюдается в том случае, если электролиты в смеси взаимодейст-вуют между собой и коагулирующие ионы связываются в нерастворимые соединения (выпадают в осадок) или образуют прочный комплескс, кото-рый не обладает коагулирующей способностью. Например, коагулирую-щее действие Pb2+ относительно отрицательно заряженных гранул ослаб-ляется в присутствии NaCl, так как образуется осадок хлорида свинца: Pb2+ + 2Cl– PbCl2. Синергизм – это усиление коагулирующего действия одного элек-тролита в присутствии другого. Это возможно в том случае, если между электролитами в смеси про-исходит химическая реакция, в результате которой образуется многоза-рядный ион, обладающий более высокой коагулирующей способностью. Например, коагулирующее действие FeCl3 и KCNS по отношению к положительно заряженным гранулам коллоидного раствора значительно усиливается за счет реакции образования многозарядного комплексного аниона, обладающего высокой коагулирующей способностью: Fe3+ + 6CNS– 3–. Гетерокоагуляция – коагуляция коллоидных растворов, содержа-щих разнородные частицы, отличающиеся по химической природе, знаку или величине заряда. Частным случаем гетерокоагуляции является взаимная коагуля-ция . Если к золю с отрицательно заряженными частицами добавить золь с положительно заряженными частицами, то произойдет их взаимная коагу-ляция. На многих водоочистительных станциях к воде, содержащей отри-цательно заряженные органические смеси, добавляют положительно за-ряженные золи гидроокиси алюминия или железа. После взаимной коагу-ляции образовавшиеся хлопья легко отфильтровываются на песчаных фильтрах. Самопроизвольная коагуляция многих золей часто протекает мед-ленно. Ее можно ускорить, повышая скорость движения частиц, что помо-гает им преодолевать расклинивающее давление. Ускорения движения частиц можно добиться, например, повышением температуры раствора. Повышением концентрации золя также можно ускорить его коагуляцию, поскольку с увеличением концентрации растет число эффективных столк-новений между коллоидными частицами. Процесс коагуляции очень чувствителен к добавлению электроли-тов. Небольшие количества электролитов могут резко его ускорить. Сле-довательно, с одной стороны, электролиты необходимы для стабилизации золей, а с другой – их избыточное добавление ведет к коагуляции золей. Влияние различных электролитов на этот процесс неодинаково. Как видно, первые порции электролита не вызывают ви-димых глазом изменений золя. При этом начинается образование частиц низших (I, II, III) порядков, которое протекает незаметно для невооружен-ного глаза, и называется поэтому скрытой коагуляцией .
Дальнейшее увеличение концентрации электролита ведет к прогрес-сивному развитию коагуляции, повышению ее скорости и сопровождается появлением частиц более высоких порядков. Золь претерпевает видимые изменения: он мутнеет или изменяется его окраска. При этом величина ξ-потенциала частиц уменьшается. Эта стадия процесса называется явной коагуляцией . Переход скрытой коагуляции в явную называется порогом коагуляции . Явная коагуляция в свою очередь делится на два периода: медленную коагуляцию , при которой всякое увеличение концентрации электролита ускоряет коагуляцию и быструю коагуляцию , когда даль-нейшее повышение концентрации электролита уже не влияет на ее ско-рость, т.е. коагуляция протекает с максимальной быстротой. При медленной коагуляции не все столкновения коллоидных частиц в золе оказываются эффективными, и оканчиваются объединением частиц, а при быстрой коагуляции все столкновения приводят к их объединению. При коагуляции вместе с уменьшением числа частиц и их укрупне-нием происходит изменение ряда свойств растворов: понижается скорость диффузии и фильтрации частиц, увеличивается скорость седиментации, меняется интенсивность рассеянного света, а вместе с тем и окраска рас-творов и т.п. Механизм коагуляции Электролитная коагуляция заключается в уменьшении расклини-вающего давления тонкого слоя жидкости, что может происходить вслед-ствие: а) уменьшения заряда поверхности твердой фазы и, как следствие, уменьшения межфазного и затем электрокинетического потенциалов; б) уменьшения толщины ионных атмосфер диффузных слоев, и, как следствие, уменьшения дзета-потенциала. В связи с этим по механизму различают два вида коагуляции:
Нейтрализационная коагуляция наступает под действием электро-лита, который химически взаимодействует с потенциалопределяющими ионами, связывая их в прочное соединение (например, в осадок) и тем са-мым уменьшая заряд поверхности ядра. Например, при добавлении К2S к коллоидному раствору AgI с поло-жительно заряженными гранулами (потенциалопределяющие ионы Ag+), между ионами-коагулянтами S2– и потенциалопределяющими ионами Ag+ происходит реакция с образованием осадка Ag2S, что приводит к разру-шению мицеллы AgI. В результате связывания потенциалопределяющие ионы Ag+ умень-шается межфазный потенциал φ мф и число противоионов NO3-, необходи-мых для компенсации заряда поверхности ядра. Таким образом, ионная атмосфера становится тоньше, снижается расклинивающее давление, что приводит к слипанию частиц. Концентрационная коагуляция наступает под действием электро-лита, который химически не взаимодействует с ионами стабилизатора и не изменяет заряд поверхности ядра мицеллы. Коагулирующее действие про-являют те ионы электролита, которые являются противоионами для дан-ных мицелл. Концентрационная коагуляция происходит при неизменном значении межфазного потенциала φ мф, но сопровождается уменьшением электрокинетического дзета-потенциала (ξ) .
Коагуляционные процессы часто происходят в природе, например, в местах впадения рек в моря. В речной воде всегда содержатся коллоидные частицы ила, глины, песка или почвы.
При смешивании речной воды с соленой морской (содержащей бóльшее количество электролитов) начинается коагуляция этих частиц, а уменьшение скорости течения воды способствует оседанию их в устье рек, в результате чего образуются мели и острова.
Коагуляцию широко используют при очистке воды, поступающей в водопроводную сеть. Для этого в нее добавляют сульфаты алюминия и железа(III), которые, являясь хорошими коагулянтами, кроме того, гидролизуются с образованием золей гидроксидов металлов. Частицы этих золей обычно имеют заряд, противоположный знаку заряда гранул, присутствующих в воде. В результате происходит взаимная коагуляция золей и их осаждение.
Коллоидные растворы содержатся в сточных водах многих производств: например, устойчивые эмульсии нефтепродуктов, различных других органических жидкостей. Их разрушают обработкой сточных вод солями щелочноземельных металлов.
В сахарной промышленности коагуляционные процессы используются при очистке сока сахарной свеклы. В состав его, помимо сахарозы и воды, входят несахаристые вещества, часто в коллоидно-дисперсном состоянии. Для их удаления в сок добавляют Са(ОН) 2 . Его массовая доля при этом обычно не превышает 2,5%. Примеси, находящиеся в коллоидном состоянии, коагулируют и оседают. Для удаления из сока избытка Са(ОН) 2 через него пропускают углекислый газ. В результате образуется осадок СаСО 3 , который увлекает за собой из раствора многие растворимые примеси.
Процессы коагуляции играют существенную роль в живом организме, т.к. биологические жидкости содержат в своем составе коллоидно-дисперсные частицы, находящиеся в соприкосновении с растворенными электролитами. В норме данные системы обычно находятся в состоянии равновесия и коагуляционные процессы в них не протекают. Но это равновесие можно легко нарушить при внесении извне дополнительного количества электролита. Причем, вводя его в организм, надо учитывать не только его концентрацию в биологической жидкости, но и заряд ионов. Так, изотонический раствор NaCl нельзя заменить изотоническим раствором MgCl 2 , поскольку в этой соли, в отличие от NaCl, содержатся двухзарядные ионы Mg 2+ , обладающие более высокой коагулирующей способностью, чем ионы Na + .
При введении в кровяное русло смеси солей следует предварительно убедиться, что эта смесь не обладает синергическим действием, во избежание вредной для организма коагуляции.
Решение многих проблем в медицине: протезирование кровеносных сосудов, клапанов сердца и т.д. – зависит от процессов свертывания крови. Их можно рассматривать как коагуляцию эритроцитов. В хирургии во время операций в кровь вводят антикоагулянты (гепарин, модифицированный декстран, полиглюкин). После операций и в случае внутренних кровотечений, наоборот, – электролиты, способствующие протеканию коагуляции: капроновую кислоту, протамин-сульфат.
Для диагностики многих заболеваний в клинических лабораториях определяют скорость оседания эритроцитов (СОЭ). При различных патологиях по ряду причин коагуляция эритроцитов усиливается, и скорость их оседания становится большей, по сравнению с нормой.
Образование желчных, мочевых и других камней в организме также связано с усилением при патологических состояниях коагуляции холестерина, билирубина, солей мочевой кислоты вследствие ослабления естественного защитного действия. Изучение механизма этих процессов крайне важно для выработки путей лечения данных заболеваний.