Влияние поверхностного потенциала воды на реологические свойства дисперсных систем

Библиотека 5баллов АНДРЕЕВ В.Г.ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫНА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Дисперсные системы относятся к гетерогенным системам и состоят из двухи более фаз 1 .Одна из фаз является сплошной и называется дисперсионной средой. Другие фазыраздроблены и распределены в первой они называются дисперсными фазами.Дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является вода, широкораспространены в природе и играют важную роль в технике кровь живыхорганизмов, грязевые потоки, суспензии в производстве керамики и т.д. .Реологические свойства этих дисперсных систем в значительной степени зависят отсвойств межфазной границы вода -дисперсная фаза . Поэтому исследование этих зависимостей весьма актуально прирешении ряда задач по регулированию свойств дисперсных систем.При погружении частиц дисперсной фазы в водную среду происходит специфическаяадсорбция всегда присутствующих в воде ионов Н3О и OH- наповерхность.

Величины адсорбции ионов Н3О и OH- обусловленыособенностям химического состава, кристаллической структуры и состоянияповерхности частиц дисперсной фазы. Свойства межфазных границ вода дисперсная фаза зависят также от поверхностного потенциала воды. Известно, чтов нейтральной среде поверхность воды имеет отрицательный потенциал -450 мВ,несмотря на то, что концентрация ионов Н3О равна концентрации ионов OH- 2 . ИоныOH- посвоему строению сильнее отличаются от строения молекул воды, чем ионы Н3О ,что и объясняет их повышенную поверхностную активность рис.1 . Поэтому, какправило, поверхность частиц в дисперсных системах заряжается отрицательно, чтоспособствует снижению вязкости дисперсных систем благодаря уменьшению силмежчастичного трения в результате действия кулоновских сил взаимного отталкивания между частицами.

Рис.1. Схема строения иона Н3О , молекулы воды ииона OH- Соотношение ионов Н3О и OH адсорбирующихся наповерхности воды, и, следовательно, потенциал поверхности воды, зависят отисходного соотношения ионов Н3О и OH- в воде, т.е. от кислотности рН водной среды.

Это подтверждается данными, приведенными на рис.2. Потенциалповерхности дистиллированной воды определяли по методике, описанной в работе 2 . Дляизменения рН использовались водные растворы HCl и NaOH. Увеличение рН щелочная среда вызывает увеличение доли адсорбированных ионов OH- и, соответственноусиливает отрицательный заряд на поверхности воды. В кислой среде происходитснижение и последующая инверсия поверхностного потенциала. Величину рН,соответствующую нулевому потенциалу поверхности воды 5,4 , назовем точкойнулевого заряда ТНЗ . В технике часто приходится решать задачу получения стабильныхконцентрированных 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 предотвратитьналипание дисперсных систем на стенки трубопроводов, реакторов и рабочиеповерхности технологического оборудования.

Похожие задачи встречаются и вмедицине, например, снижения вязкости крови при высоком содержании эритроцитови предотвращения формирования атеросклеротических бляшек на стенках кровеносныхсосудов.

Известно, что кровь человека и других живых организмов имеет щелочнуюреакцию.

Отрицательный поверхностный потенциал поверхности воды обеспечиваетформирование отрицательного потенциала на стенках кровеносных сосудов иповерхности эритроцитов. В результате снижается вязкость крови и вероятностьформирования атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов из-завозрастания кулоновских сил отталкивания между отрицательно заряженнымиповерхностями.

Аналогичные явления наблюдаются и в суспензиях керамическихпорошков.Как видно из данных, приведенных на рис.3, налипание суспензий Fe2O3 на поверхности пластинстали и оргстекла происходит в кислой и нейтральной средах. В основной среденалипания не происходит, а имеет место даже растворение налипшей массы и очисткапластин.

В щелочной среде повышается седиментационная устойчивость суспензии иснижается вязкость.Концентрацияадсорбированных ионов зависит от кривизны поверхности.Вблизи поверхностичастицы равновесная концентрация адсорбированных ионов H3O повышена по сравнению сплоской поверхностью на величину 3 ,где С0 - концентрация адсорбированных ионов наплоской поверхности Vр равновесный объемиона R универсальная газовая постоянная T температура Ds - понижение поверхностной энергии приадсорбции r радиус частиц.Следовательно,потенциал поверхности частиц дисперсной фазы изменяется быстрее потенциала поверхностипластины.

Поэтому в кислой среде, как правило, поверхность частиц имеетположительный потенциал, а на поверхности пластины еще сохраняется отрицательныйпотенциал, что служит причиной значительного возрастания налипания частиц кповерхности 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 . Втехнике также используются полиэлектролиты для стабилизации и снижения вязкостиводных суспензий и шликеров 3 . Эффективность полиэлектролитов объясняетсяформированием двойного электрического слоя на поверхности частиц дисперснойфазы в результате адсорбции полиионов.Использованиеполиэлектролитов для снижения вязкости суспензий может значительно влиять на процессыналипания.

В частности, аммонийные соли поликислот цитрат аммония, полиакрилатаммония и т.д. неустойчивы и могут разлагаться с выделением аммиака 3 . Врезультате в суспензиях формируется кислая среда, значительно ускоряющаяпроцессы налипания.

Поэтому в керамическом производстве предпочтительнееиспользование устойчивых солей поликислот например, триэтаноламиновые соли,натриевые и т.д Причем, содержание щелочи должно несколько превышатьстехиометрический состав с целью формирования основной среды и уменьшенияналипания.

В случае использования солей полиоснований полиэтилениминацетат,поливиниламин хлорид и т.д. для формирования основной среды количествовводимой кислоты должно быть меньше стехиометрического состава.Взаключении следует отметить важную роль полученных результатов при разработкелекарственных средств для снижения вязкости крови и предотвращения формированияатеросклеротических бляшек.Эффективные препараты можно создать сиспользованием полиэлектролитов, обеспечивающие стабильность рН крови вблизи7,36 благодаря большой буферной емкости.Рис.2.Влияние рН на потенциал поверхности водыРис.3. Зависимостьмассы налипшего слоя на поверхности пластин из стали 1 и оргстекла 2 при ихпогружении в суспензию частиц оксида железа с содержанием твердой фазы 70 масс. и средним размером часмтиц 1 мкм от рН среды Литература Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем Л. Издание Ленинградского университета, 1981 172с. Colacicco G. Electrical potential of the water surface Chewm. Scripta. 1988. V.28, N.2. p.141-144. 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. Маркосян А.А. Нормальная физиология М. Медгиз, 1955. -392 с.