Химия кремнезема ч.2 - Айлер Р.
Скачать (прямая ссылка):
с
Т5~1 ОО^О &~ <----
о% сУо о о о^?^ —Т-Т-Г^ттуГ
Мембрана
Поток нго
Замедленный поток
Рис. 4.4. Схема ультрафильтрации, «концентрационной поляризации» частиц и образования микрогеля.
По мере циркуляции над мембраной разбавленный золь будет концентрироваться у ее поверхности, однако его частицы имеют возможность диффундировать обратно в область разбавленного золя. Частицы микрогеля не диффундируют подобным образом, оставаясь около поверхности мембраны.
имеющими в диаметре 1—20 нм (10—200 А). Была составлена библиография по применению мембран [133]. Оборудование и необходимую информацию можно получить в ряде фирм, выпускающих широкий ассортимент разработанной аппаратуры и мембранных устройств.
Разработке гораздо более эффективной аппаратуры и расширению ее применения способствует лучшее понимание основных принципов ультрафильтрации. Теория ультрафильтрации была подробно изложена Портером [134], который в особенности имел дело с проблемой «концентрационной поляризации». Как представлено на рис. 4.4, движение частиц по направлению к мембране приводит к формированию концентрированного слоя золя с высокой вязкостью. Такой слой может замедлить поток или скорость фильтрации до небольшой доли от скорости жидкой среды в отсутствие коллоидных частиц. Сопротивление потоку—следствие не только закупоривания пор или даже фактически образовавшегося сплошного слоя (геля) плотно упакованных коллоидных частиц. Айлер наблюдал, что оно представ-
Коллоидный кремнезем — концентрированные золи
ляет собой прямую функцию от высокой вязкости концентрированного слоя золя. При пропускании струи воды в верхней части системы частицы кремнезема начинают диффундировать в направлении от граничного слоя, и скорость воды не меняется. В ходе этого процесса распределение коллоидных частиц становится «поляризованным» в том смысле, что их концентрация оказывается более высокой вблизи поверхности ультрафильтра и значительно меньшей в отдалении от него. Такая «поляризация» полностью обратима.
Для поддержания высокой скорости потока необходимо, чтобы толщина и концентрация коллоидного слоя вблизи поверхности фильтра сохранялись минимальными за счет создания значительного смещения слоев жидкости около мембраны. Это достигается увеличением линейной скорости потока золя, проходящего над поверхностью фильтра, и особенно его турбулентным режимом. В небольших лабораторных ультрафильтрах с горизонтально расположенной мембраной интенсивный турбулентный режим поддерживается механической мешалкой, находящейся очень близко к мембране. При поддержании неизменными других условий скорость потока быстро уменьшается с возрастанием концентрации золя. Обычно увеличение давления вблизи поверхности ультрафильтра не играет такой роли, как достижение минимума концентрационной поляризации.
С ростом температуры наблюдается быстрое увеличение потока. Следовательно, там, где это возможно, ультрафильтрацию растворов необходимо проводить при максимально высокой температуре.
Ограничения, возникающие при удалении солей методом ультрафильтрации. Ультрафильтрация с непрерывным добавлением воды достаточно эффективна для удаления солей вплоть до их остаточного содержания 0,03 н. даже из концентрированного золя кремнезема. При таких низких уровнях содержания для солей характерна тенденция оставаться в ассоциированном состоянии с заряженной поверхностью коллоидных частиц. Вполне возможно, что до сих пор это не было известно, по крайней мере в химии коллоидного кремнезема, но на такое явление необходимо обращать внимание при удалении солей из других ионных коллоидных систем. Высказывается предположение, что в разбавленных золях, когда заряженные частицы отдалены друг от друга и в то же время концентрация противо-ионов натрия вокруг частиц достаточно высока, сульфат-ионы будут стремиться концентрироваться в виде вторичного слоя вблизи слоя ионов натрия. Как показано на рис. 4.5, вокруг каждой частицы кремнезема существует граничный слой с преобладающим содержанием ионов N8+. Снаружи от него в непосредственной близости должен находиться вторичный слой,
464
Глава 4
в котором содержится больше отрицательно заряженных сульфат-ионов, чем катионов натрия. Таким образом, наблюдается тенденция повышения концентрации сульфат-ионов вблизи частиц кремнезема, а не в толще слоя воды. Следовательно, в фильтрате будет находиться относительно меньшее содержание сульфат-ионов.
Рис. 4.5. Схема концентрирования соли около коллоидных частиц кремнезема.
Вокруг отрицательно заряженной частицы кремнезема находится слой противоположно заряженных катионов натрия. К нему примыкает слой, в котором сульфат-анионы сконцентрированы в большей степени, чем в объеме раствора.
Такой эффект становится заметен в золях, состоящих из небольших частиц и содержащих менее 20 % кремнезема при рН 9. Путем измерения концентрации ионов 50;Гв прошедшем через ультрафильтр фильтрате, а также в золе прослеживались типичные результаты наблюдений.
К 6,5 л 9 %-ного золя БЮг с частицами размером 6 нм при рН 9 и содержании 0,04 н. сульфата натрия добавляли 10 л воды для промывания, но, несмотря на то что фильтрат удаляли, объем золя оставался постоянным. Подсчеты показали, что содержание соли при таком разбавлении должно понизиться до 0,009 н., но фактически оно оказалось равным 0,022 н. Одновременно выполненный анализ подтвердил, что концентрация сульфат-ионов во время этого процесса в фильтрате оказывалась меньше, чем в золе. В окончательно получаемом золе на 1 нм2 поверхности кремнезема приходилось 0,15 сульфат-иона и 0,8 противоиона натрия. Можно, конечно, осуществить
