1. Дисперсные системы.
Доц. к.т.н. Петрова Елена Александровна
Московский Государственный Строительный
Университет

2. Основные вопросы
1. Классификация дисперсных систем. Виды коллоидных систем. Особенности и
свойства коллоидных систем.
2. Устойчивость, коагуляция и стабилизация коллоидных систем. Строение частиц
дисперсной фазы (мицелл).
3. Седиментация.
4. Использование закономерностей коагуляции при обработке природных вод.

3. Основные понятия
3. Дисперсные системы.
Дисперсные системы
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде
очень мелких частиц равномерно распределено в объёме другого.
Компонеты дисперсных систем
Дисперсионная среда Дисперсионная фаза
Выполняет роль Выполняет роль
растворителя растворимого вещества

4. Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям фаз
Распределенное Среда Условное Пример
вещество обозначение
газ газ Г+Г Смесь газов
жидкость газ Ж+Г туман
Твердое вещество газ Т+Г дым
Газ жидкость Г+Ж Кислород в воде,
пены
Жидкость жидкость Ж+Ж Спирт в воде
Твердое вещество жидкость Т+Ж Соль в воде
газ Твердое вещество Г+Т Раствор водорода в
палладии
жидкость Твердое вещество Ж+Т Жемчуг
(мельчайшие капли
воды распылены в
массе карбоната
кальция)
Твердое вещество Твердое вещество Т+Т сплавы

5. Классификация дисперсных систем по степени раздробленности (дисперсности)
Размер частиц название Устойчивость
> 10-5 м грубодисперсные Эти системы неустойчивы, т.к.
размер частиц велик по
сравнению с размерами
молекул. Распределенное
вещество быстро оседает или
поднимается вверх. Такие
малоустойчивые системы
называются взвесями.
от 10-5 до 10-7 м тонкодисперсные Устойчивые коллоидные
(микрогетерогенные) растворы (золи).
от 10-7 до 10-9м Коллоидные Очень устойчивые системы, не
(ультрамикрогетерогенные) разделяются при долгом
стоянии. Называются
молекулярными или истинными
растворами.
Например: газированная или
морская вода

6. В зависимости от агрегатного состояния распределенного
вещества взвеси подразделяются на:
взвеси
Суспензии Эмульсии
Образуются при распределении Состоит из двух несмачивающихся
твердых частиц в жидкости жидкостей (растительное масло в воде,
Например: Например:
краски, пасты, золи, латексы молоко, нефть, сливочное масло,
маргарин

7. Коллоидные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых
составляет 10-7 – 10-9 м.
Коллоидные системы характеризуются гетерогенностью, т.е. наличием поверхностей
раздела фаз и очень большим значением удельной поверхности дисперсной фазы.
Коллоидные системы
Лиофобные коллоидные Лиофильные коллоидные
растворы растворы
К лиофобным коллоидам относятся системы, в растворы высокомолекулярных соединений
которых частицы дисперсной фазы слабо (ВМС)
взаимодействуют с дисперсионной средой;
Растворы ВМС образуются самопроизвольно
эти системы могут быть получены только с благодаря сильному взаимодействию частиц
затратой энергии и устойчивы лишь в дисперсной фазы с дисперсионной средой и
присутствии стабилизаторов. способны сохранять устойчивость без
стабилизаторов.
Структурная единица - сложный
многокомпонентный агрегат переменного
состава – мицелла Структурная единица - макромолекула

8. Методы получения лиофобных коллоидов
Дисперсионные
методы Методы Метод пептизации
конденсации
основаны на
раздроблении процесс
Основаны на
твердых тел до расщепления
понижении
частиц коллоидного коагулировавшего
растворимости
размера золя на первичные
компонентов
частицы –
процесс, противопол
Метод замены
ожный коагуляции.
растворителя
Методы
химической
конденсации

9. Метод замены растворителя
Сущность метода:
Вещество, находящееся в молекулярно-дисперсном состоянии, можно перевести в
коллоидное состояние при замене одного растворителя другим.
В качестве примера можно привести получение золя канифоли, которая не
растворяется в воде, но хорошо растворима в этаноле.
При постепенном добавлении спиртового раствора канифоли к воде происходит
резкое понижение растворимости канифоли, в результате чего образуется
коллоидный раствор канифоли в воде.

10. Метод химической конденсации
Сущность метода:
Метод основан на проведении химических реакций, сопровождающихся
образованием нерастворимых или малорастворимых веществ.
Для этой цели используются различные типы реакций –
разложения, гидролиза, окислительно-восстановительные и т.д.
Так, красный золь золота получают восстановлением натриевой соли золотой
кислоты формальдегидом:
Золи могут быть получены результате реакций ионного обмена, в результате которых
выделяется нерастворимая соль.
Например, золь иодида серебра

11. Процесс гидролиза различных солей может приводить к
образованию коллоидных растворов нерастворимых
гидроксидов или кислот;
например, золь гидроксида железа(III)
Реакция:
1) FeCl3+ HOH = FeOHCl2 + HCl
2) FeOHCl2 + HOH = Fe(OH)2Cl+ HCl
3) Fe(OH)2Cl + HOH = Fe(OH)3 + HCl
По реакции гидролиза
солей

12. Строение мицелл коллоидных растворов и
способы их образования
Мицеллой называется коллоидная частица с прилегающим к ней слоем ионов.
Мицелла в целом электронейтральна, а коллоидная частица заряжена.
Механизм образования мицелл
за счет избирательной адсорбции за счет ионизации
избыточных ионов
Когда между молекулами малорастворимого вещества и
растворителем существует хорошее взаимодействие,
Мицелла образуется засчет адсорбции из коллоидные частицы могут образовываться за счет ионизации
этих молекул. Так, при образовании коллоидного раствора
раствора и удерживании на поверхности кремниевой кислоты молекулы воды взаимодействуют с
молекулами кремниевой кислоты, при этом один ион водорода
избыточных ионов, одноименных с переходит от кремниевой кислоты к молекуле воды:
ионами, входящими в состав ядра. H2SiO3 + H2O = HSiO3─ + H3O+,
или в упрощенном виде H2SiO3 = H+ + HSiO3─
Ядром мицеллы в этом случае будут нерастворимые
молекулы кремниевой кислоты, потенциалопределяющими
Здесь справедливо правило Панета-Фаянса. ионами – гидросиликат-ионы, оставшиеся после того, как ионы
водорода переместились к молекулам воды. Противоионами
будут ионы водорода.
[mH2SiO3∙nHSiO3─∙(n-x)H+]─x xH+

13. Образование коллоидной мицеллы за счет избирательной
адсорбции избыточных ионов
Рассмотрим строение коллоидной частицы (мицеллы) и
образование в ней двойного электрического слоя на примере
золя иодида серебра AgI. Этот золь можно получить при
взаимодействии иодида калия KI с нитратом серебра AgNO3:
AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3.
Здесь возможны 2 случая:
1) [AgNO3] > [KI]. В избытке нитрат серебра
2) [AgNO3] < [KI]. В избытке йодид калия

14. Правило Панета - Фаянса
Потенциалопределяющий ион
должен отвечать двум
требованиям:
находиться в избытке
должен входить в состав ядра.

15. 1. [AgNO3] > [KI]. В избытке нитрат серебра
AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3 Ag+ - потенциалоопределяющий ион
- -
- - Диффузный слой
- -
- - + + +
- - противоионов
-
- - + AgI +
+ +
- Адсорбционный слой
- - + + - -
противоионов
- -
- -
-
ядро
{ [AgI]m nAgI+ (n-x)NO3- }х+ хNO3- Гранула заряжена положительно.
Ядро Адсорбционный слой Диффузный слой
В целом мицелла электронейтральна
Гранула

16. 1. [AgNO3] < [KI]. В избытке йодид калия
AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3 I– - потенциалоопределяющий ион
+ +
+ + Диффузный слой
+ +
+ +- - +- + противоионов
+
+ + - AgI -
- -
+ Адсорбционный слой
+ + - - + +
противоионов
+ +
+ +
+
ядро
{[AgI]m nI- (n-x)K+ }х- . хK+ Гранула заряжена отрицательно.
Ядро Адсорбционный слой Диффузный слой
В целом мицелла электронейтральна
Гранула

18. Между "+" заряженной гранулой и диффузионным слоем возникает двойной
электрический слой - разность потенциалов, названная электрокинетическим
потенциалом или дзета-потенциалом ζ.
Это составная часть термодинамического потенциала ε - разности потенциалов между
зарядом потенциалопределяющих ионов и всех противоионов адсорбционного и
диффузионного слоев.
ζ<ε.
К - const, зависящая от формы частиц (для сферических равна 6, для цилиндрических - 4);
η - вязкость среды;
D - диэлектрическая const среды;
Е - градиент электрического поля;
u - средняя скорость частиц под действием электрического тока.
Если гранула не имеет заряда, ζ = 0. Такое состояние коллоидной системы называется
изоэлектрическим.
Значение ζ зависит от количественного распределения противоионов между вторым
адсорбционным слоем и диффузионным слоем.
Чем меньше противоионов в адсорбционном слое, тем больше ζ и тем ближе он становится по
значению к ε.

19. Напишите формулу мицеллы золя, если в избытке
хлорид железа.
FeCl3 + 3NaOH Fe(OH)3 + 3NaCl
Потенциалоопределяющий ион Fe3+
Противоионы адсорбционного слоя Cl-
Противоионы диффузного слоя Cl-
По правилу Панета-Фаянса адсорбироваться на поверхности Fe(OH)3 будут
ионы Fe3+ - это потенциалопределяющие ионы.
Формула мицеллы:
m Fe(OH)3 Fe3+3 (n-x)Cl- +3x3xCl-

20. Напишите мицеллу золя. В избытке HJ
Pb(NO3)2 +2HJ = PbJ2↓+2HNO3
Потенциалоопределяющий ион J-
Противоионы адсорбционного слоя H+
Противоионы диффузного слоя слоя H+
По правилу Фаянса-Панета адсорбироваться на поверхности PbJ2 будут
ионы H + - это потенциалопределяющие ионы.
Формула мицеллы:
mPbJ2nJ-(n-x) H+ -xH+

21. Напишите формулу мицеллы золя, если в избытке
Cu(NO3)2.
Cu(NO3)2 + 2NaOH Cu(OH)2 + 2NaNO3
Потенциалоопределяющий ион Cu 2+
Противоионы адсорбционного слоя NO3-
Противоионы диффузного слоя слоя NO3-
По правилу Фаянса-Панета адсорбироваться на поверхности Cu(OH)2 будут
ионы Cu 2+ - это потенциалопределяющие ионы.
Формула мицеллы:
{m Cu(OH)2 nCu2+2(n-x)NO3- 2+2xNO -
3

22. Золь кремниевой кислоты был получен при
взаимодействии растворов K2SiO3 и HCl. В избытке
HCl
K2SiO3 + 2HCl H2SiO3 + 2KCl
Потенциалоопределяющий ион H+
Противоионы адсорбционного слоя Cl-
Противоионы диффузного слоя слоя Cl-
По правилу Фаянса-Панета адсорбироваться на поверхности H2SiO3 будут
ионы H + - это потенциалопределяющие ионы.
Формула мицеллы:
m H2SiO3 nH+(n-x) Cl- +xnCl-

23. Свойства коллоидных растворов
Коллоидные растворы благодаря особому строению коллоидных частиц имеют
особые оптические и электрические свойства.
Оптические свойства коллоидных растворов

25. Электрические свойства коллоидных растворов
Коллоидные частицы заряжены, поэтому в электрическом поле наблюдаются особые
электрокинетические явления: электрофорез и электроосмос.
Если в коллоидный раствор погрузить два
электрода и подключить их к источнику
постоянного тока, то коллоидные частицы
начнут перемещаться к электроду, имеющему
заряд, противоположный заряду коллоидной
частицы.
Явление перемещения коллоидных частиц в
электрическом поле к одному из
электродов называется электрофорезом.
Явление переноса дисперсионной среды
через капиллярно-пористую мембрану под
действием постоянного электрического
тока называется электроосмосом.

26. Электрофорез
Электрофорез – явление перемещения частиц дисперсной фазы относительно
дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.
Электрокинетический потенциал связан со скоростью электрофореза уравнением
Гельмгольца – Смолуховского:
ζ - величина электрокинетического потенциала, В;
η - вязкость среды, Н·с/м2;
ε - диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81
(безразмерная величина);
ε0 - электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума), равная
ε0 = 8,85·10-12 Ф/м;
U – линейная скорость движения границы золь – боковая жидкость, м/с;
H – напряженность электрического поля, В/м.

27. Линейную скорость движения границы золь – боковая жидкость рассчитывают
как отношение смещения границы раздела за время электрофореза:
где:
h – смещение границы золь - боковая жидкость за время электрофореза, м;
t – время электрофореза, с.

29. Электроосмос
Электроосмос – явление перемещения дисперсионной среды относительно
неподвижной дисперсной фазы (пористой диафрагмы) под действием внешнего
электрического поля.
Расчет электрокинетического потенциала при электроосмосе ведут по уравнению:

30. Потенциал течения – явление возникновения разности потенциалов между
электродами при продавливании через пористую диафрагму жидкости под
действием внешней силы (давления).

32. Очистка коллоидных систем
Методы очистки коллоидных систем
диализ электродиализ ультрафильтрация
Основаны на свойствах полупроницаемых мембран пропускать частицы малых
размеров и задерживать коллоидные частицы.

33. Электродиализ воды в среднюю часть, отделенную от двух других
полупроницаемыми мембранами, за которыми
помещены электроды, наливается золь.
При подключении к
электродам разности
потенциалов катионы
содержащихся в золе
электролитов
диффундируют через
мембрану к катоду, анионы -
к аноду.
удаляет даже следов
электролитов

34. Ультрафильтрация воды
Ультрафильтрация – отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды
путем фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны.
Коллоидные частицы остаются на мембране.

35. Устойчивость коллоидных растворов.
Устойчивость коллоидных растворов
Кинетическая
агрегативная
(седиментационная)
определяется способностью
определяется способностью частиц
дисперсной системы в течение
противостоять действию силы
некоторого времени сохранять свою
тяжести.
первоначальную степень
дисперсности.
Небольшой размер коллоидных
Это способность частиц не слипаться в
частиц и их высокая скорость
более крупные агрегаты. В коллоидных
движения за счет диффузии
растворах все частицы одинаково
определяют высокую кинетическую
заряжены, поэтому отталкиваются
устойчивость коллоидных растворов.
друг от друга.
Все это обеспечивает высокую
агрегативную устойчивость
коллоидных растворов.

36. Часто на практике требуется разрушить
коллоидный раствор, например, удалить из воды
коллоидные загрязнения.
Для этого надо создать условия для снижения
заряда коллоидных частиц. В этом случае
частицы начнут слипаться, увеличатся в
размерах и под действием силы тяжести
образуют осадок
Слипание коллоидных частиц в
более крупные агрегаты
называется коагуляцией

37. 1 стадия – скрытая коагуляция
На этой стадии частицы укрупняются, но еще не теряют своей
седиментационной устойчивости.
2 стадия - явная коагуляция
На этой стадии частицы теряют свою седиментационную
устойчивость. Если плотность частиц больше плотности
дисперсионной среды, образуется осадок.

38. Устойчивость золей определяется скоростью коагуляции, которая определяется
константой скорости коагуляции:
где kб – константа скорости быстрой коагуляции;
P – стерический множитель, учитывающий благоприятные пространственные
расположения частиц при столкновении;
ΔЕ - потенциальный барьер;
kБ – константа Больцмана;
η- вязкость дисперсионной среды.
Время коагуляции Время половинной коагуляции
время уменьшения числа агрегатов вдвое
n0 - исходная концентрация системы

42. Причины коагуляции

43. 1.Изменение температуры.
При сильном нагревании или, наоборот, замораживании коллоидных
растворов толщина диффузного слоя становится тоньше, величина
электрокинетического потенциала – меньше, частицы начинают слипаться –
происходит коагуляция.

44. 2.Механическое воздействие
•встряхивание,
•перемешивание.
При интенсивном механическом воздействии усиливается диффузия, что
также приводит к истончению диффузного слоя и к коагуляции.

45. 3. Добавление раствора электролита
Наименьшая концентрация
электролита, при которой происходит
коагуляция, называется порогом

46. 4.Сливание коллоидных растворов с противоположно
заряженными частицами.
Если соединить два коллоидных раствора с противоположно заряженными
частицами, то разноименные частицы будут притягиваться, укрупняться, в результате
произойдет коагуляция.

47. Правила электролитной
коагуляции

48. 1. Все сильные электролиты, добавленные к золю в
достаточном количестве, вызывают его коагуляцию.
Минимальная концентрация электролита, при которой
начинается коагуляция, называется порогом коагуляции Ck.
Иногда вместо порога коагуляции используют величину
VK, называемую коагулирующей способностью. Это объем
золя, который коагулирует под действием 1 моля электролита:
т.е. чем меньше порог коагуляции, тем больше коагулирующая
способность электролита.
Первое правило коагуляции

49. 2. Коагулирующим действием обладает не весь электролит, а
только тот ион, заряд которого совпадает по знаку с зарядом
противоиона мицеллы лиофобного золя.
Этот ион называют ионом–коагулянтом.
3. Коагулирующая способность иона–коагулянта тем больше,
чем больше заряд иона.
Правило устанавливает, что коагулирующие силы иона тем больше, чем больше его
валентность.
Коагулирующая способность иона при одинаковом заряде тем больше, чем больше
его кристаллический радиус.
Для однозарядных неорганических катионов коагулирующая способность убывает в
следующем порядке:
Лиотропный ряд
Второе и третье правила коагуляции
(объединены в правило Шульце-Гарди)

50. Расчет порогов
коагуляции

51. Характеристики электролита

53. Задача

55. Механизмы дестабилизации
коллоидной взвеси сточных вод

56. 1. Нейтрализация заряда
Положительно заряженные
коагулянты нейтрализуют
отрицательный заряд, окружающий
коллоидные частицы.
Когда заряд вокруг каждой
частицы нейтрализован, они
постепенно
сближаются, становятся в конце
концов неустойчивыми и могут
сталкиваться друг с другом.
При столкновении частицы укрупняются за счет водородных связей
или, например, сил Ван дер Ваальса.
Энергия перемешивания, применяемая в процессе очистки, увеличивает
количество и частоту этих столкновений частиц, усиливая агломерацию
твердого вещества и способствуя образованию хлопьев.

57. 2. Химическое связывание
Образованию хлопьев способствует полимерная природа коагулянтов.
Их длинные молекулярные цепочки подхватывают агломерированные
частицы, образуют мостики от одной поверхности к другой, связывая вместе
отдельные хлопья в крупные, легко удаляемые массы.
Из двух механизмов, участвующих в процессе коагуляции, нейтрализация заряда
играет гораздо более важную роль, чем химическое связывание.

58. Современные коагулянты для водоподготовки
Раствор алюмината натрия (NaAlO2), SAX-18
Сульфат алюминия гранулированный
Полиоксихлорид алюминия, PAC (PAX-PS)
Полиалюминий хлорид (хлорид алюминия), PAX-18
Гранулированый cульфат железа 3 -х валентного, FERIX-3
Водный раствор сульфат железа 3 -х валентного, FERIX-3
Хлорид железа (раствор), PIX-111

59. Флокуляция

60. Цель флокуляции – сформировать агрегаты или хлопья из тонко диспергированных и
коллоидно устойчивых частиц.
Флокуляция – транспортный этап, приводящий к столкновению между устойчивыми
частицами, стремящимися к образованию крупных частиц (агрегатов), которые могут
быть легко удалены из обрабатываемых сточных вод при помощи
отстаивания, фильтрации или флотации.
Флокуляция получила широкое практическое распространение в технологиях
водоочистки в 30-е годы. В настоящее время флокуляция широко используется в
технологии очистки сточных вод промышленного и бытового происхождения.

61. Механизм действия флокулянтов Флокуляция - процесс, при котором
происходит адсорбционное
основан на: взаимодействие частицы загрязнений
1. явлении адсорбции молекул сточных вод с высокомолекулярными
флокулянта на поверхности веществами (флокулянтами).
коллоидных частиц;
2. образование сетчатой структуры
молекул флокулянта;
3. слипании коллоидных частиц за счет
сил Ван-дер-Ваальса.
При действии флокулянтов между
коллоидными частицами образуются
трехмерные структуры, способные к более
быстрому и полному отделению жидкой
фазы.
Причиной возникновения таких структур
является адсорбция макромолекул
флокулянта на нескольких частицах с
образованием между ними полимерных
мостиков.

62. Процесс адсорбции происходит в две стадии:
1. сначала каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к
одной частице (первичная адсорбция),
2. затем свободные сегменты закрепляются на поверхности других
частиц, связывая их полимерными мостиками (вторичная адсорбция).

63. Флокулянты
природные Синтетические
крахмал, декстрин,
полиакриламид
эфиры целлюлозы,
альгинат натрия и
гуаровые смолы
неорганические органические
кремниевая кислота ВМС

64. ция
(седиментационная
устойчивость золей)

65. ция — оседание или всплывание частиц дисперсной фазы в жидкости или
газе под действием гравитационного поля или центробежных сил.
Скорость седиментации

66. За меру термодинамической устойчивости принимают гипсометрическую высоту Н
Гипсометрическую высоту для сферических частиц определяют по формуле: