Физико-химические основы синтеза и применения тонкослойных неорганических сорбентов

Гетерокоагуляция широко используется в процессах водоподготовки и очистки сточных вод. В воду добавляют минеральные коагулянты: например, соли алюминия, железа, магния, кальция. Эти соли снижают агрегативную устойчивость системы, и частицы загрязняющих веществ выпадают в осадок. Эффективность очистки воды от коллоидных дисперсий определяется не только снижением электростатического барьера, а главным образом гетерокоагуляцией. Соли алюминия и железа образуют в результате гидролиза малорастворимые в воде гидроксиды, частицы которых приобретают избыточный положительный заряд, взаимодействуя с ионами водорода. Кроме того, гидроксиды выделяются преимущественно на частицах примесей, что также способствует укрупнению частиц и очистке раствора от примесей.

Гетерокоагуляции аналогичен процесс флокуляции, заключающийся в образовании рыхлых агрегатов (хлопьев), из частиц, не имеющих непосредственного контакта между собой, в результате собирающего действия высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами. Механизм действия флокулянтов заключается в их адсорбции на нескольких частицах с образованием полимерных мостиков, связывающих частицы между собой. При неоптимальных количествах флокулянта может наблюдаться, наоборот, стабилизация дисперсной системы. Флокулянты подразделяются на природные и синтетические, неорганические и органические, ионогенные, неионогенные и амфотерные. Из неорганических флокулянтов применяется активная кремниевая кислота. Природные органические флокулянты – крахмал, карбоксилметилцеллюлоза. Искусственные, например, полиакриламид – относительная молекулярная масса которого 10⁶, хорошо растворимый в воде. Катионные флокулянты, например, – четвертичные аммониевые соли на основе полистирола и поливинилтолулола.

Флокулянты применяются для осветления растворов, очистки воды от механических примесей. Они ускоряют процесс образования хлопьев и их осаждения, повышают плотность агрегатов и осадков.

Осаждение и прилипание (адгезия) дисперсной фазы на макроповерхностях тел, помещенных в дисперсную систему, лежит в основе процессов получения покрытий, пленок, модифицированных поверхностей.

Получение дисперсных систем

Существует два основных способа получения коллоидов: дисперсионный и конденсационный.

Дисперсионным способом, например, получают лиофильные коллоидные растворы при самопроизвольном распускании или растворении в подходящем растворителе. Для лиофобных характерны механические способы – дробление или истирание. Доступными дисперсными методами достичь весьма высокой дисперсности не удается. Системы с размерами частиц 10^-6 – 10^-7 см обычно получают конденсационными методами. Химическая конденсация – конденсационное выделение новой фазы из пересыщенного раствора, поэтому любая химическая реакция, идущая с образованием новой фазы может быть источником получения коллоидной системы. Условия образования коллоидной системы в результате образования труднорастворимых соединений рассмотрим в разделе, посвященном радиоколлоидам.

Образование и состав коллоидных гидроксидов металлов и их осадков может быть объяснен с точки зрения процессов оляции, оксоляции и замещения анионами. Известно, что чтобы гидрозоль оксида металла был устойчив, необходимо присутствие кроме ионов металла некоторых посторонних ионов. На поверхности диспергированных частиц возможна адсорбция посторонних ионов, в результате чего поверхность приобретает электрический заряд, и, принимая во внимание взаимное отталкивание одинаково заряженных частиц, можно объяснить устойчивость геля. Нейтрализация заряда вызывает флокуляцию, частицы золя окиси металла образуют агрегаты определенной химической структуры. Можно считать, что мицеллы таких золей представляют собой полимерные оловые или оксосоединения, в которых некоторые координационные места могут быть заняты анионами. Процессы, происходящие при формировании структур золей рассмотрим далее с точки зрения иерархической структуры, а макро характеристики, которые свидетельствуют о процессах, происходящих в золях оксидов металлов, следующие:

• Золи, приготовленные и подвергнутые процессу старения при комнатной температуре, становятся более кислыми. Это связано с процессами гидролиза высоко полимеризованных ионов.

• Золи, приготовленные при комнатной температуре, становятся более кислыми при нагревании. Обратные реакции после охлаждения золя протекают очень медленно, и первоначальное значение рН достигается лишь через несколько недель. Ясно, что вследствие нагревания золей повышается степень гидролиза, сопровождаемого процессами оляции и оксоляции, в то время, как обратная реакция протекает вследствие медленного превращения оксогрупп в оловые.

• рН золей, приготовленных при повышенной температуре, при старении при комнатной температуре медленно сдвигается в сторону более высоких значений. Ясно, что комплексы в таких золях содержат оксогруппы, которые медленно взаимодействуют с ионами водорода, образуя ол-группы.