Влияние поверхностного потенциала воды на реологические свойства дисперсных систем
Другие рефераты
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.
[pic]
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.
Известно, что кровь человека и других живых организмов имеет
щелочную реакцию. Отрицательный поверхностный потенциал поверхности воды
обеспечивает формирование отрицательного потенциала на стенках
кровеносных сосудов и поверхности эритроцитов. В результате снижается
вязкость крови и вероятность формирования атеросклеротических бляшек на
стенках кровеносных сосудов из-за возрастания кулоновских сил
отталкивания между отрицательно заряженными поверхностями. Аналогичные
явления наблюдаются и в суспензиях керамических порошков. Как видно из
данных, приведенных на рис.3, налипание суспензий Fe2O3 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]:
[pic],
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.
[pic]
Рис.2. Влияние рН на потенциал поверхности воды
[pic]
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
1. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем. - Л.: Издание Ленинградского
университета, 1981. - 172с.
2. Colacicco G. Electrical potential of the water surface // Chewm.
Scripta. 1988. V.28, N.2. p.141-144.
3. 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.
4. Маркосян А.А. Нормальная физиология.- М.: Медгиз, 1955. -392 с.
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
