Физико-химические основы синтеза и применения тонкослойных неорганических сорбентов

Метод ультрафильтрации

Метод ультрафильтрации, так же как и метод диализа, позволяет непосредственно установить наличие в растворе частиц коллоидных размеров. В отличие от диализа при ультрафильтрации разделение ионной и коллоидной фракций происходит не посредством диффузии ионов через полупроницаемые мембраны, а путем пропускания раствора через ультрафильтры, обладающие различным диаметром пор. При этом коллоидные частицы размером, превышающим размер пор, задерживаются ультрафильтром.

Ультрафильтрация является более быстрым и удобным методом определения коллоидной формы радиоактивного изотопа, чем диализ. Кроме того, методом ультрафильтрации можно проще и с большей уверенностью установить соотношение ионной и коллоидной форм для микроконцентраций радиоактивных изотопов, находящихся в растворах.

В качестве ультрафильтров могут быть использованы мембраны, имеющие различный диаметр пор. В зависимости от размера пор для фильтрования применяют вакуум или проводят фильтрование под давлением. Ввиду того, что размеры коллоидных частиц радиоактивных изотопов, присутствующих в растворах в микроконцентрациях, могут быть очень малы (~1 нм), удобным ультрафильтром является целлофан с диаметром пор 1 – 3 нм. Для фильтрации раствора через целлофановые ультрафильтры процесс проводят под давлением 5 – 10 атм. Скорость фильтрации через целлофановый фильтр при давлении 5 – 8 атм. может достигать 1 – 1, 5 мл/час. Доля коллоидной формы может быть вычислена по формуле:

где А_уд.Ф и А_уд.Р – удельная активность фильтрата и раствора соответственно. Чтобы исключить влияние адсорбционных потерь радиоактивного изотопа внутри прибора и на фильтре, внутреннюю поверхность прибора, включая и поверхность ультрафильтра, насыщают радиоактивным изотопом, выдерживая активный раствор в приборе до наступления адсорбционного равновесия. Затем измеряется активность раствора в приборе и подается давление. За адсорбционным насыщением мембраны следят, измеряя активность последовательных порций фильтрата. При этом в случае наличия в растворе ионной формы радиоактивного изотопа наблюдается постепенное повышение удельной активности фильтрата с увеличением объема профильтрованного раствора, а затем, после установления адсорбционного равновесия внутри мембраны, величина удельной активности фильтрата становится постоянной (рис. 1.23, кривая 1). В случае коллоидного состояния радиоактивного изотопа (кривые 2 – 5) удельная активность фильтрата не увеличивается по мере пропускания раствора, а, напротив, может уменьшиться, что объясняется, по-видимому, кольматацией ультрафильтра, т. е. заполнением пор ультрафильтра осадком. Насыщение внутренней поверхности мембраны по отношению к радиоактивному изотопу, находящемуся в растворе в микроконцентрациях, достигается при ультрафильтрации быстрее, чем при диализе. Это связано с тем, что при диализе скорость проникновения ионов радиоактивного изотопа в глубь мембраны определяется скоростью диффузии, а при ультрафильтрации – скоростью фильтрования, которая значительно выше первой. Однако экспериментальные данные показывают, что в ряде случаев, когда условия для адсорбции радиоактивного изотопа внутри мембраны особенно благоприятны, насыщение, вероятно, не достигается даже при очень больших объемах раствора, пропущенного через ультрафильтр.

Рис. 1.23. Ультрафильтрация ⁹⁵Zr через целлофан при различных рН:

1 – 1, 0; 2 – 2, 6; 3 – 3, 7; 4 – 4, 75; 5 – 5, 35 [6].

При этом в результате адсорбции внутри мембраны удельная активность фильтрата остается все время меньше удельной активности внутреннего раствора, как если бы часть радиоактивного изотопа находилась в коллоидном состоянии.

Рис. 1.24. Распределение коллоидов циркония по размерам [10].

На рис. 1.24 приведены данные по распределению коллоидных частиц циркония по размерам в зависимости от рН, полученные методом ультрафильтрации через ядерные фильтры производства ОИЯИ (г.Дубна) с размером пор 0, 1; 0, 5; 1, 1 мкм.

Несмотря на ряд преимуществ метода ультрафильтрации по сравнению с методом диализа, основным затруднением в его применении является также влияние адсорбции, которое иногда очень трудно учесть или исключить.

Метод центрифугирования

Одним из свойств, характерных для коллоидов, является способность их осаждаться под действием силы тяжести. Седиментация коллоидов радиоактивных изотопов в стеклянных трубках была впервые изучена на примере изотопов полония, висмута и свинца, в дальнейшем для изучения состояния радиоактивных изотопов в растворе был предложен метод центрифугирования, во много раз усиливающий действие силы тяжести и ускоряющий процесс осаждения коллоидов. Размеры частиц могут быть определены по формуле

где r – радиус частиц; g – ускорение силы тяжести; – коэффициент внутреннего трения; x₁ и x₂ – начальное и конечное удаление частиц от оси вращения; – плотность частицы; ₀ – плотность среды; w – угловая скорость; t – продолжительность центрифугирования .