XVIII.4 Коагулянттар мен фолокулянттарды қолдану.

Бізді ауыз сумен қ амтамасыз ету ү шін табиғ и суларды тазалайды. Бұ л табиғ и сулардың қ ұ рамына электрокинетикалық потенциялы ондағ ан милливольтқ а жететін микронды жә не субмикронды ө лшемі(0.1-10мкм) дисперстік бө лшектер, сонымен қ атар ә ртү рлі органикалық билогиялық макромолекулалық қ осылыстар бар. Соң ғ ы он жылдық тарда ө неркә сіптің қ арқ ынды дамуына жә не ауыл шаруашылығ ында тың айтқ ыштар мен инсектицидтер қ олдануына байланысты қ ондырғ ыларына тү сетін судың ластануының дең гейі тез ө сіп келеді.

Дисперстік кү йдегі қ оспалар су лайлығ ын тудырады. Судың тү стілігі оның гумминдік қ осылыстардың, танниннің, темір тұ здарының ө ндірістің боялғ ан қ алдық тарының болуына байланысты болады. Судың органикалық ластанулары дисперстік бө лшектерде адсорбцияланып, ө здерін қ орғ аушы коллоидтар ретінде кө рсетеді. Су тазалаудың қ иындығ ы бір уақ ытта ә рі қ орғ аушы амалы ретінде болатын органикалық ластаулар мен дисперстік бө лшектерді аластату. Олардың тұ рақ тылығ ы ә рі электростатикалық фактор, ә рі қ орғ аушы ә серінен болады. Тағ ы да ү дерістің жылдамдығ ынада едә уір қ атал талаптар қ ойылады, себебі тазалау қ ондырғ ыларындағ ы судың ә рбір бө лігін бө лу уақ ыты ондағ ан минут қ ана. Бұ л уақ ытты коагуляция кинетикасын сипаттайтын уақ ытпен салыстырайық. Смолуховский есептеуі бойынша r≈ 1 мкм жә не Cd≈ 100 мг/л болғ анда τ =10³с береді. Мұ нда седиментация жылдамдығ ы ү лкен болатын ірі агрегаттарды тү зу ү шін едә ір уақ ыт керек екенін ескері қ ажет

Ластанғ ан су қ ұ рамының кү рделілігі жә не оның ә р тү рлі су кө здеріне байланысты оның кең ауқ ымды ө згеретіндігі коагулянттары су тазалау ү шін таң даудағ ы теориялық негізін қ иындатады, себебі қ азіргі коагуляциялаудың тә жірибесі эмпирикалық зеттеулерге негізделген.

Су ластағ ыштарын коагуляциялау гидролизденетін катиондар мен минералды тұ здарды қ осу немесе металдардың анодтық еруімен жү зеге асады. Al⁺³ жә не Fe⁺³ тұ здары жиірек қ олданады.

Сулы гидролизденетін коагулянттары мен мө лдірлендіруден бұ рын табиғ и сулардың теріс зарядталғ ан бө лшектерін Al⁺³, Fe⁺³ катиондары мен бейтараптаумен байланыстырғ ан. Мұ ндай тұ жырым қ азіргі теория бойынша дұ рыс деп саналады, себебі кө п валентті иондар қ арқ ынды тү рде адсорбцияланып, бө лшекті кері зарядтауы мү мкін жә не Шульце – Гарди ережесіне сә йкес олардың дағ дарыстық концентрациясы бір жә не екі валентті иондарғ а қ арағ анда едә уір тө мен болады. Алайда егер органикалық ластанулар да аластатылып, ал дисперстік ластанудың тұ рақ тылығ ы тек зарядқ а емес қ орғ аушы адсорбциялық қ абаттарғ а байланысты екенін ескерсек, оның оң айлылығ ы тү сінікті.

Кө пвалентті иондармен коагуляциялау гидролиз ү дерісімен байланысты. Біріншіден, гидролиздің қ арапайым ө німдерінің конденсациясы нә тижесінде Al⁺³, Fe⁺³ катиондарына қ арағ анда коагуляциялау қ абілеті едә уір жоғ ары болатын полиядролық гидроксидтік қ осылыстар пайда болады. Екіншіден, Al⁺³, Fe⁺³ катиондары ү шін тек гидроксил ионымен емес, гидрофильдік органикалық заттардың иондалғ ан топтары: фосфатты, сульфатты, карбоксильді жә не т.б бар қ осылыстар тү зілуі ә бден мү мкін. Ү шіншіден, ортаның рН-ының ө суімен (4тен-7ге дейін) гидроксокешендердің полимеризациялану дең гейі ө седі, осы себептен альюминий қ осылыстарының полиядролық тү рлерін қ арапайым иондар мен полиэлектролиттер арасындағ ы аралық буын ретінде қ арастыруғ а болады. Осыдан шығ атын теріс зарядталғ ан органикалық қ осылыстар кө пвалентті иондардың гидролизі ө німдерімен байланыса алады жә не тү стіліктің тө мендеу механизмі осында. Одан басқ а, кейбір зерттеушілер полимерлі кешендер тудырғ ан флокуляция бар екенін мойындайды. Тө ртіншіден, рН=5-7*5 болғ анда гидролиз ерімейтін ө німдері басым, ең бірінші, Al(ОН)₃ кірней, ал еритін тү рлер ө те аз болады. Альюминий гидроксидінің зерттеулері ә уелі кристалдық тү рге ө туі баяу жү ретін ө лшемі 0.2 мкм болатын аморфты шариктер тү зілетінін кө рсетті. рН=4-8 болғ анда бө лшектер ары қ арай 2 мкм-ге дейін ө суі мұ мкін, рН=8*5-9*3 болғ анда бө лшектердің ө лшемі кө бінесе 0.01-0.05 мкм. Одан ә рі альюминий мен темір гидроксидтерінің кірнесі микроұ лпаларғ а айналады, Fe(ОН)₃ сірнелерінде біріншілік бө лшектер 10-30 мкм ө лшемі болады.

Al мен Fe гидроксидтерінің оң зарядталғ ан микроұ лпалары судың теріс зарядталғ ан ластағ ыштарымен қ осылады. Микроұ лпалардан ірі, тез седиментацияланатын ұ лпалардың кезекті тү зілуі судың тазалануын болдырады. Егер гидроокись бө ліктері оң, ал ластаудың бө лшектері теріс зарядталғ анын ескерсек, онда аттас зарядталғ ан ластанулар жағ дайына қ арағ анда сыналық ө ысымның электростатикалық теріс қ ұ рамдастарының қ осындысы молекулалық қ ұ рамдастармен бірге шұ ң қ ырдың едә уір ү лкен терең дігіне ә келеді. Сонымен су тазалауда ү лкен мә н беретін механизм іс жү зінде гетерокоагуляция ретінде ДЛФО теориясы негізінде сипатталуы тиіс.

Al мен Fe гидроксидтері кірнелердің қ ұ рылым тү зілу ерекшеліктері жеткілікті тез коагуляцияғ а жол ашады. Ластанғ ан бө лшектерді ірі ұ лпалармен жұ ту оларсыз едә уір тез ө теді. Бұ ғ ан жылдамдығ ы ұ лпалардың ө лшемдерінің кубы мен ағ ыс жылдамдығ ының градиентіне пропорционалды градиенттік коагуляцияғ а ә келетін араластыру режимі кө мектеседі.

Беріктілігі тө мен ұ лпалар гидродинамикалық ағ ыммен бұ зылады. Жылдамдық градиенті неғ ұ рлым ү лкен болса, ұ лпалардың мү мкін болатын ө лшемі соғ ұ рлым тө мен, беріктілігі жоғ ары болады. Сонымен тұ ндырғ ыштарда суды араластыру режимін таң дау ұ лпалардың ө лшемін, беріктілігін жә не седиментациялық жылдамдығ ын реттеуге мү мкіндік береді.

Ортадан тепкіш ө рісті коагуляциялаумен бірге қ олданбайды, себебі бұ л ә дістерге тә н жылдамдық тың жоғ ары градиенттеріне агрегаттар бұ зылады. Ұ лпаларды бө лу ү шін тұ ндырғ ыштарда, жұ қ а қ абатты тұ ндырғ ыштарда ағ ыстың тө мен жылдамдық тарында, тұ нбалардың жү згіндік қ абатында мө лдірлендіруді, сонымен қ атар баяу жә не тез сү згіштерді қ олданады.

Жұ қ а қ абатты тұ ндырғ ыштарда агрегатталғ ан жү згін қ иғ аш пластинкалар арасындағ ы жұ қ а қ абаттарда жылжиды. Қ иғ аш пластикаларда тү зілетін тұ нба ү здіксіз ауырлық кү ші ә серінен алыстап кетеді. Тү йіршік жү ктеме арқ ылы сү зу кезінде агрегатталғ ан ластанулардың седиментациясымен олардың кезекті жабысуы толығ ырақ ө теді. Бірақ жұ қ а қ абатты тұ ндырғ ыштағ ыдай тү йіршіктердегі тү зілетін тұ нба сұ йық тық тың ағ ысымен ә кетілмейді. Сү зудің артық шылық тары жү згін бө ліну ү дерісінің тез ө туі, коагулянттың аз мө лшерін талап етуі мен жү згіннің аз лайлығ ында мү мкін болуында. Бұ л артық шылық тар ластану бө лшектерін тұ рақ сыздандыру жеткіліктігімен байланысты, себебі жанасу коагуляциясына қ ажетті бет жү ктеменің (ұ нтақ ты жарғ ақ) ө зімен берілген.

Сү зудің ө те тө мен жылдамдық тарында ластанулар сү згі терең дігіне (≈ 1 см) ө тудің қ ысқ а жолында тұ нып ү лгереді. Ө йткені жұ қ а сү згінің кеуектерін бітейтін тұ нбаны болдырмайтын гидравликалық қ ысым жоғ ары емес. Ары қ арай су бұ л қ абат арқ ылы ө тіп, бө лшектер сонда қ алады, сондық тан тұ нба ағ ымғ а қ арсы ө седі.

Баяу сү зу режимінде кеуектердің тұ нбамен бітелгеннен кейін микрофлотациядағ ыдай дә л сондай тазалау режимін жү ргізеді. Бұ л баяу сү зуді тазалаудың механикалық ә дістеріне жатқ ызуғ а себеп болады.

Ағ ым жылдамдығ ының ө суімен тазалау режимі сапалық тү рде ө згереді. Сонымен қ атар ағ ым тұ нбаны кеуектер қ имасын толық жапканғ а дейін бұ зады. Бұ л режимде ластанулар енуден (кіруден) ә р тү рлі қ ашық тық та тұ нып сү згіш терең дігіне ү лкен қ ашық тық қ а (≈ 1 м) таралады. Бұ л сү згіштің ү лкен ластанулар сыйымдылығ ын қ амтамасыз етеді.

Ө неркә сіптік жағ дайларда су буымен алдын-ала қ анық қ ан газдардың шаң дардын конденсациялық тұ ту араластырғ ыш жылуалмастырғ ыштарда салқ ындатады.Осы мақ сатпен скрубберде салқ ын суды шашыратады. Жылдам тұ тқ ырлық тардың тиімділігі скрубберде шық тық нү ктеде газдың енуімен артады. Бұ л тек кірне бө лшектердің конденсациялық ауырлануымен ғ ана емес, сонымен қ атар бө лшектердің қ озғ алысына жылулық жә не кең істіктегі тамшы ө рісінің ә серімен байланысты. Шашыратқ ан сұ йық тық тың тамшысының ө суі немесе булануына қ атысты кірнелік бө лшектердің термо- жә не диффузиофорездік жылдамдығ ы тамшының бетіне немесе тамшының бетінен бағ ытталуы мү мкін.

Бө лшектер электрлік сү згілерде сыммен жә не оны қ оршағ ан цилиндрлік электродпен туындайтын негізгі разрядтар кө мегімен зарядталады. Короналардан шеттеп шық қ ан электрондар молекулалармен қ осылып, иондар тү зеді, олар ө з кезегінде аэрокірнелік бө лшектерде электрлік ө рісте немесе диффузияда олардың дрейфтенуінің арқ асында тұ нады. Иондарды жұ тқ ан бө лшек осы бағ ытта қ озғ алады жә не егер бө лшектің дрейфінің уақ ыты сү згінің ұ зындығ ының ағ ын жылдамдығ ының қ атынасына тең болса, онда ағ ында болғ андағ ы уақ ыттан аз болатын цилиндрлік электродта тұ нады. Дегенмен толық ұ стауды, тіпті азайтылғ ан жылдамдық та да болдыру мү мкін емес, ө йткені турбуленттік пульсациялар электродқ а бө лшектердің кейбір бө лігінің ауысуын баяулатады, ал тұ нғ ан бө лшектер кейде ағ ынмен бірге кетеді.

Аэрокірненің кинетикалық тұ рақ тылығ ының арнайы таң дамалы коллектордың есебінен тө мендеуі сү зу кезінде анық байқ алады. Бұ л жағ дайда сү згінің барлық ішкі беті шаң ның коллекторы болып саналады, сонымен қ атар броундық диффузия есебінен коллектордың бетіне нә зік дисперстік бө лшектерді жұ туды тек тө мендетеді, ө йткені оның жылдамдығ ының ө суімен бө лшектердің сү згіде болу уақ ыты кемиді.

Ө лшемі біршама ү лкен бө лшектері бар кірнелердің бұ зылу механизмі бө лек болады, ө йткені ондай жағ дайда сү зу инерциялық кү штің есебінен жү реді, сондық тан тазалау дә режесі ағ ын жылдамдығ ының артуымен ө седі.

Ламинарлы ағ ыста кө піршік бетіне шө гетін бө лшектер сияқ ты бө лшектер мен талшық тардың инерциясыз қ ақ тығ ысуы (а/R)² - ө рнегіне (ХVІІІ.2б) формуласы бойынша тура пропорционал, бірақ сандық коэффициенті басқ а болады. Сондық тан ол талшық тың радиусы азайғ ан сайын жоғ арылайды, ал бұ л ө те маң ызды, ө йткені ұ сталып қ алатын қ асиеті бар инерциясыз тұ ндыру ө лшемі бірнеше, жү здік микрометр ғ ана болатын, қ иын ұ сталынатын бө лшектері жің ішке талшық тарда тұ ндыру негізгі мә селелердің – бірі.

Петрянов қ ызметкерлерімен бірігіп шаң ды тұ ту технологиясының осы қ иын мә селесін шешті, яғ ни ө те нә зік аэрокернеулік сү згілер жасалды, олар қ иын ұ сталынатын тазартуды жоғ арғ ы дә режесін қ амтамасыз етті. Осы сү згілердің арқ асында шаң ды тұ ту мә селесі шешімін тапты деуге болады.

Аэрокірнелердің бұ зылу жолдарын қ арастыра отырып, аэрокірнелердің тү зілуін болдырмайтын тек бір мысал келтірейік. Ең ү лкен қ ауіп – кү кіртқ ышқ ыл тұ мандары. Ол кө птеген технологиялық ү рдістерде ауаның басым тұ мандар шаң ы аса қ анығ уынан тү зіледі. Бұ л кезде қ оспаның температурасы кү кіртқ ышқ ылы ү шін шық тың нү кте температурасынан тө мен болады да, нә зік дисперсті қ иын ұ сталынатын тұ ман пайда болады. Амелин араластырғ анда аса қ анығ удың теориясын дә лелдеп, аса кептірді, ендеше тұ манды болдырмаудың іс-шарасын кө рсетіп берді.

Қ орытынды

«Адам – жү ретін коллоид»

(И.И.Жуков)

Негізгі теориялық заң дылық тарды кө птеген тә жірибелік жұ мыстардың нә тижелерін, дисперстік жү йелердің кө птеген ғ ылыми бағ ыттарда атқ аратын маң ызды рө лдері мен халық шаруашылығ ының барлық саласында дерлік мысалдардарды зерделей отырып, осы курстың мазмұ нын білуге болады. Дисперстік жү йлерден тұ ратын реалды денелерді беттік қ ұ былыстар (оның ішінде электробеткі қ ұ былыстар, беткі қ ұ рылымдар, денелердің ө зара ә рекеттесуі, қ оршағ ан ортамен БАЗ-мен ә рекеттесуі туралы теориялар, бұ лар дисперсті жү йелердің тұ рақ тылығ ын анық тайды) туралы кең мағ ыналы теориясын жасамай тұ рып зерттеу мү мкін емес. Басқ а жағ ынан беттік қ ұ былыстар туралы теория реалды дисперсті жү йелерге қ олданғ анда ғ ана нә тижелі болады. Осы тығ ыз байланыс дисперстік жү йесіндегі беттік қ ұ былыстардың химиясы мен физикасы пә нінің негізі болып саналады.

Коллоидты химияның қ азіргі кездегі жағ дайы туралы белгілі шетелдік маман Овербек (Нидерланд) мақ аласында * былай жазғ ан болатын: «егер тіпті коллоид туралы ғ ылымның мағ ынасын коллоидтық дисперсиялар туралы ғ ылым деп шектесек те, кө птеген ғ ылыми пә ндер онымен терең байланыста, коллоидтық химия кең ірек мағ ынада беттермен бө ліну шекараларын, ерітінділердегі мицеллалық агрегаттарды, мембрана қ ұ былыстарды, тіпті полимерлердің кейбір қ асиеттерін де зерттейді.

Тө мен молекулалық қ осылыстар ү шін таза ғ ылым ретінде коллоид туралы ғ ылымның маң ызы зор, ө йткені кө птеген мысалдары солармен тығ ыз жағ дайда нақ ты портрет етсе, жақ сы образ беруге кө мектеседі. Мысалы, броундық қ озғ алыс – кө рнекі, жалпы термиялық қ озғ алысты тү сінуге кө мектеседі, жарғ ақ ты таң дамалы ө тімділік молекуласын емес, коллоидты дең гейге тә н, коллоидтар ү шін жарық тың шашырауы оң ай ө лшенеді жә не т.б.

Қ олданбалы ғ ылым ретінде коллоидтық ғ ылым кө птеген ө ндірістік жә не ғ ылыми бағ ыттарда (мысалы, биофизикалық жә не биохимиялық) зерттеуде маң ызды. Алайда коллоидты ғ ылымғ а ғ ылыми зерттеулерде жә не білім беруде оншалық ты мә н бермейді. Біз осыны мойындайтын Батыстағ ы бірнеше ғ ана орталық тарды ғ ана білеміз. Бұ л ө те ө кінішті, ө йткені жеке пә ндерді байланыстыратын коллоидтық ғ ылымның жанжақ тылығ ы студденттерді оқ ыту ү шін оларды басқ а облыстарда маманданатын адамдармен қ арым-қ атынасты ү йретуде жә не ә ртү рлі мә селелерді шешуде білімі мен ә ртү рлі ә дістерді қ осуда оны идеалды етеді».

Осыншама ұ зын сілтеме келтіру коллоидты химияның ғ ылыми шын практикалық маң ызын растау ү шін емес, ө йткені ол онсызда белгілі, сондық тан оны жалпылай қ олдап дамытуымыз керек.

Осы курста дисперстік жү йелердің қ асиеттерін белгілі бір жү йеге келтіру арқ ылы тү сіндіру кө зделген: беттік қ абаттың жалпы қ асиеттерінен бастап беткі кү штер мен адсорбцияғ а, электрлік беттік қ ұ былыстарғ а кө шіп оларды тұ рақ тылық ты тү сіндіруге қ олданып, одан ә рі дисперстік жү йелердің бұ зылуынан, ә ртү рлі типтегі қ ұ рылымды жү йелердің тү зілу мә селелерін қ арастырады.

Бұ л ортақ позициялардың барысында дисперстік жү йелердің маң ызды ө кілдерінің (кірнелер, жү зінділер, майғ ында, кө біктер, аэрокірнелер, Ү МҚ жә не оның ерітінділері, коллоидты ерітінділер) қ асиеттері қ арастырылады.

Дисперстік жү йелер мен беттік қ ұ былыстарды зерделейтін физика-химиясы пә нінің жинақ ылығ ын, пә ннің біркелкілігін кө рсету ү шін материалдарды баяндау кезінде біз, ә ртү рлі қ ұ былыстармен жү йелердің арасындағ ы байланыстар мен жалпы заң дылық тар орнатуғ а тырыстық. Фазааралық шекараларда ерекше қ асиеттері болатын осы қ абаттарда реалды денелердің ө зара жә не қ оршағ ан ортамен ә рекеттесуі жү ретіні белгілі.

Денелердің ө зара ә рекетесуін жзаратылыстану ғ ылымдарының барлық бағ ыттарында қ арастырады. Коллоидты химия ә ртү рлі білімдерді байланыстырып, қ осатын болғ андық тан оны шекаралық ғ ылым деп те атайды. Онымен қ оса коллоидтық химияның ә рбір жетістігі басқ ада пә ндердің дамуына ә серін тигізеді, оның ішінде болашақ тың ғ ылымы – экология да бар.

Біздің ғ асыр – ғ арыштық ғ асыр, онымен қ оса атомдар мен полимерлердің ғ асыры екенін білеміз, оғ ан қ оса оны шекаралық білімдерді дамытуғ а бағ ытталғ ан ғ асыр деп те айтуғ а болатын шығ ар. Ендеше жаратылыстанудың жалпы прогресінде коллоидты химия жетекші рө л атқ аратынына кү мә н келтіруге болмайды.

*Overbek I.Th. – Chem.Brit.1972, v.8, №9, p 370-371.

Қ оқ анбаев Ә.Қ.

Коллоидтық беттік-активтік заттар

(оқ у қ ұ ралы)

Алматы, 2008

Мазмұ ны

1. Коллоидтық БАЗ туралы тү сінік

2. Коллоидтық БАЗ-дың жіктелуі, негізгі сипаттамалары, алынуы жә не қ олданылуы.

2.А Коллоидты БАЗ-дың жіктелуі

2.Ә Коллоидты БАЗ-дың негізгі сипаттамалары, алынуы жә не қ олдануы

2.1 Аниондық БАЗ

2.2. Катиондық БАЗ

2.3. Иондық емес БАЗ

2.4. Цвиттор-иондық БАЗ

3. Коллоидтық БАЗ-дың негізгі ерекше қ асиеттері.

3.1. Коллоидтық БАЗ-дың беттік активтілігі

3.2. ГЛБ туралы тү сінік, БАЗ-дың ә сер ету механизмі бойынша классификациясы.

4. Беттік активтік заттардың мицелла тү зуі. МТДК-на ә ртү рлі факторлардың ә серлері

4.1. МТДК-ғ а БАЗ-дың молекулалар қ ұ рылысының ә сері

4.2. МТДК-ғ а еріген заттардың жә не температураның ә сері.

4.3 БАЗ ерігіштігінің температурағ а тә уелділігі. Крафт қ ұ былысы

4.4 Электролиттің ә сері

5. Мицеллатү зілудің қ озғ аушы кү штері жә не термодинамикалық модельдері

5.1. Гидрофобтық ә рекеттесулер

5.2. Фазалық бө лу моделі

5.3. Массалар ә рекеттесу заң ына негізделген модель

5.4. Кө птеген тепе-тең діктер моделі

6. БАЗ ерітінділеріндегі солюбилизация.

7. БАЗ-дың дисперстік жү йелерге тұ рақ тандырғ ыштық ә сері.

8. Мицелла тү зілудің дағ дарыстық концентрациясын анық тау ә дістері.

9 БАЗ-дарды анық тау ә дістері

10. Коллоидтық БАЗ ерітінділерінің практикалық маң ызы.

11. БАЗ-дың дермотологиялық ә сері.

12. БАЗ-дың қ оршағ ан ортағ а ә сері.

12.1. Су қ оймаларына қ атысты уландырғ ыштық

12.2 Биоыдырау жылдамдығ ы жә не БАЗ молекулаларының қ ұ рылымы

12.3. Қ оршағ ан ортаны қ орғ ау – жаң а қ ауіпсіз БАЗ-ды іздеудің стимулы

1. Кіріспе

Коллоидтық ерітінділердің басым кө пшілігі гетерогендік жә не термодинамикалық тепе-тең діксіз жү йе болып келеді. Алайда, бір жағ дайда, шын ерітінді, ал басқ а жағ дайда кірне, қ ұ рылымдық сұ йық тық немесе сірне бола алатын да жү йелер болады. Мұ ндай жү йелер қ айтымды жә не термодинамикалық тепе-тең дік кү йде болады.