Агломерация частиц в движущемся потоке: понятие о коагуляции,виды коагуляции

14.Устойчивость коллоидов в коагуляции. Теория ДЛФО. Кривые результирующего взаимодействия частиц для различныx случаев коагуляции.

Между коллоидными частицами одного знака заряда (содержащиеся в природной воде органические примеси, в том числе железосодержащие, и коллоидная кремнекислота заряжены отрицательно) действуют молекулярные силы притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) и электростатические силы отталкивания (кулоновское взаимодействие). Таким образом, стабильность (устойчивость) дисперсной фазы и ее коагуляция определяются соотношением между силами притяжения и отталкивания частиц.

В наиболее общем виде теория взаимодействия частиц была разработана советскими учеными Б.В.Дерягиным и Л.Д.Ландау в 1937-1941 гг. и несколько позже независимо от них голландскими учеными Фервеем и Овербеком. По первым буквам фамилий этих ученых теория взаимодействия и коагуляции дисперсных частиц получила сокращенное название ДЛФО. Простейший случай этой теории рассматривает взаимодействие без учета теплового движения двух крупных частиц, у которых толщина ДЭС значительно меньше размера частиц, что позволяет перейти к оценке взаимодействия двух плоских параллельных пластин.

Суммарная энергия взаимодействия пластин, приходящаяся на единицу площади, складывается из энергии электростатического отталкивания и молекулярного притяжения U_М:

3.13

Количество энергий зависит от расстояния h между пластинами:

	3.14
	3.15

где Пэ, Пм - давления отталкивания и притяжения, являющиеся составляющими расклинивающего давления.

Понятие расклинивающего давления в теории агрегативной устойчивости было введено Б. В. Дерягиным в 1935 г. Оно возникает при сильном уменьшении толщины пленки при взаимодействии сближающихся поверхностных слоев и обусловливается сближением как фаз так и межфазных слоев. Расклинивающее давление можно рассматривать как избыточное давление, которое нужно приложить к пленке, чтобы сохранить ее равновесную толщину, поэтому отталкивание поверхностных слоев (Пэ) рассматривается как положительное, а притяжение (сжатие пленки Пм) - как отрицательное.

В теории ДЛФО принято, что давление отталкивания характеризуется только электростатическими силами, поэтому

3.16

В соответствии с теорией Гуи - Чепмена изменение потенциала (рис. 3.1) соответствует уравнению:

3.17

Интегрирование уравнения (3.16) в пределах от 2 _X до 0 и дальнейшее интегрирование уравнения (3.14) в пределах от h (расстояние между пластинами) до бесконечности позволяют выразить в окончательном виде:

3.18

Из (3.18) следует, что U_Э(h) уменьшается с увеличением расстояния по экспоненциальному закону.

Энергия притяжения частиц в теории ДЛФО определялась суммированием взаимодействий между атомами и молекулами. В основу вывода этого уравнения положено уравнение адсорбционного притяжения (Uадс) одной молекулы к поверхности адсорбента (в данном случае частицы). Энергия молекулярного притяжения пластин в среде описывается уравнением: table>

3.19

где A - константа Гамакера. Эта константа учитывает природу взаимодействующих тел, выражается в единицах энергии (порядка 10^-19Дж) и слагается из отдельных констант, характеризующих свойства дисперсной фазы и среды.

Уравнение (3.19) показывает, что энергия притяжения пластин (частиц) обратна квадрату расстояния между ними, т. е. она уменьшается значительно медленнее с расстоянием, чем энергия притяжения между молекулами (атомами), которая обратно пропорциональна расстоянию в шестой степени. Отсюда следует, что коллоидные частицы взаимодействуют на более далеких расстояниях, чем молекулы.

Зная закономерности для энергии отталкивания и энергии притяжения частиц, простым сложением получаем общую удельную энергию взаимодействия между параллельными пластинами (частицами):

3.20

Энергия взаимодействия сферических частиц вычисляется по более сложным уравнениям, примером которых может служить уравнение (3.21). полученное для частиц с низким потенциалом (характерным для коллоидных систем природных вод) и радиусом частиц существенно превышающим толщину диффузного слоя:

3.21

Уравнение (3.20), полученное в соответствии с теорией ДЛФО, характеризует поведение дисперсных систем, устойчивость которых или коагуляция определяется значением и знаком общей потенциальной энергии взаимодействия частиц. Характер изменения энергии отталкивания Uэ(h) и энергии притяжения Uм(h) показан на рис.3.4.

Рис 3.4. Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц