안정적인 콜로이드 시스템에서는 인력이 우세합니다. 분산 시스템의 안정성

미세, 유화, 콜로이드 및 유색 불순물(그룹 1 및 2)로부터 천연수와 폐수를 정화하는 주요 방법은 응고 및 응집입니다. 이 방법은 분산상 입자를 응집시킨 후 기계적 침강을 통해 물에서 제거하는 방법을 기반으로 합니다.

응고 폐수 처리 공정의 효율성과 경제성은 분산 시스템의 안정성에 의해 결정되며, 이는 분산 정도, 입자 표면의 특성, 입자 밀도, 동전기 전위의 크기, 농도 등 여러 요인에 따라 달라집니다. , 폐수에 전해질, 고분자 화합물과 같은 기타 불순물이 존재합니다.

응고에는 다양한 방법이 있으며, 그 실행 가능성은 시스템의 집합적 안정성을 결정하는 요소에 따라 달라집니다.

콜로이드 시스템의 총체적 안정성구조에 따라 다릅니다.

큰 비표면적을 갖는 콜로이드 입자는 물에서 이온을 흡착할 수 있으며 그 결과 접촉 단계는 반대 부호의 전하를 획득하지만 크기는 동일합니다. 그 결과 표면에 전기이중층이 나타난다. 분산된 고체상에 상대적으로 단단히 결합된 이온을 이온이라고 합니다. 잠재력 결정. 과잉으로 인해 중화됩니다. 반대이온. 수용액의 이중층 두께는 0.002mm를 초과하지 않습니다.

이온 흡착 정도는 흡착된 이온의 표면에 대한 친화력과 비해리성 표면 화합물을 형성하는 능력에 따라 달라집니다. 동일한 원자가의 이온을 흡착하는 동안 이온의 반경이 증가함에 따라 흡착 용량이 증가하고 그에 따라 분극성도 증가합니다. 콜로이드 입자의 표면에 끌리는 능력. 이온 반경이 ​​증가하면 수화도가 감소합니다. 밀도가 높은 수화 껍질이 있으면 흡착이 방지됩니다. 콜로이드 입자 표면과 이온의 전기적 상호 작용을 감소시킵니다.

전기 이중층의 구조에 대한 현대적인 아이디어에 따르면 반대이온층은 두 부분으로 구성됩니다. 한 부분은 계면 표면에 인접하여 흡착층을 형성하며, 그 두께는 구성 수화 이온의 반경과 같습니다. 반대이온의 다른 부분은 확산층에 위치하며, 그 두께는 시스템의 특성과 구성에 따라 달라집니다. 일반적으로 미셀은 전기적으로 중성이다. 콜로이드 입자인 미셀의 구조가 그림 1.1에 나와 있습니다.

전위 결정 이온과 모든 반대 이온 사이의 전위차를 열역학적 Φ 전위라고 합니다.

입자의 전하는 입자의 접근을 방해하며, 특히 콜로이드 시스템의 안정성을 결정합니다. 일반적으로 콜로이드 시스템의 안정성은 과립, 확산층 및 수화 껍질에 전하가 존재하기 때문입니다.

그림 3.1. 미셀 구조: 그림 3.2. 이중 전기 회로

I – 미셀 코어; 전기장의 층

II - 흡착층; (I-II – 과립);

III – 확산층;

IV – 수화 쉘

입자가 분산 시스템에서 이동하거나 전기장이 가해지면 확산층의 반대 이온의 일부가 분산 매질에 남아 있고 과립은 전위 결정 이온의 전하에 해당하는 전하를 얻습니다. 따라서 분산매와 분산상은 반대로 전하를 띠게 됩니다.

반대이온의 흡착층과 확산층 사이의 전위차를 동전기적ζ 전위라고 합니다(그림 1.2).

동전기적 전위는 전기 이중층의 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 크기 ζ – 전위는 상 구성과 전해질 농도에 따라 일반적으로 단위 및 수십 밀리볼트입니다. 값이 클수록 ζ– 전위가 높을수록 입자가 더 안정적입니다.

분산 시스템의 안정성에 대한 열역학적 및 운동학적 요인을 고려해 보겠습니다.

· 정전기 안정성 계수. 물리적 동역학의 관점에서 볼 때, 입자의 분자 인력은 시스템 응고(집합 불안정)의 주요 원인입니다. 콜로이드 입자에 이온 성질의 흡착층이 형성되면 유사하게 전하를 띤 입자가 충분히 가까워지면 정전기적 반발력이 발생합니다. 전기 이중층이 두꺼울수록 입자의 반발력이 더 강해지고 에너지 장벽의 높이가 높아지며 입자가 서로 달라붙을 가능성이 줄어듭니다. 따라서 이온 안정제가 존재할 때 콜로이드 시스템의 안정성은 전기 이중층의 특성에 따라 달라집니다.

· 용매안정성계수. 반발력은 분산 매질의 분자로만 구성되고 특별한 물리적 특성을 갖는 용매화(수화물) 껍질 입자 또는 소위 경계상에 접근하는 입자의 표면에 존재함으로써 발생할 수 있습니다. 미셀 코어는 물에 녹지 않으므로 수화되지 않습니다. 코어 표면에 흡착된 이온과 전기 이중층의 반대 이온이 수화됩니다. 덕분에 코어 주위에 이온 수화물 껍질이 생성됩니다. 그 두께는 전기 이중층의 분포에 따라 달라집니다. 확산층에 이온이 많을수록 수화 껍질의 두께도 두꺼워집니다.

· 안정성의 엔트로피 인자.이는 콜로이드 입자에 흡착된 계면활성제 분자 세그먼트의 열 이동으로 인해 발생합니다. 계면활성제 분자나 고분자 물질의 흡착층을 갖는 입자들이 서로 접근하면 흡착층의 엔트로피가 크게 감소하여 입자들의 응집을 방지한다.

· 구조적 기계적 안정성 계수.계면활성제의 흡착-용매층은 입자가 서로 접근하는 것을 방지하는 구조적-기계적 장벽을 나타낼 수 있습니다. 겔형인 반대이온 안정제의 보호층은 구조적 점도와 기계적 강도가 증가했습니다.

· 유체역학적 안정성 계수. 응고속도는 매질의 점도 변화, 분산상 및 분산매의 밀도 변화로 인해 감소할 수 있습니다.

· 혼란스러운 요인실제 시스템에서 가장 일반적입니다. 일반적으로 집합적 안정성은 여러 요소에 의해 동시에 보장됩니다. 계면 장력의 감소와 함께 입자 간 층의 구조적 및 기계적 특성이 나타날 때 열역학적 요인과 동역학 요인의 결합 작용으로 특히 높은 안정성이 관찰됩니다.

각 저항 요소에는 이를 중화하는 특정 방법이 있다는 점을 명심해야 합니다. 예를 들어, 전기 이중층을 압축하는 전해질이 시스템에 도입되면 정전기 요인의 영향이 크게 감소합니다.

용매화 인자를 이용한 용매화는 해당 물질의 흡착을 사용하여 분산상의 입자를 동결건조함으로써 제거할 수 있습니다. 구조적 기계적 요인의 영향은 입자 표면의 탄성 구조층을 액화 및 용해시키는 물질의 도움으로 감소될 수 있습니다.

시스템의 불안정화는 다양한 이유로 인해 발생할 수 있으며, 그 중 다수는 확산층의 압축을 초래하고 결과적으로 ζ 전위 값이 감소합니다. 확산층의 압축은 또한 이온 수화 정도를 감소시킵니다. 등전위 상태(ζ = 0, mV)에서 코어 주변의 수화 껍질은 매우 얇으며(10-10m) 미셀이 서로 달라붙는 것을 보호하지 못합니다. 충돌로 인해 입자 집합이 시작됩니다.

콜로이드 시스템(SS)의 침강 안정성 - 전체 부피에 걸쳐 입자의 균일한 분포를 유지하는 분산 시스템의 능력)은 콜로이드 분산액의 브라운 운동과 분산상 입자의 확산에 의해 결정됩니다.

시스템의 침전 안정성은 서로 반대 방향으로 향하는 두 가지 요인, 즉 입자가 침전되는 영향을 받는 중력과 입자가 부피 전체에 균일하게 분포되는 경향이 있는 확산의 작용에 따라 달라집니다. 결과적으로, 크기에 따라 높이를 따라 입자의 평형 확산-침강 분포가 발생합니다.

입자 크기가 증가하면 확산 속도가 느려집니다. 입자 분산 정도가 충분히 높으면 확산 운동과 마찬가지로 브라운 운동이 전체 부피에 걸쳐 농도를 균일하게 만듭니다. 입자가 작을수록 평형을 이루는 데 시간이 더 오래 걸립니다.

입자의 침전 속도는 입자 직경의 제곱에 비례합니다. 거칠게 분산된 시스템에서는 평형이 달성되는 속도가 상대적으로 높으며 몇 분 또는 몇 시간 내에 평형이 설정됩니다. 미세하게 분산된 용액에서는 크기가 작으며 평형에 도달할 때까지 수년 또는 심지어 수십년이 걸립니다.

응고의 종류

Deryagin, Landau, Verwey, Overbeck(DLFO 이론)이 개발한 분산 시스템의 응고에 대한 현대 이론에서 시스템의 안정성 정도는 분자력과 정전기력의 균형에 따라 결정됩니다. 응고에는 두 가지 유형이 있습니다.

1) 집중,입자 안정성의 손실은 이중층의 압축과 연관되어 있으며;

2) 중화(전해질과의 응고),이중층의 압축과 함께 전위 Φ1이 감소합니다.

농축 응고는 고농축 전해질 용액에서 고도로 하전된 입자의 특징입니다. DEL의 전위 Φ1이 높을수록 반대 이온은 입자 표면에 더 강하게 끌리고 그 존재는 전기장의 성장을 차단합니다. 따라서 Φ1의 높은 값에서는 입자 사이의 정전기 반발력이 무한정 증가하지 않고 특정 유한 한계에 도달하는 경향이 있습니다. 이 한계는 Φ1이 250을 초과할 때 도달됩니다. mv.높은 Φ1 전위를 갖는 입자의 상호작용은 이 전위의 값에 의존하지 않고 반대이온의 농도와 전하에 의해서만 결정됩니다.

전해질 농도가 증가함에 따라 값은 ζ – 전위(DP)는 감소하고 Φ1은 실제로 그 값을 유지합니다(그림 3.3).

분산 시스템의 안정성은 상 분산 및 입자 간 상호 작용을 포함하여 시간이 지남에 따라 특성과 구성이 변하지 않는 것으로 이해됩니다. 여기서 우리는 분산상의 입자의 확대 또는 응집 및 침전과 관련하여 시스템의 안정성 문제를 고려합니다. 상분리, 폐수 처리 및 산업 배출물 처리 중 침전 과정에서 집합적 안정성을 제거하는 것이 필요합니다.

P.A.의 분류에 따르면. 리바인더 분산 시스템은 상 중 하나의 자발적인 분산으로 인해 발생하는 친액성과 강제 분산 및 과포화에 따른 응축으로 인해 발생하는 소액성으로 구분됩니다. Lyophobic 시스템은 과도한 표면 에너지를 가지며 입자 확대 과정이 자발적으로 발생할 수 있습니다. 비표면적의 감소로 인해 표면 에너지의 감소가 발생할 수 있습니다. 이러한 시스템을 집합적으로 불안정하다고 합니다.

입자 응집은 작은 입자에서 큰 입자로 물질의 이동을 수반할 수 있습니다. 왜냐하면 후자의 화학적 전위가 더 낮기 때문입니다(등온 증류). 큰 입자는 성장하고, 작은 입자는 점차적으로 용해/증발/됩니다. 입자의 응집은 입자의 접착/융합/분산 시스템/응고/의 가장 일반적인 경로를 통해 발생할 수도 있습니다.

분산 시스템의 집합적 안정성에는 열역학적 및 운동학적 요인이 있습니다. 응고의 원동력은 과도한 표면 에너지입니다. 시스템의 안정성에 영향을 미치는 주요 요인은 표면 크기를 유지하면서 표면 장력을 줄이는 요인입니다. 이러한 요소는 열역학적으로 분류됩니다. 이는 효과적인 입자 충돌 가능성을 줄이고 응고 과정을 늦추거나 심지어 제거하는 잠재적인 장벽을 만듭니다. 표면 장력이 낮을수록 시스템의 열역학적 안정성이 높아집니다.

운동학적 요인은 주로 매체의 유체역학적 특성과 관련이 있습니다. 즉, 입자의 접근 속도를 늦추고 입자 사이의 매체 층을 파괴합니다. 일반적으로 분산 시스템의 안정성 요소는 다음과 같이 구별됩니다.

1. 유체역학적 – 매체의 점도와 상 및 분산 매체의 밀도 변화로 인해 응고 속도가 감소합니다.

2. 구조적 기계적 요인은 탄성이 있고 기계적으로 강한 필름의 입자 표면에 존재하기 때문에 발생하며 파괴에는 에너지와 시간이 필요합니다.

3. 정전기 – 입자 표면에 이중 정전기 층/DES/가 나타나기 때문에 계면 장력이 감소합니다. 표면 전해 해리 또는 전해질 흡착으로 인해 계면 표면에 전위가 나타날 수 있습니다.

4. 엔트로피 인자는 입자 또는 표면층이 열 운동에 참여하는 시스템에서 나타납니다. 그 본질은 분산상이 시스템 부피 전체에 균일하게 분포되는 경향에 있습니다.

5. 흡착-용매화 - 입자와 분산 매질의 상호 작용 중 흡착 및 용매화로 인해 계면 장력이 감소하는 것으로 나타납니다.

실제 시스템에서 집합적 안정성은 열역학적 요인과 운동학적 요인의 조합에 의해 동시에 결정됩니다.

현대 개념에 따르면 시스템(소액성 콜로이드)의 안정성은 분자 인력과 입자 사이의 정전기적 반발력의 균형에 의해 결정됩니다. 분산 시스템의 보편적인 특성은 경계면에 이중 전기층(DEL)이 존재한다는 것입니다.

입자의 표면 전하는 다음 프로세스 중 하나의 결과로 형성됩니다.

– 입자 표면 그룹의 해리;

– 전위 결정 이온의 흡착, 즉 결정 격자에 포함되거나 이와 유사한 이온;

– 이온성 계면활성제의 흡착;

– 동형 대체, 예를 들어 대부분의 점토 입자의 전하는 입자의 양전하 부족으로 4가 실리콘 이온이 Al +3 또는 Ca +2로 대체되어 형성됩니다.

처음 세 가지 경우에는 표면 전하를 제어할 수 있으며, 시스템의 이온 농도를 변경하여 전하의 크기와 부호를 특정 한도 내에서 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 표면 실라놀 그룹의 해리 결과로 실리카 입자는 전하를 얻을 수 있습니다.

표면 전하 밀도는 단위 표면당 기본 전하의 수와 같습니다. 분산 시스템에서 입자의 표면 전하는 EDL의 확산 부분과 조밀한 부분(반대이온 단층의 바로 인접한 부분)에 국한된 전하의 합으로 보상됩니다.

분산상의 증착 중에 전위차가 발생하는 현상을 침전 전위라고 합니다. 이동을 유발하는 이유에 관계없이 위상의 상대적 이동으로 EDL은 슬립 밀도 측면에서 중단됩니다. 슬라이딩 평면은 일반적으로 EDL의 확산층을 통과하며 일부 이온은 분산 매체에 남아 있습니다. 결과적으로 분산매와 그 분산상은 반대로 전하를 띠게 됩니다. 확산층의 일부가 분리될 때 슬립면에서 발생하는 전위를 동전기 전위 또는 z /zeta/ 전위라고 합니다. EDL의 특성을 반영하는 제타 전위는 위상 및 간기 상호 작용의 특성을 나타냅니다. 동전기적 전위의 크기는 상의 이동 속도, 매체의 점도, 상의 성질 및 기타 요인에 따라 달라집니다. 온도를 낮추고 표면과 특별히 상호 작용하는 전해질을 시스템에 도입하고 전해질 이온의 전하를 높이면 제타 전위가 감소합니다.

제타 전위의 크기는 접촉하는 상의 표면 특성에 따라 달라집니다. 이온 생성 그룹을 포함하는 고분자 전해질의 표면과 많은 무기 산화물의 표면에서 제타 전위는 100mV 이상의 높은 값에 도달할 수 있습니다. 반대 이온이 표면에 흡착되면 동전기 전위가 감소합니다. H + 및 OH – 이온의 흡착 용량이 높기 때문에 매체의 pH 값은 중요한 영향을 미칩니다. 제타 전위의 부호와 값은 분산 시스템의 집합적 안정성을 고려할 때 표면의 전기적 특성을 특성화하는 데 널리 사용됩니다.

첫 번째 근사법으로 분산 시스템의 안정성은 동전기적 z(제타) 전위 값에 의해 결정된다는 것이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 전해질이나 계면활성제가 시스템에 추가되면 EDL의 구조가 변경되고 z 전위 값이 변경되는 반면 표면 전위 값은 변경되지 않습니다. 이러한 변화(감소)는 동일한 전해질 농도에서 반대이온의 전하가 증가함에 따라 가장 중요합니다(그림 2.1).

반 데르 발스 힘의 작용으로 인해 고도로 하전된 반대 이온 /Al +3 ,Fe +3 /, 복합 유기 이온은 초등가적으로 흡착될 수 있습니다. 표면의 전하 수를 초과하는 양이 층에 축적됩니다. 결과적으로, 동전기적 전위의 크기와 부호 모두의 변화가 가능합니다. 이러한 현상은 고분자 전해질과 응고제가 분산 시스템에 도입될 때 종종 발생합니다.

분산 시스템에서는 유사하게 전하를 띤 입자가 모이면 표면 전하가 반대 이온의 전하로 완전히 보상되기 때문에 순전히 쿨롱이 아닌 반발합니다. 반발력은 확산된 이온 대기가 겹칠 때 나타납니다. 동시에 방향성, 유도성 및 분산력으로 구성된 반 데르 발스 인력이 입자 사이에 작용합니다. 특정 조건에서 이러한 힘은 반발력과 유사합니다. 분산된 입자의 전체 상호작용 에너지는 인력과 반발 에너지의 합으로 구성됩니다. 입자 사이의 거리에 따른 입자의 총 에너지 값은 그림 2.2에 개략적으로 표시됩니다.

그림 2.1. 반대이온 농도에 대한 z-전위 값의 의존성. 곡선은 반대이온의 전하를 나타냅니다.

분산 시스템 및 응고의 안정성은 분산상의 입자가 서로 또는 매크로 표면과 상호 작용하는 것을 직접적으로 반영합니다. 안정성 이론은 입자의 인력과 반발력 사이의 관계에 기초합니다. B.V.가 처음 제안한 안정성 이론은 널리 인정을 받았습니다. Deryagin 및 L.D. Landau는 분리 압력(척력)의 정전기 성분과 분자 성분(흡인력)을 고려합니다.

단순화된 버전에서 단위 면적당 두 입자 간의 상호 작용의 총 에너지는 다음과 같습니다.

E = E pr + E 에서. (2.1)

그림 2.2. 입자 사이의 거리에 대한 입자 상호작용 에너지(Etot)의 의존성( 엘), E 일반 = E 인력 + E 반발력

이러한 각 구성 요소는 입자 간 거리의 함수로 표현될 수 있습니다.

dE pr =P pr dh, (2.2)

dh의 =P의 dE, (2.3)

여기서 P pr은 인력 압력, 즉 분리 압력의 분자 성분; 피 에서 - 반발 압력, 이 경우 분리 압력의 정전기 성분입니다.

인력 압력은 일반적으로 표면 에너지를 감소시키려는 시스템의 요구에 의해 발생하며, 그 특성은 반 데르 발스 힘과 연관되어 있습니다. 반발력은 정전기력에 의해서만 발생하므로

dP = d, (2.4)

EMF의 체적 전하 밀도는 어디에 있으며 이중층의 전위는 입니다.

입자가 상호 작용이 발생하지 않는 거리에 있으면 EDL이 겹치지 않으며 EDL의 전위는 실질적으로 0과 같습니다. 입자가 서로 접근함에 따라 EDL이 겹치고 결과적으로 전위가 2까지 크게 증가하고 반발력이 증가합니다.

전위 값이 작은 영역에서 압력의 정전기 성분은 전위 값에 크게 의존하지만 전위가 증가하면 이러한 의존성은 눈에 띄게 줄어듭니다. 지수 법칙에 따라 입자 사이의 거리 h가 감소함에 따라 입자의 반발 에너지가 증가합니다.

단순화된 방정식 2.5에 따른 입자의 인력 에너지는 입자 사이 거리의 제곱에 반비례합니다.

R pr = - , (2.5)

여기서 n은 입자의 단위 부피당 원자 수입니다. K는 상호작용 단계의 특성에 따라 상수입니다.

입자 사이의 인력 에너지는 분자(원자) 사이의 인력 에너지보다 거리에 따라 훨씬 더 천천히 감소합니다. 분산된 시스템의 입자는 분자보다 더 먼 거리에서 상호 작용합니다.

분산 시스템의 안정성이나 응고 속도는 입자 상호 작용의 총 위치 에너지의 부호와 값에 따라 달라집니다. h가 증가함에 따라 양의 반발 에너지 E는 기하급수적으로 감소하고, 음의 에너지 E pr은 h의 제곱에 반비례합니다. 결과적으로 작은 거리(h®0, ®const, E pr ® 에서 E)와 입자 사이의 큰 거리에서는 인력 에너지가 우세하고, 중간 거리에서는 정전기 반발 에너지가 우세합니다.

1차 최소값 I(그림 2.2)는 입자의 직접적인 접착에 해당하고, 2차 최소값 II는 매질의 중간층을 통한 입자의 인력에 해당합니다. 평균 거리에 해당하는 최대값은 입자가 서로 달라붙는 것을 방지하는 전위 장벽을 나타냅니다. 상호 작용력은 최대 수백 nm의 거리까지 확장될 수 있으며 최대 에너지 값은 10 -2 J/m 2 를 초과할 수 있습니다. 전위 장벽의 증가는 낮은 값 영역에서 입자 표면의 전위가 증가함으로써 촉진됩니다. 이미 20mV에서 잠재적인 장벽이 발생하여 분산된 시스템의 집합적 안정성이 보장됩니다.

다양한 산업에는 화학적 성질, 표면 전하의 부호와 크기, 크기가 다른 이종 입자를 포함하는 분산 시스템이 있습니다. 이러한 입자의 응집(응고)을 헤테로응고라고 합니다. 이는 염색, 부유, 바닥 퇴적물 및 하수 슬러지 형성 중 입자 상호 작용의 가장 일반적인 경우입니다. 상호 응고라는 용어는 보다 특별한 경우, 즉 반대 전하를 띤 입자의 집합을 의미합니다.

상호 응고 과정은 실제로 폐수 처리와 같은 분산 시스템의 집합적 안정성을 파괴하기 위해 널리 사용됩니다. 따라서 특정 조건에서 알루미늄 또는 철염을 사용하여 폐수를 처리하면 염의 가수분해 중에 형성된 양전하를 띤 알루미늄 및 수산화철 입자와 상호 작용하는 음전하를 띤 부유 물질이 빠르게 응고됩니다.

친액성 콜로이드는 분산된 입자와 환경의 강렬한 상호작용 및 시스템의 열역학적 안정성을 특징으로 합니다. 친액성 콜로이드의 안정화에 있어서 결정적인 역할은 용매 분자의 다분자 흡착의 결과로 분산상의 표면에 형성된 용매화 층에 속합니다. 입자가 서로 달라붙는 것을 방지하는 용매화 껍질의 능력은 입자 사이의 틈에서 중간 분자가 압착되는 것을 방지하는 전단 저항의 존재와 용매화 경계에서 눈에 띄는 표면 장력이 없기 때문에 설명됩니다. 레이어와 자유 단계. 분산 시스템의 안정화는 시스템에 계면활성제를 도입함으로써 촉진됩니다. 비이온성 계면활성제는 소수성 분산 입자에 흡착되어 이를 친수성 입자로 변화시키고 졸의 안정성을 증가시킵니다.

시스템의 집합적 안정성/불안정성은 입자 접촉 가능성에 따라 달라집니다. 입자들이 서로 달라붙으려면 일정한 거리를 두고 서로 접근해야 합니다. 집합적 안정성 이론에서는 DLFO 이론(이론 저자 이름의 첫 글자: B.V. Deryagin 및 L.D. Landau, 러시아, E. Verwey 및 J.T. Overbeck, 네덜란드)가 고려됩니다. 인력과 반발력의 공동 작용입자 사이.

역사여행

Boris Vladimirovich Deryagin은 콜로이드 화학의 거의 모든 분야에 귀중한 공헌을 한 뛰어난 과학자입니다. 점토 현탁액의 특성을 연구하면서 그는 현탁액의 개별 입자 사이에 있는 얇은 물 층이 입자가 서로 접근하는 것을 방지하는 분리 압력을 포함하여 대량의 물 특성과 다른 특성을 가지고 있음을 발견했습니다. 인력과 반발력에 대한 공동 고려는 시스템의 안정성을 설명했습니다. 이러한 연구는 정량적 계산 및 안정성 기준 식별과 함께 B.V. Deryagin이 Lev Davidovich Landau와 함께 1935~1941년에 여러 과학 논문에서 출판했습니다. 해외에서 그들은 훨씬 나중에 이러한 작품에 대해 배웠습니다.

네덜란드 과학자 E. Vervey와 J.T. Overbek도 이 분야에 대한 연구를 수행했습니다. E. Verwey는 1934년 전기 이중층 연구와 소액성 콜로이드의 안정성에 관한 자신의 논문을 옹호했습니다. 나중에 그는 전해질 용액에서 콜로이드 입자 사이의 전기력과 런던-반 데르 발스 힘의 작용을 조사하는 일련의 기사를 발표했습니다. 그리고 1948년에는 Overbeck과 공동으로 그의 논문 "소액성 콜로이드의 안정성 이론"이 출판되었습니다.

이론 창설에 관한 과학적 우선순위 문제는 네 명의 저자 모두의 장점을 인정함으로써 해결되었습니다.

끌어당김의 힘 -이것이 분자간 상호 작용의 힘입니다(런던 - 반 데르 발스 힘). 개별 원자 사이에서 발생하는 인력은 원자 크기 정도의 매우 짧은 거리에서 나타납니다. 입자가 상호 작용할 때 분산력의 가산성으로 인해 입자 간의 인력이 훨씬 더 먼 거리에서 나타납니다. 인력의 에너지는 입자 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다.

반발력입자 사이에는 정전기적 성질이 있습니다. 확산층이 겹칠 때 발생하는 정전기 반발 에너지는 거리가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소합니다.

인력과 척력 에너지에 대한 위의 공식에서 ㅏ* - Gamaxra 상수; 엑스 -입자 사이의 거리; e는 분산매의 유전상수이다. e° = 8.85 K) 12 F/m - 전기 상수; (p^는 확산층의 전위이고, A.는 이중 전기층(DEL)의 확산층의 두께입니다.

흡착층과 확산층을 포함한 DES의 구조에 대한 자세한 내용은 4.3절을 참조하세요.

끌어당김 에너지에는 마이너스 기호가 할당되고 반발 에너지에는 플러스 기호가 할당됩니다. 인력과 반발 에너지는 DLVO 이론에서 입자 사이의 분리 압력의 구성 요소로 간주됩니다. 입자 사이의 거리에 따른 인력 및 척력 에너지의 영향은 그림 1에 나와 있습니다. 4.2.

쌀. 4.2.

그림의 결과적인 총 에너지 곡선에서 4.2에서는 세 부분으로 구분할 수 있습니다.

플롯 가.콜로이드 입자 사이의 작은 거리(최대 100 nm)에서는 인력이 우세하며 에너지 우물 또는 거의 에너지 최소값이 나타납니다. 입자가 이러한 거리에 가까워지면 인력의 영향으로 응고가 발생합니다. 이러한 경우 응고는 되돌릴 수 없습니다.

플롯 b.중간 거리에서는 정전기 반발력이 분자간 인력보다 크고 에너지 최대치가 발생합니다. 이는 입자가 서로 달라붙는 것을 방지하는 잠재적 장벽입니다. 장벽 높이는 표면 전하와 확산층의 두께에 따라 달라집니다.

전위 장벽이 높고 입자가 이를 극복할 수 없으면 응고가 발생하지 않습니다. 장벽을 극복하는 능력은 장벽의 감소(예를 들어 전해질에 노출될 때 입자 사이의 표면 전하 및 반발력 감소) 또는 입자 에너지의 증가(가열)에 의해 결정됩니다.

전기 이중층의 구조에 대한 전해질의 영향은 하위 섹션 4.3.3에서 논의됩니다.

그런 다음 인력의 영향으로 입자가 서로 가까워지고 응고가 발생합니다. 입자가 장벽을 극복할 수 없으면 응집이 발생하지 않으며 시스템은 오랫동안 응집 안정성을 유지할 수 있습니다.

플롯 c.상대적으로 먼 거리(약 1000 nm)에서는 인력도 우세하여 소위 인력을 형성합니다. 아주 최소한.먼 최소값의 깊이는 각 시스템마다 다릅니다. 미미한 거리의 최소값에서는 잠재적인 장벽에 의해 입자의 접근이 방지됩니다.

먼 최소값이 충분히 깊다면 입자는 접근할 때 전위 우물을 떠날 수 없으며 서로 적절한 거리에서 평형 상태를 유지하여 개성을 유지합니다.

높은 전위 장벽이 있으면 입자가 서로 더 가깝게 접근하는 것을 방지하고 입자 사이에 액체 층이 남아 있습니다. 시스템 전체는 응집제 또는 응집제와 같은 느슨한 퇴적물을 나타내는 분산을 유지합니다. 이 상태는 응고의 가역성에 해당합니다. 시스템을 졸 상태(해교)로 전환하는 것이 가능합니다.

« 해교는 분산 시스템을 얻는 방법 중 하나입니다. 단락 2.4를 참조하십시오.

고농도의 분산상의 경우 구조화된 시스템(겔)이 형성될 수 있습니다.

구조화된 시스템의 특징은 섹션 9.4에서 더 자세히 논의됩니다.

요약

시스템의 총체적인 안정성 (응고 저항) 주로 표면의 전하 존재에 의해 결정됩니다.

• Vetvey E. J., Overbeek J. Th. G. 소수성 콜로이드의 안정성 이론. 뉴욕: 엘스비어, 1948.

분산 시스템의 안정성은 시간에 따른 상태 및 기본 특성의 불변성, 즉 분산, 매체 부피 내 입자의 균일한 분포 및 입자 간 상호 작용의 특성으로 이해됩니다. 분산 시스템의 안정성은 침전(운동적), 집합적, 상(응축)으로 구분됩니다.

침강안정성은 부피 내에서 입자의 균일한 분포를 유지하는 분산 시스템의 능력을 나타냅니다. 중력의 작용과 입자의 침전 또는 부유 과정에 저항합니다.

종합적안정성은 입자 확대 과정에 저항하는 시스템의 능력입니다.

Aggregation과 관련하여 분산 시스템은 다음과 같이 구분됩니다.

1. 열역학적으로 안정하거나 친액성,추가적인 안정화 없이 자발적으로 분산되고 존재합니다(콜로이드 계면활성제 용액, 폴리머 용액, 현탁액 - 점토, 비누, 탄화수소 용액 등). 이러한 시스템이 형성되면 Gibbs 자유 에너지가 감소합니다. D G<0.

2. 근본적으로 열역학적으로 불안정하거나 소수성시스템. 불안정성은 과도한 표면 에너지로 인해 발생합니다. 이는 자발적 분산(졸, 현탁액, 유제)으로는 얻을 수 없습니다. 에너지는 항상 형성에 소비됩니다. D G>0.

응집 안정성의 상실로 인해 분산상 입자가 응집되는 과정을 호출합니다. 응집 .

상(응축) 안정성은 분산 시스템의 응고 중에 형성된 응집체의 구조와 강도를 나타냅니다. 응축-불안정한 시스템은 깨지기 쉬운 집합체나 느슨한 퇴적물을 형성하며, 여기서 입자는 이동성을 잃지만 오랫동안 보존됩니다. 이것이 촉진된다 중간층입자 사이의 분산 매체. 그러한 유닛 구조다시 개별 입자로 분해될 수 있습니다. 해교를 겪습니다. 결로 방지 시스템은 강한 구조를 지닌 집합체를 형성하는 것이 특징입니다. 이는 입자 간의 직접적인 상 접촉, 결정화 과정, 입자 융합 등에 의해 발생합니다.

입자의 조합은 상 안정성을 갖는 연속 구조 시스템의 형성으로 이어질 수 있습니다.

집계 요인 지속 가능성분산 시스템은 열역학과 동역학으로 구분됩니다.

에게 열역학적 요인에는 다음이 포함됩니다.

정전기의- 입자 표면에 이중 전기층(DEL)이 나타나 정전기 반발력 생성에 기여합니다.

흡착-용매화 -계면 장력이 감소하여 화해가 방해됩니다. 입자;

엔트로피 -입자가 시스템 전체에 균일하게 분포되는 경향이 나타납니다.

에게 운동 요인지속 가능성,입자 응집 속도를 줄이는 것에는 다음이 포함됩니다.

구조적-기계적탄성과 기계적 강도를 가지며 파괴에 강한 입자 표면에 보호막 형성과 관련됩니다.

유체 역학- 분산매의 점도 및 밀도 변화로 인해 입자 이동 속도가 감소합니다.

소수성 콜로이드의 안정성 이론은 Deryapsh, Landau 및 Vervey Overbeck(DLFO 이론)에 의해 개발되었습니다. 분산의 안정성 시스템입자의 인력과 반발 에너지의 균형에 의해 결정됩니다. 인력의 에너지는 분자간 힘으로 인해 발생합니다. 반 데르 발스그리고 다시 변경 제곱에 비례입자 사이의 거리. 반발 에너지 이론 DLPO, 정전기 성분에 의해서만 결정됨 해체되는 압력 (반발력) 및 감소하다와 함께 거리지수법칙에 따르면. 따라접근하는 입자 사이의 얇은 액체 층에 있는 이러한 힘의 균형으로 인해 양의 분리 압력이 발생하여 연결을 방해하거나, 또는음수로 인해 층이 얇아집니다. 그리고사이의 접촉 입자.

얇은 액체층에서 분리 압력이 발생하는 원인은 다음과 같습니다.

1) 정전기의 이중 전기층(DEL)의 상호 중첩으로 인해 발생하는 층의 상호 작용 - 이는 에너지에 의한 반발력입니다. U에서>0;

2) 반 데르 발스의 인력 에너지로 당신은<0;

1) 흡착 분자 흡착층이 겹칠 때 발생하는 힘(농도가 증가하면 필름 쪽으로 삼투압 흐름이 생성되어 시스템의 표면 에너지가 증가하고 결과적으로 반발력이 발생함)

2) 구조적 특수 구조의 용매 경계층 형성과 관련이 있습니다. 이는 친액성 시스템의 특징이며 흡착-용매화 장벽의 열역학적 개념에 해당합니다. 효과는 대개 긍정적입니다.

입자간 상호작용의 결과 에너지 유는 두 가지 구성 요소의 합으로 정의됩니다.

만약 | 유오트 | > | 유 pr |이면 반발력이 우세하고 응집이 발생하지 않으며 졸은 전체적으로 안정합니다. 반대의 경우에는 입자 사이의 인력이 우세하여 응고가 발생합니다.

이러한 힘의 정량적 해석을 고려해 보겠습니다.

정전기적 반발력미셀 사이의 반대 이온의 확산 층이 겹칠 때 발생합니다. 이 상호작용의 에너지:

어디 시간– 입자 사이의 거리; 는 확산층 두께 δ의 역수이며; ㅏ– 독립된 수량 시간디젤 발전소의 매개변수에 의해 결정됩니다.

수량 א 및 ㅏ DES 이론을 기반으로 계산할 수 있습니다.

계산에 따르면 반발 에너지가 감소하는 것으로 나타났습니다.

· 에 반대이온 전하 증가그리고 그들의 농도;

· 에 절대값 감소 ψ o그리고 z-전위.

방정식으로부터 다음과 같습니다: 유 ott는 입자 사이의 거리가 증가함에 따라 감소합니다. 시간지수법칙에 따르면.

매력의 에너지주로 분자 간의 분산 상호작용과 관련이 있습니다. 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

어디 AG– 하마커 상수.

이 방정식에 따르면 입자 사이의 거리가 증가함에 따라 인력 에너지가 변합니다. 시간거리의 제곱에 반비례합니다. 따라서 인력은 거리가 증가함에 따라 상대적으로 천천히 감소합니다. 그래서 점점 늘어나면서 시간 100배 끌어당기는 에너지가 104배 감소합니다. 동시에 반발에너지는 1043배 감소한다.

멀리 떨어져 있는 입자 사이의 상호작용으로 인해 발생하는 에너지 시간는 다음 방정식에 의해 결정됩니다.

입자 사이의 거리에 대한 입자 간 상호 작용의 총 위치 에너지의 의존성은 복잡합니다.

이 의존성에 대한 일반적인 견해 유 = f(h)그림 1에 제시되어 있습니다.

그래프에는 세 가지 섹션이 있습니다.

1) 0 < 시간 < 시간 1 . 유(시간)<0, между частицами преобладают силы притяжения, наблюдается ближний минимум.

유 ott → const; 유 pr → -무한대. 응고가 발생합니다.

2) 시간 1 <시간<시간 2 . 유(시간)>0 – 입자 사이에 척력이 우세합니다. 유오트 > | 유홍보 |.

3) 시간 2 < 시간 < 시간 3 . 유(시간)<0 – обнаруживается дальний минимум, однако глубина его невелика.

~에 시간 = 시간 1 , 시간 2 , 시간 3 유 (시간) = 0, 즉 입자 사이의 거리에서 인력은 척력과 균형을 이룹니다.

따라서 입자가 다음보다 작은 거리에 접근하면 시간 1, 그들은 필연적으로 서로 뭉칠 것이지만, 이것이 일어나기 위해서는 잠재적인 장벽을 극복해야 합니다. ΔU ~. 이는 평균적으로 제품에 가까운 입자의 충분한 운동 에너지로 가능합니다. κT.

두 입자의 상호 작용을 고려해 봅시다. 우리는 하나의 입자가 고정되어 있다고 생각하고 두 번째 입자는 다음과 같은 에너지로 접근합니다. κT.

만약에 κT < ΔU등등, 입자는 멀리 떨어져 있을 것입니다 응분산매 층을 통해 서로 연결됩니다. 즉, "쌍"을 형성하지만 직접적으로 서로 달라붙지 않고 침강 안정성을 잃지 않습니다. 이러한 경우 상호작용은 최소한으로 발생한다고 합니다.

만약 Δ 우민 < κT << ∆당신에게, 입자는 충돌 시 서로 멀리 날아갑니다. 시스템은 전체적으로 안정적입니다.

만약에 κT < ΔU ~, 그러면 느린 응고가 발생합니다.

만약에 κT > ΔU ~, 그러면 급속한 응고가 발생합니다.

졸은 일반적으로 일정한 온도로 간주되므로 입자의 운동 에너지는 일정하게 유지됩니다. 따라서 응고가 일어나기 위해서는 응고에 대한 잠재적 장벽을 줄여야 합니다. ΔU ~.

일반적으로 전위 장벽을 낮추기 위해 전해질 응고제가 시스템에 도입됩니다. DLFO 이론을 사용하면 CB의 급속 응고에 대한 임계값을 계산할 수 있습니다.

어디 ㅏ, 안에– 계산할 수 있는 일정한 양;

ε – 매체의 유전 상수;

지– 응고제 이온의 전하;

ē – 전자 전하.

소수성분산 시스템(졸, 에멀젼, 현탁액)은 표면 에너지가 너무 높기 때문에 전체적으로 불안정합니다. 입자 확대 과정은 비표면적이 감소하고 표면 깁스 에너지가 감소하기 때문에 자발적으로 발생합니다.

두 가지 원인으로 인해 입자 크기가 증가할 수 있습니다. 응집,저것들. 등온 증류(작은 입자에서 큰 입자로 물질 이동)로 인해 입자가 접착됩니다. 소수성 분산 시스템의 응고는 기계적 영향, 빛, 온도 변화, 분산상의 농도 변화, 전해질 추가 등 다양한 요인의 영향으로 발생할 수 있습니다.

콜로이드 시스템의 전해질 응고에는 중화와 농축의 두 가지 유형이 있습니다.

중립화응집관찰됨 ~에약하게 하전된 입자를 가진 졸. 추가된 전해질의 이온은 대전된 표면에 흡착되어 입자의 표면 전위를 감소시킵니다. 전하가 감소하면 입자 사이의 전기적 반발력이 약해지고, 입자가 서로 접근하면 서로 달라붙어 침전된다.

최저 전해질 농도 와 함께~, 그것이 시작되는 곳 느린 응고라고 불리는 응고 역치.

전해질 농도가 더욱 증가하면 더 높은응고 역치에서는 응고 속도가 먼저 증가합니다(그림 2의 섹션 I). 이는 응고가 느린 영역입니다.

응고 속도가 전해질 농도에 더 이상 의존하지 않는 영역을 급속 응고 영역이라고 합니다(그림 2의 섹션 II).

농도형 전해질 응고에서 Deryagin-Landau 법칙에 따른 응고 역치 Ck는 반대이온의 전하량에 반비례합니다. 지여섯 번째 거듭제곱:

단일, 이중 및 삼중 하전 이온에 대한 응고 임계 값은 다음과 같이 관련됩니다.

응고 역치의 역수는 다음과 같습니다. 응고 능력.단일, 이중 및 삼중 하전 반대이온의 응고 능력 값은 1:64:729로 서로 관련됩니다.

응고 역치(kmol/m3)는 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.

어디 와 함께 el - 전해질 농도, kmol/m3;

V el, - 응고를 일으키는 전해질의 최소량, m 3;

V졸 - 졸의 부피, m3.