АНДРЕЕВ В.Г.
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Дисперсные системы относятся к гетерогенным системам и состоят из двух и
более фаз (1(. Одна из фаз является сплошной и называется дисперсионной
средой. Другие фазы раздроблены и распределены в первой; они называются
дисперсными фазами. Дисперсные системы, в которых дисперсионной средой
является вода, широко распространены в природе и играют важную роль в
технике (кровь живых организмов, грязевые потоки, суспензии в
производстве керамики и т.д.). Реологические свойства этих дисперсных
систем в значительной степени зависят от свойств межфазной границы
«вода – дисперсная фаза». Поэтому исследование этих зависимостей весьма
актуально при решении ряда задач по регулированию свойств дисперсных
систем.
При погружении частиц дисперсной фазы в водную среду происходит
специфическая адсорбция всегда присутствующих в воде ионов Н3О+ и OH- на
поверхность. Величины адсорбции ионов Н3О+ и OH- обусловлены
особенностям химического состава, кристаллической структуры и состояния
поверхности частиц дисперсной фазы. Свойства межфазных границ «вода –
дисперсная фаза» зависят также от поверхностного потенциала воды.
Известно, что в нейтральной среде поверхность воды имеет отрицательный
потенциал -450 мВ, несмотря на то, что концентрация ионов (Н3О+( равна
концентрации ионов (OH-( (2(. Ионы OH- по своему строению сильнее
отличаются от строения молекул воды, чем ионы Н3О+, что и объясняет их
повышенную поверхностную активность (рис.1). Поэтому, как правило,
поверхность частиц в дисперсных системах заряжается отрицательно, что
способствует снижению вязкости дисперсных систем благодаря уменьшению
сил межчастичного трения в результате действия кулоновских сил
взаимного отталкивания между частицами.
Рис.1. Схема строения иона Н3О+ , молекулы воды и иона OH-
Соотношение ионов Н3О+ и OH-, адсорбирующихся на поверхности воды, и,
следовательно, потенциал поверхности воды, зависят от исходного
соотношения ионов Н3О+ и OH- в воде, т.е. от кислотности (рН) водной
среды. Это подтверждается данными, приведенными на рис.2. Потенциал
поверхности дистиллированной воды определяли по методике, описанной в
работе (2(. Для изменения рН использовались водные растворы HCl и NaOH.
Увеличение рН (щелочная среда) вызывает увеличение доли адсорбированных
ионов OH- и, соответственно усиливает отрицательный заряд на поверхности
воды. В кислой среде происходит снижение и последующая инверсия
поверхностного потенциала. Величину рН, соответствующую нулевому
потенциалу поверхности воды (5,4), назовем точкой нулевого заряда (ТНЗ).
В технике часто приходится решать задачу получения стабильных
концентрированных дисперсных систем (суспензий, шликеров) с низкой
вязкостью. Это важно при операциях транспортировки дисперсных систем по
трубопроводам, измельчения, сушки, формования и т.д. При этом необходимо
предотвратить налипание дисперсных систем на стенки трубопроводов,
реакторов и рабочие поверхности технологического оборудования. Похожие
задачи встречаются и в медицине, например, снижения вязкости крови при
высоком содержании эритроцитов и предотвращения формирования
атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов.
1/43/4V
h
j
5
.на поверхности пластин стали и оргстекла происходит в кислой и
нейтральной средах. В основной среде налипания не происходит, а имеет
место даже “растворение” налипшей массы и очистка пластин. В щелочной
среде повышается седиментационная устойчивость суспензии и снижается
вязкость.
Концентрация адсорбированных ионов зависит от кривизны поверхности.
Вблизи поверхности частицы равновесная концентрация адсорбированных
ионов H3O+ повышена по сравнению с плоской поверхностью на величину [3]:
,
где С0 – концентрация адсорбированных ионов на плоской поверхности; Vр –
равновесный объем иона; R – универсальная газовая постоянная; T –
температура; (( – понижение поверхностной энергии при адсорбции; r –
радиус частиц.
Следовательно, потенциал поверхности частиц дисперсной фазы изменяется
быстрее потенциала поверхности пластины. Поэтому в кислой среде, как
правило, поверхность частиц имеет положительный потенциал, а на
поверхности пластины еще сохраняется отрицательный потенциал, что служит
причиной значительного возрастания налипания частиц к поверхности
пластины.
Известно, что значительную роль в стабилизации свойств крови играют
белковые вещества, являющиеся полиэлектролитами (альбумин, гепарин) и
другие полиэлектролиты (например, цитрат натрия предотвращает
сворачивание крови при хранении на воздухе) [4]. В технике также
используются полиэлектролиты для стабилизации и снижения вязкости водных
суспензий и шликеров [3]. Эффективность полиэлектролитов объясняется
формированием двойного электрического слоя на поверхности частиц
дисперсной фазы в результате адсорбции полиионов.
Использование полиэлектролитов для снижения вязкости суспензий может
значительно влиять на процессы налипания. В частности, аммонийные соли
поликислот (цитрат аммония, полиакрилат аммония и т.д.) неустойчивы и
могут разлагаться с выделением аммиака [3]. В результате в суспензиях
формируется кислая среда, значительно ускоряющая процессы налипания.
Поэтому в керамическом производстве предпочтительнее использование
устойчивых солей поликислот (например, триэтаноламиновые соли, натриевые
и т.д.). Причем, содержание щелочи должно несколько превышать
стехиометрический состав с целью формирования основной среды и
уменьшения налипания. В случае использования солей полиоснований
(полиэтилениминацетат, поливиниламин хлорид и т.д.) для формирования
основной среды количество вводимой кислоты должно быть меньше
стехиометрического состава.
В заключении следует отметить важную роль полученных результатов при
разработке лекарственных средств для снижения вязкости крови и
предотвращения формирования атеросклеротических бляшек. Эффективные
препараты можно создать с использованием полиэлектролитов,
обеспечивающие стабильность рН крови вблизи 7,36 благодаря большой
буферной емкости.
Рис.2. Влияние рН на потенциал поверхности воды
Рис.3. Зависимость массы налипшего слоя на поверхности пластин из стали
(1) и оргстекла (2) при их погружении в суспензию частиц оксида железа с
содержанием твердой фазы 70% масс. и средним размером часмтиц 1 мкм от
рН среды
Литература
Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем. – Л.: Издание Ленинградского
университета, 1981. – 172с.
Colacicco G. Electrical potential of the water surface // Chewm.
Scripta. 1988. V.28, N.2. p.141-144.
Анциферов В.Н., Гончар А.В., Андреев В.Г., Летюк Л.М., Салдугей А.М.,
Рябов И.Ф. Водорастворимые связующие вещества в технологии порошковых
ферритовых материалов.- Пермь: Изд-во ПГТУ, 1996.-189с.
Маркосян А.А. Нормальная физиология.- М.: Медгиз, 1955. -392 с.
PAGE
PAGE 2
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
