Химия и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий
 

Д.х.н. Алыков Н.М., к.х.н. Шачнева Е.Ю.

 

Астраханский государственный университет, Россия

 

изучение ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

ФЛОКУЛЯНТОВ серии АК-631 ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

 

 

Приведены результаты изучения физико-химических характеристик водных растворов флокулянтов в зависимости от ионной силы раствора. Для флокулянтов были рассчитаны радиусы частиц, толщина диффузного слоя и гидратной оболочки, энергии взаимодействия частиц в растворе.

Экспериментальная часть

Реагенты и аппаратура. В исследовании использовались флокулянты серии АК-631(Н-150, КП-1020, КП-540, А-155, А-930, А-1510) (ТУ 6-02-00209912-41-94; тех.регламент от 20.06.98 г; изготовитель – ФГУП «Саратовский НИИ Полимеров «ООО «Гель-Сервис» г. Саратов) [1-7], хлорид калия, х.ч., фотоколориметр ПЭ-5400в, капиллярный вискозиметр, нагреватели, встряхиватели, посуда мерная и керамическая.

 Расчет размеров частиц флокулянтов методом Геллера. Размеры частиц в водно-солевых растворах изучены по методу Геллера. Для описания светорассеяния можно воспользоваться эмпирическим уравнением:

                            ,                                                 (1)                                          

где κ - константа, не зависящая от длины волны, А - оптическая плотность раствора, λ - длина волны падающего света.

Значение показателя степени n зависит от соотношения между размером частицы и длиной волны падающего света, характеризуемого  параметром Z:

,                                                 (2)

где r - радиус частиц, l - среднее значение длины волны падающего излучения.

По величине n находят соответствующее значение Z, а затем по формуле (2) рассчитывают средний радиус частиц исследуемой дисперсной системы. На основании полученных результатов были построены зависимости «lg A – lg λ», а с использованием уравнения (2) рассчитаны радиусы частиц (табл. 1).

Таблица 1. Радиусы частиц флокулянтов

Флокулянт

n

Z

Радиус частиц r, нм

КП-1020

0,5

12,0

224,5

КП-540

0,4

12,5

233,9

А-155

0,5

12,0

224,5

А-1510

0,5

12,0

224,5

А-930

0,4

12,5

233,9

Н-150

0,4

12,5

233,9

 

Установлено, что ионная сила растворов не влияет на значение радиусов частиц флокулянтов, так как исходя из графических зависимостей, получены равные значения показателя n в уравнении Геллера при всех ионных силах раствора для каждого из флокулянтов этой серии. Это говорит о том, что значение показателя Z  также будет постоянным, а, следовательно, и значения радиусов частиц флокулянтов останутся постоянными.

Толщина диффузного слоя частиц флокулянтов. Для нахождения толщины диффузного слоя было использовано уравнение:

                              ,                                              (3)

где e - диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды; e0 - электрическая проницаемость дисперсионной среды; R=8,313Дж/моль∙К; T = 298К; F = 96500Кл; m – ионная сила раствора (рис. 1).

Исходя из представленной графической зависимости влияния ионной силы на толщину диффузного слоя частиц флокулянтов при различных температурах, необходимо отметить следующую зависимость: с увеличением ионной

Рис. 1. Влияние ионной силы растворов на толщину диффузного слоя флокулянтов в водных растворах: ∆-277 К; □-298 К; ○-313 К

силы растворов толщина диффузного слоя частиц флокулянтов уменьшается. С ростом температуры, при одинаковой ионной силе растворов, толщина диффузного слоя частиц флокулянтов увеличивается.

Толщина гидратной оболочки. Для определения толщины гидратной оболочки была рассчитана вязкость растворов флокулянтов в зависимости от ионной силы растворов. Для этого измеряли время истечения одинаковых объемов исследуемой жидкости τж и чистой воды τв. Вязкость определяли по формуле:

                                 ,                                               (4)                                                         

Объемную долю дисперсной фазы с гидратными оболочками находили по формуле Эйнштейна:

                                                    ,                                              (5)                                                                                         

где η - вязкость системы с концентрацией φ (г/дм3), h0 - вязкость воды, α - коэффициент формы частиц.

Объемную долю дисперсной фазы без гидратных оболочек (φI) рассчитывали по формуле:

                                       ,                                                  (6)                                                                        

где φ - концентрация флокулянта (г/дм3), φВ - концентрация воды (г/дм3), r - плотность раствора флокулянта (кг/м3), rВ - плотность воды (кг/м3).

Толщину гидратных оболочек частиц флокулянтов рассчитывали по формуле:

,                         (7)

где r - радиус частиц, φI - объемная доля дисперсной фазы без гидратных оболочек, φГ - объемная доля дисперсной фазы с гидратными оболочками.

Рис. 2. Зависимость вязкости от ионной силы растворов флокулянта КП-1020: ∆-277 К; □-298; ○-313 К

Толщина гидратной оболочки напрямую зависит от вязкости растворов и величины объемной доли дисперсной фазы с гидратными оболочками, которые уменьшаются с увеличением ионной силы растворов. Как видно из рисунка с увеличением ионной силы растворов величина вязкости растворов уменьшается, толщина гидратных оболочек частиц флокулянтов также равномерно уменьшается. С увеличением же температуры толщина гидратной оболочки уменьшается, это связано с уменьшением вязкости растворов, как и величины объемной доли дисперсной фазы с гидратными оболочками.

Энергия взаимодействия частиц флокулянтов в водных растворах. Энергию взаимодействия частиц флокулянтов в зависимости от расстояния между ними (h) и при различной ионной силе растворов рассчитывали с использованием уравнения Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО):

                     ,                               (8)                                     

где Uэ - энергия электростатического отталкивания частиц, Uм - энергия их молекулярного притяжения, e0 - электрическая постоянная, e - относительная диэлектрическая проницаемость среды, А* - константа Гамакера, параметр χ = 1/L (нм-1), где L - толщина диффузного слоя.

Расстояния между поверхностями частиц флокулянтов, нм: h = 2, 5, 10, 20 и 40. Величина ζ– потенциал частицы флокулянта, которую лучше всего представлять как величину дзета – потенциала (ζ= φδ) (100 мВ). Как видно из представленных зависимостей, с увеличением расстояния энергия взаимодействия частиц флокулянтов равномерно увеличивается. Эта зависимость характерна для всех растворов с различной ионной силой.

Рис. 3. Зависимость суммарной энергии взаимодействия двух частиц флокулянта КП-1020 от расстояния между их поверхностями, при различной ионной силе растворов: ◊-0,07; ○-0,13; ∆-0,26; □-0,52; *-1,04 (Т=298 К)

 

Библиографический список

1.    Алыков, Н.М. Исследование процесса сорбции флокулянтов на сорбенте СВ-1-А [Текст]/ Н.М Алыков, Е.Ю. Шачнева // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. – 2010. – № 8. – Т.53. – С. 50-54.

2.    Алыков, Н.М. Сорбент Cв-1-а для очистки воды от флокулянтов [Текст]/ Н.М Алыков, Е.Ю. Шачнева // Экология и промышленность России. – 2010. – № 8. – С. 20-21.

3.    Алыков, Н.М. Изучение сорбции флокулянтов на сорбенте CВ-1-A [Текст]/ Н.М Алыков, Е.Ю. Шачнева //Безопасность жизнедеятельности. – 2010. – № 8. – С. 39-42.

4.    Алыков, Н.М. Использование сорбента CВ-1-A для очистки воды от флокулянтов [Текст]/ Н.М Алыков, Е.Ю. Шачнева // Естественные науки. – Журнал фунд. и прикладн. исследований. – 2009. - № 4(29). – С. 158-167.

5.    Алыков, Н.М. Исследование физико-химических свойств частиц флокулянтов в зависимости от ионной силы растворов [Текст]/ Н.М Алыков, Е.Ю. Шачнева // «Научное творчество XXI века». – Красноярск. - №4(10). – часть 5. – С. 28-31.

6.    Алыков, Н.М. Сравнительное изучение адсорбции флокулянта КП-1020 на сорбенте CВ-1-A фотометрическим и вискозиметрическим методами [Текст]/ Н.М Алыков, Е.Ю. Шачнева // Естественные науки. – Журнал фунд. и прикладн. исследований. – 2011. - № 1. – С. 220-226.

7.    Алыков, Н.М. Оценка влияния флокулянтов различных классов на природные и промышленные объекты [Текст]/ Н.М Алыков, Е.Ю. Шачнева // Водоочистка.  – 2011. - № 3. – С. 27.