Влияние поверхностного потенциала воды на реологические свойства дисперсных систем

Дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является вода, широко распространены в природе и играют важную роль в технике (кровь живых организмов, грязевые потоки, суспензии в производстве керамики и т.д.). Реологические свойства этих дисперсных систем в значительной степени зависят от свойств межфазной границы «вода - дисперсная фаза». Поэтому исследование этих зависимостей весьма актуально при решении ряда задач по регулированию свойств дисперсных систем. При погружении частиц дисперсной фазы в водную среду происходит специфическая адсорбция всегда присутствующих в воде ионов Н 3 О + и OH - на поверхность.

Величины адсорбции ионов Н 3 О + и OH - обусловлены особенностям химического состава, кристаллической структуры и состояния поверхности частиц дисперсной фазы.

Свойства межфазных границ «вода – дисперсная фаза» зависят также от поверхностного потенциала воды.

Известно, что в нейтральной среде поверхность воды имеет отрицательный потенциал -450 мВ, несмотря на то, что концентрация ионов [ Н 3 О + ] равна концентрации ионов [ OH - ] [ 2 ] . Ионы OH - по своему строению сильнее отличаются от строения молекул воды, чем ионы Н 3 О + , что и объясняет их повышенную поверхностную активность (рис.1). Поэтому, как правило, поверхность частиц в дисперсных системах заряжается отрицательно, что способствует снижению вязкости дисперсных систем благодаря уменьшению сил межчастичного трения в результате действия кулоновских сил взаимного отталкивания между частицами. Рис.1. Схема строения иона Н 3 О + , молекулы воды и иона OH - Соотношение ионов Н 3 О + и OH - , адсорбирующихся на поверхности воды, и, следовательно, потенциал поверхности воды, зависят от исходного соотношения ионов Н 3 О + и OH - в воде, т.е. от кислотности (рН) водной среды. Это подтверждается данными, приведенными на рис.2. Потенциал поверхности дистиллированной воды определяли по методике, описанной в работе [ 2 ] . Для изменения рН использовались водные растворы HCl и NaOH . Увеличение рН (щелочная среда) вызывает увеличение доли адсорбированных ионов OH - и, соответственно усиливает отрицательный заряд на поверхности воды. В кислой среде происходит снижение и последующая инверсия поверхностного потенциала.

Величину рН, соответствующую нулевому потенциалу поверхности воды (5,4), назовем точкой нулевого заряда (ТНЗ). В технике часто приходится решать задачу получения стабильных концентрированных 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 предотвратить налипание дисперсных систем на стенки трубопроводов, реакторов и рабочие поверхности технологического оборудования.

Похожие задачи встречаются и в медицине, например, снижения вязкости крови при высоком содержании эритроцитов и предотвращения формирования атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов.

Известно, что кровь человека и других живых организмов имеет щелочную реакцию.

Отрицательный поверхностный потенциал поверхности воды обеспечивает формирование отрицательного потенциала на стенках кровеносных сосудов и поверхности эритроцитов. В результате снижается вязкость крови и вероятность формирования атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов из-за возрастания кулоновских сил отталкивания между отрицательно заряженными поверхностями.

Аналогичные явления наблюдаются и в суспензиях керамических порошков. Как видно из данных, приведенных на рис.3, налипание суспензий Fe 2 O 3 на поверхности пластин стали и оргстекла происходит в кислой и нейтральной средах. В основной среде налипания не происходит, а имеет место даже “растворение” налипшей массы и очистка пластин. В щелочной среде повышается седиментационная устойчивость суспензии и снижается вязкость.

Концентрация адсорбированных ионов зависит от кривизны поверхности.

Вблизи поверхности частицы равновесная концентрация адсорбированных ионов H 3 O + повышена по сравнению с плоской поверхностью на величину [3]: где С 0 - концентрация адсорбированных ионов на плоской поверхности; V р – равновесный объем иона; R – универсальная газовая постоянная; T – температура; D s - понижение поверхностной энергии при адсорбции; r – радиус частиц.

Следовательно, потенциал поверхности частиц дисперсной фазы изменяется быстрее потенциала поверхности пластины.

Поэтому в кислой среде, как правило, поверхность частиц имеет положительный потенциал, а на поверхности пластины еще сохраняется отрицательный потенциал, что служит причиной значительного возрастания налипания частиц к поверхности 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]. В технике также используются полиэлектролиты для стабилизации и снижения вязкости водных суспензий и шликеров [3]. Эффективность полиэлектролитов объясняется формированием двойного электрического слоя на поверхности частиц дисперсной фазы в результате адсорбции полиионов.

Использование полиэлектролитов для снижения вязкости суспензий может значительно влиять на процессы налипания. В частности, аммонийные соли поликислот (цитрат аммония, полиакрилат аммония и т.д.) неустойчивы и могут разлагаться с выделением аммиака [3]. В результате в суспензиях формируется кислая среда, значительно ускоряющая процессы налипания.

Поэтому в керамическом производстве предпочтительнее использование устойчивых солей поликислот (например, триэтаноламиновые соли, натриевые и т.д.). Причем, содержание щелочи должно несколько превышать стехиометрический состав с целью формирования основной среды и уменьшения налипания. В случае использования солей полиоснований (полиэтилениминацетат, поливиниламин хлорид и т.д.) для формирования основной среды количество вводимой кислоты должно быть меньше стехиометрического состава. В заключении следует отметить важную роль полученных результатов при разработке лекарственных средств для снижения вязкости крови и предотвращения формирования атеросклеротических бляшек.