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.