Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния
Исследовано влияние внешних факторов на устойчивость суспензий нитрида кремния. Рассчитаны вели чины энергии парного межчастичного взаимодействия. Установлено влияние физико-химической природы поверхности частиц и свойств дисперсионной среды на характер межчастичного взаимодействия. Предложен способ...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Украинский химический журнал |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187424 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния / В.Ю. Третиник, Т.С. Слипенюк, С.Д. Борук, А.С. Макаров // Украинский химический журнал. — 2011. — Т. 77, № 10. — С. 101-106. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-187424 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1874242025-02-23T18:09:38Z Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния Інтенсивність процесів міжчастинної взаємодії в гідросуспензіях нітриду кремнію Intensity of the contact interaction between particles in the hydrosuspensions of silicon nitride Третиник, В.Ю. Слипенюк, Т.С. Борук, С.Д. Макаров, А.С. Неорганическая и физическая химия Исследовано влияние внешних факторов на устойчивость суспензий нитрида кремния. Рассчитаны вели чины энергии парного межчастичного взаимодействия. Установлено влияние физико-химической природы поверхности частиц и свойств дисперсионной среды на характер межчастичного взаимодействия. Предложен способ регулирования седиментационной и агрегативной устойчивости гидросуспензии. Досліджено вплив зовнішніх факторів на стійкість суспензій нітриду кремнію. Проведено розрахунки енергії парної міжчастинної взаємодії та встановлено її залежність від фізико-хімічних характеристик поверхні частинок та властивостей дисперсійного середовища. Визначено вплив фізико-хімічної природи поверхні частинок та властивостей дисперсійного середовища на характер міжчастинної взаємодії. Запропоновано спосіб регулювання агрегативною та седиментаційною стійкістю дисперсних систем. An influence of some external factors on stability of the silicon nitride suspensions has been investigated and power characteristics of the couple interparticle interaction were calculated. A character of influence of physico-chemical surface parameters of the particles on properties of dispersed systems was found. A method of regulation of the sedimentation and aggregation stability of microheterogeneous systems has been proposed. 2011 Article Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния / В.Ю. Третиник, Т.С. Слипенюк, С.Д. Борук, А.С. Макаров // Украинский химический журнал. — 2011. — Т. 77, № 10. — С. 101-106. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0041–6045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187424 544.77.052.22 : 544.77.052.5 ru Украинский химический журнал application/pdf Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия |
| spellingShingle |
Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия Третиник, В.Ю. Слипенюк, Т.С. Борук, С.Д. Макаров, А.С. Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния Украинский химический журнал |
| description |
Исследовано влияние внешних факторов на устойчивость суспензий нитрида кремния. Рассчитаны вели чины энергии парного межчастичного взаимодействия. Установлено влияние физико-химической природы поверхности частиц и свойств дисперсионной среды на характер межчастичного взаимодействия. Предложен способ регулирования седиментационной и агрегативной устойчивости гидросуспензии. |
| format |
Article |
| author |
Третиник, В.Ю. Слипенюк, Т.С. Борук, С.Д. Макаров, А.С. |
| author_facet |
Третиник, В.Ю. Слипенюк, Т.С. Борук, С.Д. Макаров, А.С. |
| author_sort |
Третиник, В.Ю. |
| title |
Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния |
| title_short |
Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния |
| title_full |
Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния |
| title_fullStr |
Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния |
| title_full_unstemmed |
Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния |
| title_sort |
интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния |
| publisher |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Неорганическая и физическая химия |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187424 |
| citation_txt |
Интенсивность процессов межчастичного взаимодействия в гидросуспензиях нитрида кремния / В.Ю. Третиник, Т.С. Слипенюк, С.Д. Борук, А.С. Макаров // Украинский химический журнал. — 2011. — Т. 77, № 10. — С. 101-106. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Украинский химический журнал |
| work_keys_str_mv |
AT tretinikvû intensivnostʹprocessovmežčastičnogovzaimodejstviâvgidrosuspenziâhnitridakremniâ AT slipenûkts intensivnostʹprocessovmežčastičnogovzaimodejstviâvgidrosuspenziâhnitridakremniâ AT boruksd intensivnostʹprocessovmežčastičnogovzaimodejstviâvgidrosuspenziâhnitridakremniâ AT makarovas intensivnostʹprocessovmežčastičnogovzaimodejstviâvgidrosuspenziâhnitridakremniâ AT tretinikvû íntensivnístʹprocesívmížčastinnoívzaêmodíívgídrosuspenzíâhnítridukremníû AT slipenûkts íntensivnístʹprocesívmížčastinnoívzaêmodíívgídrosuspenzíâhnítridukremníû AT boruksd íntensivnístʹprocesívmížčastinnoívzaêmodíívgídrosuspenzíâhnítridukremníû AT makarovas íntensivnístʹprocesívmížčastinnoívzaêmodíívgídrosuspenzíâhnítridukremníû AT tretinikvû intensityofthecontactinteractionbetweenparticlesinthehydrosuspensionsofsiliconnitride AT slipenûkts intensityofthecontactinteractionbetweenparticlesinthehydrosuspensionsofsiliconnitride AT boruksd intensityofthecontactinteractionbetweenparticlesinthehydrosuspensionsofsiliconnitride AT makarovas intensityofthecontactinteractionbetweenparticlesinthehydrosuspensionsofsiliconnitride |
| first_indexed |
2025-11-24T06:52:29Z |
| last_indexed |
2025-11-24T06:52:29Z |
| _version_ |
1849653617815977984 |
| fulltext |
// Экотехнологии и ресурсосбережение. -2006. -№
6. -С. 58—63.
13. Ставицкая С.С., Стрелко В.В., Картель Н .Т . и
др. // Там же. -2007. -№ 5. -С. 65—71.
14. Верба О.Ю.. Потапова О.В., Курнявкин В.Н . и др.
// Бюллетень СО РАН. -2005. -№ 2 (116). -С. 134—138.
15. Вайсфальд Д.Н ., Голуб Т .Д. Лечебное применение
грязей. -Киев: Здоров’я, 1980.
16. Татевосов С.Р. Грязелечение. -М .: Медгиз, 1983.
17. Ставицкая С.С., Викарчук В.М ., Петренко Т .П . и
др. // Экотехнологии и ресурсосбережение. -2008.
-№ 4. -С. 21—28.
18. Ставицкая С.С., Стрелко В.В., Никипелова Е.М .
и др. // Укр. хим. журн. -2009. -75, № 11. -С.
29—34.
19. Пат. України № 84246. С 2.В 01J20/20. -Опубл.
2008; Бюл. изобрет. № 18.
20. Никипелова Е.М ., Николенко С.И ., Ставицкая С.С.,
Миронюк Т .И . // Уч.записки Таврического ун-та.
Сер. Биология, химия. -2009. -22 (61), № 4. -С.
322—333.
21. Тарковская И .А . Окисленный уголь -Киев:
Наук.думка, 1981.
22. Тарковская И .А ., Ставицкая С.С., Тихонова Л.П .,
Стрелко В.В. // Теорет. и эксперим. химия. -2000.
-36, № 6. -С. 376—382.
23. Стражеско Д.Н . Дис. ... докт. хим. наук. -Киев.
1951.
24. ГОСТ 6217-74. Уголь активный древесный дробленый.
25. Бабко А .К., Пятницкий И .В. Количественный ана-
лиз. -М .: Высш. шк., 1968.
26. Кельцев Н .В. Основы адсорбционной техники. -М .:
Химия, 1984.
27. Пат. № 20718. -Опубл. 15.06.2001; Бюл. изобрет. № 5.
Институт сорбции и проблем эндоэкологии Поступила 08.09.2010
НАН Украины, Киев
УДК 544.77.052.22 : 544.77.052.5
В.Ю. Третиник, Т.С. Слипенюк, С.Д. Борук, А.С. Макаров
ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ МЕЖЧАСТИЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
В ГИДРОСУСПЕНЗИЯХ НИТРИДА КРЕМНИЯ
Исследовано влияние внешних факторов на устойчивость суспензий нитрида кремния. Рассчитаны вели-
чины энергии парного межчастичного взаимодействия. Установлено влияние физико-химической приро-
ды поверхности частиц и свойств дисперсионной среды на характер межчастичного взаимодействия.
Предложен способ регулирования седиментационной и агрегативной устойчивости гидросуспензии.
ВВЕДЕНИЕ. Процессы контактного взаимо-
действия частиц в гидросуспензиях высокодиспер-
сных синтетических порошков являются удобной
моделью для изучения влияния ряда физико–хи-
мических характеристик поверхности частиц и ди-
сперсионной среды на межфазные процессы в дис-
персных системах [1—3].
Известно, что интенсивность межчастичных вза-
имодействий в дисперсных системах в существен-
ной мере определяется электростатической состав-
ляющей расклинивающего давления. Вместе с тем
эту составляющую можно изменять, вводя в систе-
му неорганические и органические вещества [4, 5].
Большой интерес вызывает совместное дейс-
твие электролитов и флокулянтов на устойчивость
дисперсных систем, поскольку полиэлектролиты
могут способствовать как сохранению системой
своих харрактеристик, играя при этом защитную
роль, так и ее полному разрушению, агрегируя час-
тицы, то есть способствуя образованию крупных,
быстро оседающих флокул [2]. Поэтому изучение
механизма совместного действия указанных доба-
вок является интересной и важной задачей, реше-
ние которой имеет как теоретическое, так и прак-
тическое значение.
Цель данной работы — исследование влияния
физико-химических свойств ряда веществ (водорас-
торимых полимеров и электролитов) на потен-
циальную энергию парного межчастичного взаимо-
действия частиц высокодисперсного нитрида крем-
ния в водной среде и ее взаимосвязь с кинетической
устойчивостью дисперсной фазы.
В качестве объектов исследования были вы-
браны: полученный плазмохимическим синтезом ни-
© В.Ю . Третиник, Т.С. Слипенюк, С.Д . Борук, А.С. Макаров , 2011
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2011. Т. 77, № 10 101
трид кремния Si3N4, плотность которого ρ = 3.44
г/см3, удельная поверхность 30—50 м2/г; водорас-
творимые полимеры:
– полиакриламид (ПАА),
, M r = 6.0⋅106,
– полиэтиленоксид (ПЭО):
(–СН2–СН2–О–)n , M r = 2.5⋅106 ;
электролиты: алюминия сульфат Al2(SO4)3; фер-
pума хлорид FeCl3.
ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТА-
ТОВ. Влияние изучаемых добавок на агрегативную
и седиментационную устойчивость гидросуспензий
нитрида кремния определяли по скорости измене-
ния оптической плотности дисперсной системы.
Исследования проводили на концентрационном
фотоэлектроколориметре КФК-2МП при длине вол-
ны 540 нм. Концентрация дисперсной фазы выби-
ралась таким образом, чтобы оптическая плот-
ность полученных суспензий не превышала 1.5—
2.0. В данном диапазоне зависимость оптической
плотности от концентрации дисперсной фазы имеет
линейный характер.
Скорость отстаивания суспензии, то есть раз-
деление фаз в суспензии характеризовали величи-
нами W , которые определяли исходя из времени
перемещения границы раздела фаз в цилиндриче-
ской емкости: W = h/τ, где h — высота просвет-
ленного шара; τ — время просветления.
Характер изменения оптической плотности во
времени определяется многими факторами, а имен-
но: интенсивностью агрегативных процессов в су-
спензии, вязкостью среды, броуновским движе-
нием частиц, формой, размерами, плотностью ча-
стиц и их агрегатов. Для того чтобы избежать
влияния посторонних факторов, проводили ана-
литическую обработку экспериментальных данных,
а количественные характеристики флокуляцион-
ного процесса получали на основе эксперимента-
льных зависимостей оптической плотности от
времени седиментации, то есть D = f (t).
Как показали расчеты, экспериментальные кри-
вые D = f (t) описываются аналитической зависимо-
стью D = D0exp(–nt), где D0 — оптическая плот-
ность в начальный момент времени; n — параметр
флокуляции, который количественно характеризует
процесс осветления дисперсионной среды суспензии.
Для исследуемых систем коэффициент корреляции
аппроксимации экспериментальных зависимостей
D = f(t) данной функцией составлял 0.85—0.98.
Величина D0 характеризует в основном струк-
турные изменения в суспензии под влиянием хи-
мических добавок и определяется спецификой про-
цессов экстинкции света при его прохождении че-
рез дисперсную систему. Характер изменения оп-
тической плотности сo временем седиментации оп-
ределяется величиной параметра флокуляции (n),
поэтому можно считать, что его величина харак-
теризует седиментационную неустойчивость диспер-
сной фазы. В то же время величины D0 и пара-
метр флокуляции (n) взаимосвязаны, поэтому стру-
ктурные изменения дисперсной фазы при действии
химических добавок определяют ее седиментацион-
ные свойства. Образование в гидросуспензиях агре-
гатов, состоящих из двух и более частиц, является
результатом потери не только агрегативной, но и
седиментационной устойчивости дисперсной фазы.
Расчет потенциальных кривых парного взаи-
модействия частиц позволяет количественно оценить
влияние ряда факторов на процессы структурооб-
разования в системе и выбрать объективные кри-
терии, характеризующие устойчивость дисперсных
систем. Основываясь на данных этих расчетов, мо-
жно определить пути регулирования их агрегати-
вной и седиментационной устойчивости [6, 7].
При проведении расчетов энергии парного
взаимодействия частиц исходили из модифициро-
ванной теории ДЛФО, где определяющими сос-
тавляющими расклинивающего давления являют-
ся молекулярно-дисперсионная, электростатическая
и структурная [6]. Анализ интенсивности межчас-
тичных взаимодействий в исследуемых суспензи-
ях рассматривали с позиции расчета энергетичес-
ких составляющих расклинивающего давления, воз-
никающего при сближении частиц дисперсной фазы.
На частицы дисперсной фазы действуют силы
молекулярного притяжения, возникающие за счет
взаимодействия флуктуационных электромагнит-
ных полей, которые создают вокруг себя частицы,
что является причиной появлення отрицательно-
го расклинивающего давления. Характеристикой
молекулярного притяжения частиц служит вели-
чина константы дисперсионных взаимодействий
Гамакера А , которая определяется спектральными
характеристиками взаимодействующих микрочас-
тиц [5, 6]. Положительное расклинивающее давле-
ние, препятствующее агрегации частиц, создают
Неорганическая и физическая химия
102 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2011. Т. 77, № 10
электростатическая и структурная составляющие.
В общем случае суммарная (молекулярно-дис-
персионная, электростатическая, структурная) энер-
гия взаимодействия между двумя микрочастица-
ми радиуса r определяется следующей формулой:
U(h)
kT =
U i + Uм + Us
kT ,
U(h)
kT =
πεε0rϕ2 lg(1 + exp(–χh) – A∗r
12h +
+ πrl2K exp(–h/l)
/kT ,
где A*, ϕ0, l, K — константа Гамакера, потенциал
Штерна, размеры приповерхностного структурно-
упорядоченного слоя воды, константа упругих
свойств приповерхностного слоя соответственно;
χ — параметр Дебая двойного электрического слоя
(ДЭС), величина которого определяется ионной си-
лой раствора электролита I, числом Фарадея F,
диэлектрической постоянной среды ε, электричес-
кой постоянной ε0, газовой постоянной R , темпе-
ратурой T , и его величина антибатна приведенной
толщине ДЭС λ:
λ = 1
χ
= √εε0R T
2F2I
.
Учитывая, что микрочастицы принимают уча-
стие в броуновском движении, которое, с одной
стороны, способствует реализации диффузионно-
го механизма встречи частиц, а следовательно, и
их агрегации в первом глубоком энергетическом
минимуме, а с другой — может приводить к раз-
рушению агрегатов, образовавшихся за счет ассо-
циации частиц во втором энергетическом мини-
муме, что имеет высокую вероятность для частиц
суспензий, мы оценивали энергию парного межчас-
тичного взаимодействия в единицах энергии тепло-
вого движения частиц kT .
Мы провели анализ энергетических состав-
ляющих расклинивающего давления (рис. 1, а). Как
видно из представленных зависимостей, энергия
молекулярно-дисперсионного притяжения создает
отрицательное расклинивающее давление, а энер-
гии электростатического и структурного отталки-
вания — положительное расклинивающее давле-
ние. При этом величины энергии электростати-
ческого отталкивания антибатны величинам па-
раметра Дебая (кривые 2–4). Нас интересовало, как
влияют величины физико-химических характе-
ристик поверхности частиц и дисперсионной сре-
ды на межчастичные взаимодействия, поэтому мы
выбирали их величины, которые характерны для
оксидов [5, 6].
Именно учет этих трех составляющих раскли-
нивающего давления дает суммарную энергию вза-
имодействия частиц (рис. 1, б). Расчеты показы-
вают, что на характеристики коагуляционного про-
цесса (положение энергетического минимума и его
глубина) существенное влияние оказывает размер
диффузной части ДЭС, а именно величина пара-
метра Дебая, характеризующего степень уплотне-
ния диффузной части (ДЭС). При низких значе-
ниях χ образование аcсоциата частиц практичес-
ки невозможно, так как преобладает энергия от-
Рис. 1. Зависимость величин энергии парного межчас-
тичного взаимодействия от минимального расстояния ме-
жду поверхностями частиц радиуса 0.5 мкм: 1 — моле-
кулярно-дисперсионное притяжение А = 5⋅10–20 Дж; 2–4
— электростатическое отталкивание ϕ0 = 15 мВ; вели-
чины параметра Дебая: 2 — 10⋅107; 3 — 30⋅107; 4 —
50⋅107 м–1; 5 — структурное отталкивание К = 5⋅106 н/м2,
l = 1 нм (a); А = 8.5⋅10–20 Дж, К = 5⋅106 н/м2, l = 1 нм,
ϕ0 = 35 мВ, величины параметра Дебая: 1 — 5⋅107; 2 —
10⋅107; 3 — 15⋅107; 4 — 25⋅107; 5 — 50⋅107 м–1 (б).
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2011. Т. 77, № 10 103
талкивания частиц (кривая 1). При уплотнении
ДЭС высота потенциального барьера снижается и
возрастает глубина первичного потенциального ми-
нимума, положение которого находится близко к
поверхностям частиц, где превалируют молекуля-
рно-дисперсионные силы притяжения [6, 7]. При
этом растет вероятность агрегации частиц в пер-
вичном минимуме, но только после преодоления
энергетического барьера.
Коагуляция во вторичном минимуме малове-
роятна, так как он неглубокий и размытый. Поэ-
тому для обеспечения условий образования агре-
гатов частиц плотной структуры, которые седи-
ментационно неустойчивы, необходима агрегация
в первичном энергетическом минимуме. Но уже с
дальнейшим сжатием диффузной части ДЭС (кри-
вые 4, 5) полностью исчезает энергетический ба-
рьер и резко возрастает вероятность агрегации ча-
стиц в глубоком первичном энергетическом мини-
муме, что обеспечивает стабильность образован-
ного агрегата частиц. Для образования стабиль-
ного ассоциата частиц необходимо, чтобы проис-
ходило как уменьшение величины штерновского
потенциала частиц, так и сжатие диффузной части
двойного электрического слоя вокруг их поверхно-
сти. Этого можно достичь введением электролита
с высокой ионной силой (I ≥ 1). Кроме того, по-
верхность частиц должна быть частично гидрофо-
бной, то есть характеризоваться относительно низ-
кими величинами константы структурного оттал-
кивания частиц К. При таких условиях частицы
могут приблизиться на оптимальные расстояния,
где будут превалировать молекулярно-диспер-
сионные силы притяжения, необходимые для об-
разования стабильного ассоциата частиц.
Образование коагуляционных структур мало-
вероятно, так как достичь условий реализации
контакта частиц непосредственно поверхностями
практически невозможно. Поэтому в данных систе-
мах будет, в основном, реализоваться случай ассо-
циации частиц при наличии водной прослойки ме-
жду поверхностями частиц, то есть процесс фло-
куляции.
Как видно из приведенных данных (рис. 2),
при наличии в системе двух добавок — электроли-
та и полимера ПАА, величины параметра флокуля-
ции n сначала растут пропорционально концен-
трации полимера, а затем несколько уменьшают-
ся. Причем при наличии в системе алюминия суль-
фата значения параметра флокуляции больше, чем
в случае феpрума хлорида. Полученный ход зави-
симостей свидетельствует о реализации агрегати-
вных процессов в дисперсной фазе водной суспен-
зии порошка при действии указанных химичес-
ких добавок. Введение электролита, который в во-
дной среде образует аквагидроксокомплексы, при-
водит к их локализации в ДЭС и тем самым уме-
ньшается величина штерновского потенциала ча-
стиц и возрастает величина параметра Дебая, что
способствует реализации механизма нейтрализа-
ционной и концентрационной коагуляции частиц,
вследствие чего образуются первичные микроаг-
регаты, которые в дальнейшем флокулируются мак-
ромолекулами полимера. Эффективность процесса
флокуляции определяется степенью заполнения по-
верхности частиц адсорбционной фазой полиме-
ра [8—10]. При высоких концентрациях полимера
степень покрытия поверхности частиц адсорбиро-
ванным полимером возрастает, что ведет к усилению
действия энтропийного фактора за счет взаимодей-
ствия свободных макромолекулярных звеньев, что
препятствует образованию компактных плотных фло-
кул, вследствие чего ухудшается их седиментация
и падает величина параметра флокуляции n.
Большое значение процессы коагуляционно-
флокуляционной агрегации имеют при проведении
очистки водной дисперсионной среды от взвешен-
ных высокодисперсных частиц [9]. Скорость седи-
Неорганическая и физическая химия
Рис. 2. Зависимость величин параметра |–n| от концен-
трации ПАА для водной суспензии Si3N4 (2 кг/м3): 1 —
5.8 моль/м3 Al2(SO4)3; 2 — 12.3 моль/м3 FeCl3.
104 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2011. Т. 77, № 10
ментации дисперсной фазы суспензии порошка в
условиях действия гравитационных сил очень ма-
ла, однако введение добавок приводит к увеличе-
нию скорости седиментации, величина которой за-
висит от свойств и концентрации химических до-
бавок, способа их введения (рис. 3). Установлено,
что наиболее эффективно эти процессы происхо-
дят при комбинированном действии алюминия су-
льфата и полимеров (кривая 2). Вероятно, основ-
ную роль в уплотнении твердой дисперсной фазы
играют процессы флокуляции в дисперсной фазе,
проходящие под действием гидролизованных ио-
нов электролита и макромолекул полимера. В зна-
чительной степени эффективность флокуляции оп-
ределяется конформацией макромолекул поли-
мера [9, 10]. Механизм образования флокул по-
рошка в водной суспензии заключается в реализа-
ции адсорбционных связей между отдельными
звеньями макромолекулы полимера и поверхнос-
тными активными центрами частиц порошка, ко-
торые являются следствием энергетической неод-
нородности поверхности [11]. Это может приво-
дить к гидрофобным адсорбционным взаимодей-
ствиям на поверхности, а также и к донорно-ак-
цепторным взаимодействиям, в том числе к обра-
зованию водородных связей [12]. Макромолеку-
лы ПАА являются связывающим звеном между от-
дельными частицами дисперсной фазы. Образо-
вавшиеся флоккулы имеют большие размеры (50
—100 мкм) и ускоренно седиментируют, что сопро-
вождается уменьшением оптической плотности за
счет прояснения дисперсионной среды от взвешен-
ных частиц суспензии (таблица).
Установлено, что для исследуемых водных
суспензий порошка кривые зависимости W —τ со-
стоят из трех участков (рис. 3). Первый из них
связан с ростом величин скорости осветления W ,
симбатно времени седиментации. Это вызвано тем,
что в суспензии вследствие межчастичных взаи-
модействий происходит структуризация дисперс-
ной фазы порошка, которая усиливается в присут-
ствии химических добавок. В дальнейшем сфор-
мированная коагуляционно-флокуляционная стру-
ктура в условиях свободного оседания седименти-
рует практически с постоянной скоростью. В усло-
виях уплотнения структуры осадка величины W
уменьшаются, причем достаточно резко, что выз-
вано изменением условий сгущения осадка за счет
упруго-механических свойств осадка.
Введение в гидросуспензию, содержащую
ПАА и алюминия сульфат, дополнительно поли-
мера ПЭО приводит к росту скорости осветления
водной дисперсионной среды (рис. 3, кривая 3).
Кроме того, даже в условиях процесса уплотняю-
щего сгущения скорость осветления остается дос-
таточно высокой (кривые 2, 3). Это говорит о том,
что ПЭО, в первую очередь, уменьшает гидроди-
намическое сопротивление среды и тем самым спо-
собствует флокуляционному процессу за счет вы-
теснения иммобилизованной воды из структуры
флокул, что приводит к образованию уплотненной
компактной структуры флокул, которые ускорен-
но седиментируют.
Как видно из таблицы, существует симбатная
Рис. 3. Зависимость скорости солидарного оседания ди-
сперсионной фазы от высоты осветленного слоя для вод-
ной суспензии Si3N4 (3.3 кг/м3): 1 — 7.0 моль/м3 Al2(SO4)3;
2 — 7.0 моль/м3 Al2(SO4)3 + 0.06 кг/м3 ПАА; 3 — 7.0
моль/м3 Al2(SO4)3 + 0.06 кг/м3 ПАА + 0.03 кг/м3 ПЭО.
Значения средних скоростей отстаивания в условиях сво-
бодного (W св.ос) и солидарного (W сол.ос) оседания диспер-
сной фазы водной суспензии Si3N4
Параметры I II III
W св.ос⋅104 м/с 6.25 11.5 12.5
W сол.ос⋅104 м/с 2.6 4.0 4.3
D 0.355 0.310 0.256
П р и м е ч а н и е. I — 7.0 моль/м3 Al2(SO4)3; II —
7.0 моль/м3 Al2(SO4)3 + 0.06 кг/м3 ПАА; III — 7.0
моль/м3 Al2(SO4)3 + 0.06 кг/м3 ПАА + 0.03 кг/м3 ПЭО;
D — величины оптической плотности осветленной сре-
ды приведены для 5-й мин седиментации.
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2011. Т. 77, № 10 105
взаимосвязь между скоростями прояснения дис-
персионной среды как в условиях свободной, так
и уплотненной седиментации дисперсной фазы по-
рошка. Величины оптической плотности осветлен-
ной среды антибатны скорости сгущения диспер-
сной фазы. Это указывает на прямую взаимосвязь
между агрегативной и седиментационной устойчи-
востью дисперсной фазы в исследуемых системах.
РЕЗЮМЕ. Досліджено вплив зовнішніх факторів
на стійкість суспензій нітриду кремнію. Проведено роз-
рахунки енергії парної міжчастинної взаємодії та встанов-
лено її залежність від фізико-хімічних характеристик по-
верхні частинок та властивостей дисперсійного середо-
вища . Визначено вплив фізико-хімічної природи поверхні
частинок та властивостей дисперсійного середовища на ха-
рактер міжчастинної взаємодії. Запропоновано спосіб ре-
гулювання агрегативною та седиментаційною стійкістю
дисперсних систем.
SUMMARY. An influence of some external factors on
stability of the silicon nitride suspensions has been inves-
tigated and power characteristics of the couple interparticle
interaction were calculated. A character of influence of
physico-chemical surface parameters of the particles on
properties of dispersed systems was found. A method of
regulation of the sedimentation and aggregation stability
of microheterogeneous systems has been proposed.
1. Тарасевич Ю.И., Бондаренко С.В., Поляков В.Е. и
др. // Коллоид.журн. -2008. -70, № 3. -С. 384—391.
2. Морару В.Н ., Овчаренко Ф.Д., Тоцкая Л.А . // Там
же. -1991. -53, № 5. -С. 874—879.
3. Андриевский Р.А . // Успехи химии. -2009. -78, №
9. -С. 889—900.
4. Чураев Н .В. // Коллоид. журн. -2003. -65, № 3.
-С. 293—305.
5. Еременко Б.В., Малышева М .Л., Самбур В.П. // Там
же. -1989. -51, № 1. -С. 32—40.
6. Дерягин Б.В., Чураев Н .В., Муллер В.М . Повер-
хностные силы. -М .: Наука, 1986.
7. Дерягин Б.В., Чураев Н .К. // Журн. Всесоюз. хим.
общ-ва им. Д.И . Менделеева. -1989. -34, № 2. -С.
151—158.
8. Баран А .А . Полимерсодержащие дисперсные систе-
мы. -Киев: Наук. думка , 1986.
9. Запольський А .К., Мішкова-Клименко Н .А ., Астрелін
І.М . та ін. Фізико-хімічні основи очищення стічних
вод: Підр. для студ. вищ. навч. закл. -Київ: Лібра,
2000.
10. Запольский А .К., Баран А .А . Коагулянты и флоку-
лянты в процессах очистки воды. -Л.: Химия, 1987.
11. Тарасевич Ю.И ., Аксененко Е.К., Бондаренко С.В.
и др. // Теорет.и эксперимент. химия. -2008. -44,
№ 5. -С. 315—319.
12. Тарасевич Ю.И . // Там же. -2006. -42, №2. -С.
87—91.
Институт коллоидной химии и химии воды Поступила 30.09.2010
им. А.В. Думанского НАН Украины, Киев
Черновицкий национальный университет
им. Ю . Федьковича
Неорганическая и физическая химия
106 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2011. Т. 77, № 10
|