12.2.Ультрафильтрация.
Это процесс отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды путем фильтрования коллоидных растворов через полупроницаемые мембраны. При ультрафильтрации коллоидные частицы остаются на фильтре (мембране), а фильтрат, содержащий электролиты, переходит в растворитель. Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением. Разность давлений получают либо, создавая разряжение под фильтром (ультрафильтрация в вакууме), либо производя давление на фильтрующийся раствор (ультрафильтрация под давлением).
Для ультрафильтрации в вакууме применяют специальную воронку, которую на пробке вставляют в сосуд, соединенный с вакуумным насосом. В воронку, на дне которой находятся обыкновенный фильтр (пористая пластинка) и ультрафильтр (мембрана) наливают коллоидный раствор. Создается вакуум, благодаря которому ультрафильтрат проходит через поры фильтра, и дисперсная фаза остается в воронке. Если нужно провести фракционирование частиц коллоидного раствора, то применяют ультрафильтры с различной пористостью. Зная размер пор ультрафильтра можно провести приблизительную оценку размера частиц в отдельных фракциях.
1
2
3
Рис. 12.3. Схема воронки с ультрафильтром.
1 - мембрана
2 - пористая пластинка
3 – воронка
Для очистки применяют также метод электроультрафильтрации, представляющий собой ультрафильтрацию в электрическом поле.
Таблица 12.1.
Относительные скорости очистки коллоидных растворов.
Метод |
Относительные скорости удаляемого вещества удаляемого |
|
NaCl |
Сахар C6H12O6 Сахар C6H 0,3 1 2 ^ 14 14 |
|
Диализ |
1 |
0,3 |
Электродиализ |
163 |
2 |
Ультрафильтрация |
14 |
14 |
Электроультрафильтрация |
182 |
14 |
13. Молекулярно – кинетические свойства лиофобных коллоидов.
13.1. Броуновское движение.
В 1827 году английский ботаник Р.Броун заметил, что микроскопические частицы пыльцы и спор растений непрерывно и хаотически передвигаются в воде. Это движение, названное броуновским, вначале связывалось с жизненными процессами. Но затем было установлено, что оно свойственно любым мельчайшим частицам как органического, так и неорганического происхождения. Оно проявляется тем интенсивнее, чем выше температура и вязкость среды.
Истинный путь частицы при броуновском движении проследить в ультрамикроскоп невозможно. Коллоидная частица за 1 секунду успевает претерпеть десятки и сотни миллионов ударов молекул среды, и путь частицы изменяется по направлению до 1020 раз в 1 секунду. Глаз человека способен улавливать не более 10 изменений в 1 секунду и притом лишь в крупном масштабе. Поэтому, визуальное наблюдение за броуновским движением в ультрамикроскопе передает заметные сдвиги лишь как суммарный результат миллионов отдельных, не заметных для глаза сдвигов. В теорию броуновского движения было введено понятие средний сдвиг (смещение) Δ х. Он представляет собой проекцию расстояния между двумя положениями частицы А и В за время двух последовательных наблюдений. Для расчета обычно принимают среднеквадратичную величину, смещения (сдвига)
(17)
где, х1, х2, ..., хn – отдельные наблюдаемые смещению частицы;
n - число смещений.
А
B
x
а
б
х
Исследовав теоретически беспорядочное движение отдельных частиц А.Энштейн вывел формулу, связывающую коэффициент диффузии со среднеквадратичной величиной сдвига:
(18)
Для диффузии взвешенных в жидкости шаров малой величины (модель глобулярных коллоидных частиц) А. Энштейн вывел формулу:
(19)
где, D - коэффициент диффузии;
r - радиус частицы;
Na - число Авогадро;
- коэффициент вязкости дисперсной среды.
(20)
(21)
Рассматривая силу трения, действующую со стороны растворителя на диффузию молекул растворенного вещества, А.Энштейн предложил следующее соотношение:
D = kT / f (22)
где, k - постоянная Больцмана;
f - коэффициент трения для растворенных молекул, н * с/м.
Частица со стороны растворителя испытывает силу трения, или сопротивления, которая равна произведению f на скорость молекулы.
Дж. Стоке показал, что для сферической частицы
f = 6 r 0 (23)
где, 0 - вязкость растворителя;
r - радиус частицы
(24)
Уравнение (22) и (24) выражают физический смысл коэффициента диффузии. Величина kT - мера тепловой или кинетической энергии молекул; f или 0 – мера вязкостного сопротивления диффузии.
Отношение двух противоположных величин кинетической энергии и вязкости определяет насколько легко частица растворенного вещества диффундирует в растворе.