Черная Н.В., Колесников В.Л.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»

Влияние гидроксосоединений алюминия и катионных полиэлектролитов на характер протекания процессов коагуляции ГМК и пептизации образовавшихся коагулятов

ХРезультаты предварительно проведенных нами турбидиметрических исследований и рН-метрии [1, 2] показали, что при коагуляции гидродисперсий модифицированной канифоли (ГМК) в присутствии гидроксосоединений алюминия (ГСА) протекает не только коагуляционный процесс (существует две области коагуляции), но и процесс полной или частичной пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции. В идеальном случае необходимо обеспечить полную пептизацию коагулятов.

Однако при коагуляции ГМК в присутствии катионных полиэлектролитов существует только одна область коагуляции, при этом образовавшиеся коагуляты не пептизируются [3], так как область пептизации отсутствует.

Важным фактором управления коагуляционным процессом является, по нашему мнению, целенаправленное изменение содержания в системе гидроксосоединений алюминия Al(H2O)63+, Al(H2O)5(OH)2+, Al(H2O)4(OH)2+, Al(H2O)3(OH)30 и Al(H2O)2(OH)4 и катионных полиэлектролитов ПДМДААХ, СА МХ ДМАПА и ППЭС. Для получения пептизирующихся коагулятов необходимо добавлять к ГМК электролит с заданным содержанием в нем ГСА и создавать требуемое рН* системы.

Однако при отклонении содержания в системе необходимых форм ГСА и рН* системы от требуемых значений процесс коагуляции ГМК может протекать в следующих двух нежелательных направлениях, связанных с отсутствием области пептизации коагулятов. В первом случае коагуляция ГМК протекает в одной области с образованием разновеликих и крупнодисперсных коагулятов, не способных пептизироваться. Во втором случае коагуляция протекает в двух областях, однако коагуляты, образовавшиеся в первой области коагуляции ГМК, являются разновеликими и крупнодисперсными, что не позволяет им пептизироваться.

Цель исследований – изучение влияния гидроксосоединений алюминия Al(H2O)63+, Al(H2O)5(OH)2+, Al(H2O)4(OH)2+, Al(H2O)3(OH)30 и Al(H2O)2(OH)4 и катионных полиэлектролитов ПДМДААХ, СА МХ ДМАПА и ППЭС и рН* системы на характер протекания процессов коагуляции ГМК и пептизации образовавшихся коагулятов.

В таблице 1 представлены данные по изучению влияния содержания электролита (Rэл, мас. ч. / мас. ч. дисперсной фазы ГМК) в исследуемой системе «ГМК – ГСА» и рН его раствора (влияет на качественное и количественное распределение в нем Al(H2O)63+, Al(H2O)5(OH)2+, Al(H2O)4(OH)2+, Al(H2O)3(OH)30 и Al(H2O)2(OH)4) [4]), на рН* системы «ГМК – ГСА» в первой области коагуляции, при пептизации образовавшихся коагулятов и во второй области коагуляции ГМК. При этом в таблице 1 содержатся данные только для тех систем «ГМК – ГСА», в которых протекает полная (выделенные значения) и частичная (невыделенные значения) пептизация коагулятов.

В таблице 2 представлены особенности протекающих процессов коагуляции и пептизации в зависимости от рН* системы «ГМК – ГСА» при увеличении рН раствора электролита от 1,95 до 9,10.

В таблице 3 представлены данные по особенностям коагуляции ГМК в системе «ГМК – катионный полиэлектролит».

Установлено, что после полной пептизации коагулятов образуются «пептизированные» частицы, размеры которых максимально приближаются к размеру частиц дисперсной фазы исходной ГМК; они обладают высокой агрегативной устойчивостью. В то же время после частичной пептизации коагулятов «пептизированные» частицы обладают средней или низкой агрега-


Таблица 1 – Влияние содержания электролита (Rэл) и рН его раствора на характер протекания  процессов коагуляции и пептизации

в системе «ГМК – ГСА»

 

Исследуемые ГМК

 

рН

раствора

 электролита

Процессы, протекающие в системе

рН* дисперсной системы

Rэл, мас. ч. / мас. ч. дисперсной фазы ГМК

Коагуляция

(первая

область)

Пептизация

коагулятов

Коагуляция

(вторая

область)

Коагуляция

(первая

область)

Пептизация коагулятов

Коагуляция

(вторая

область)

 
ТМ

3,50

0,14–0,37

0,38–0,44

1,65–9,53

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–4,0

3,75

0,17–0,39

0,40–0,49

1,68–12,18

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–4,0

4,30

0,22–0,45

0,46–0,55

1,82–14,88

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–4,0

5,30

0,34–0,55

0,56–0,66

2,01–16,45

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–4,0

ТМВС-2

 

5,30

0,74–1,39

1,40–1,64

4,48-12,18

7,4–7,1

7,0–6,3

6,2–4,6

6,80

1,22–2,23

2,24–2,71

7,39–20,09

7,4–7,1

7,0–6,9

6,8

 
ЖМ

 

1,95

0,05–0,37

0,38–0,60

2,72–7,39

7,5–5,7

5,6–5,3

5,2–4,3

2,70

0,08–0,45

0,46–0,66

2,82–8,17

7,5–5,7

5,6–5,3

5,2–4,3

3,50

0,17–0,82

0,83–1,46

3,32–9,39

7,5–5,7

5,6–5,3

5,2–4,3

 
 

 

ТМВС-2Н

 

1,95

0,06–0,13

0,14–0,45

2,01–8,17

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

2,70

0,10–0,17

0,18–0,26

2,72–9,03

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

3,50

0,20–0,37

0,38–0,44

3,00–12,18

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

3,75

0,22–0,39

0,40–0,60

3,32–13,46

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

4,30

0,55–0,90

0,91–1,34

3,67–21,60

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

5,30

0,61–1,00

1,01–1,48

4,48–31,20

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,5

6,80

2,22–3,67

3,68–9,02

24,50–48,40

7,5–7,3

7,2–6,9

6,8

 

 

ТМАС-3Н

 

1,95

0,04–0,08

0,09–0,21

1,72–9,97

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

2,70

0,08–0,17

0,18–0,26

1,85–11,02

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

3,50

0,22–0,45

0,46–0,60

2,72–13,46

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

3,75

0,27–0,67

0,68–0,99

4,06–24,53

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

4,30

0,55–0,82

0,83–1,21

4,48–33,11

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

 

 

Sacocell-309

 

1,95

0,05–0,13

0,14–0,21

1,65–2,72

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

2,70

0,06–0,22

0,23–0,36

1,82–3,32

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

3,50

0,07–0,37

0,38–0,44

2,72–6,69

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

3,75

0,08–0,49

0,50–0,81

4,48–7,39

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

4,30

0,10–0,60

0,61–0,94

5,72–7,89

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0


Таблица 2 – Влияние рН*  системы «ГМК – ГСА» на характер протекания процессов коагуляции и пептизации в зависимости

от рН раствора электролита

 

Исследуемые ГМК

рН

раствора

электро-лита

рН* дисперсной системы

в зависимости от характера протекающего процесса

Способность образовавшихся коагулятов

пептизироваться

Коагуляция

(первая область)

Область

пептизации

коагулятов

Коагуляция

(вторая область)

Коагуляция

(первая область)

Коагуляция

(вторая область)

 

 

 

ТМ

 

1,95

6,5–6,0

Отсутствует

5,5–4,0

Не пептизируются

Не пептизируются

2,70

6,5–6,0

Отсутствует

5,5–4,0

Не пептизируются

Не пептизируются

3,50

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–4,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,75

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–4,0

Пептизируются полностью

Не пептизируются

4,30

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–4,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

5,30

6,5–6,0

5,9–5,6

5,5–5,3

Пептизируются частично

Не пептизируются

6,80

7,2–6,8

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

9,10

8,6–8,8

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

 

 

 

ТМВС-2

 

1,95

7,4–4,6

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

2,70

7,4–4,6

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

3,50

7,4–6,3

Отсутствует

6,2–4,6

Не пептизируются

Не пептизируются

3,75

7,4–6,3

Отсутствует

6,2–4,6

Не пептизируются

Не пептизируются

4,30

7,4–6,3

Отсутствует

6,2–4,6

Не пептизируются

Не пептизируются

5,30

7,4–7,1

7,0–6,3

6,2–4,6

Пептизируются частично

Не пептизируются

6,80

7,2–7,1

7,0–6,9

6,8

Пептизируются частично

Не пептизируются

9,10

8,6–8,8

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

 

 

 

ЖМ

 

1,95

7,5–5,7

5,6–5,3

5,2–4,3

Пептизируются частично

Не пептизируются

2,70

7,5–5,7

5,6–5,3

5,2–4,3

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,50

7,5–5,7

5,6–5,3

5,2–4,3

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,75

7,5–5,7

Отсутствует

5,5–4,3

Не пептизируются

Не пептизируются

4,30

7,5–5,7

Отсутствует

5,6–4,3

Не пептизируются

Не пептизируются

5,30

7,5–5,7

Отсутствует

5,6–5,3

Не пептизируются

Не пептизируются

6,80

7,5–6,8

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

9,10

8,4–8,5

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются


 

 

Окончание таблицы 2

 

Исследуемые ГМК

рН

раствора

электро-лита

рН* дисперсной системы

в зависимости от характера протекающего процесса

Способность образовавшихся коагулятов

пептизироваться

Коагуляция

(первая область)

Область

пептизации

коагулятов

Коагуляция

(вторая область)

Коагуляция

(первая область)

Коагуляция

(вторая область)

 

 

 

ТМВС-2Н

 

1,95

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

2,70

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,50

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,75

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

4,30

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются полностью

Не пептизируются

5,30

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,5

Пептизируются полностью

Не пептизируются

6,80

7,5–7,3

7,2–6,9

6,8

Пептизируются частично

Не пептизируются

9,10

8,3–8,5

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

 

 

 

ТМАС-3Н

 

1,95

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

2,70

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,50

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,75

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются полностью

Не пептизируются

4,30

7,5–7,3

7,2–6,5

6,4–5,0

Пептизируются полностью

Не пептизируются

5,30

7,5–7,3

Отсутствует

7,2–5,3

Не пептизируются

Не пептизируются

6,80

7,5–6,8

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

9,10

8,4–8,8

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

 

 

 

Sacocell-309

 

1,95

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

Пептизируются полностью

Не пептизируются

2,70

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

Пептизируются полностью

Не пептизируются

3,50

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

3,75

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

4,30

6,5–6,1

6,0–5,7

5,6–5,0

Пептизируются частично

Не пептизируются

5,30

6,5–5,3

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

6,80

6,5–6,8

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются

9,10

6,8–7,5

Отсутствует

Отсутствует

Не пептизируются


Таблица 3 – Влияние катионных полиэлектролитов (R, мас. ч. / мас. ч. дисперсной фазы ГМК) на характер протекания процессов коагуляции и пептизации и способность агломератов пептизироваться

Вид

катионного

полиэлектро-лита

Процессы, протекающие в системе

 

рН*

системы

Способность

агломератов

пептизиро-ваться

Коагуляция

(первая

область)

Область

пептизации

Коагуляция

(вторая

область)

Система «Нейтральная гидродисперсия ТМ – катионный полиэлектролит»
ПДМДААХ

Протекает при

0,10 ≤ R ≤ 0,30

Отсутствует

Отсут-ствует

4,8–5,5

Не пептизи-руются

СА МХ ДМАПА

Протекает при

0,15 ≤ R ≤ 0,40

Отсутствует

Отсут-ствует

5,0–5,6

Не пептизи-руются

ППЭС

Протекает при

0,18 ≤ R ≤ 0,70

Отсутствует

Отсут-ствует

5,2–5,8

Не пептизи-руются

Система «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – катионный полиэлектролит»
ПДМДААХ

Протекает при

0,06 ≤ R ≤ 0,20

Отсутствует

Отсут-ствует

5,5–6,2

Не пептизи-руются

СА МХ ДМАПА

Протекает при

0,09 ≤ R ≤ 0,15

Отсутствует

Отсут-ствует

5,7–6,5

Не пептизи-руются

ППЭС

 

Протекает при

0,11 ≤ R ≤ 0,30

Отсутствует

Отсут-ствует

6,5–6,8

Не пептизи-руются

 

тивной устойчивостью; из-за этого они подвергаются незначительному агрегированию.

Установлено, что при коагуляции нейтральных гидродисперсий ТМ, ТМВС-2 и ЖМ в первой области коагуляции рН* системы «ГМК – ГСА» находится в пределах 6,0–6,5, 7,1–7,4 и 5,7–7,5 соответственно, а во второй области коагуляции – в пределах 4,0–5,5, 4,6–6,2 и 4,3–5,2 соответственно. Нами обнаружены области, при которых образуются коагуляты, способные полностью пептизироваться; это относится к гидродисперсии ТМ, когда используется раствор электролита с рН 3,75. Во всех остальных случаях образуются коагуляты, способные пептизироваться только частично; это относится к системам, полученным при использовании растворов электролита с рН 5,30–6,80 для коагуляции гидродисперсии ТМВС-2, рН 1,95–3,50 для коагуляции гидродисперсии ЖМ и рН 3,50 и 4,30–5,30 для коагуляции гидродисперсии ТМ. Пептизация коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции, происходит в том случае, когда система имеет рН* 5,6–5,9 для гидродисперсии ТМ, рН* 6,3–7,0 для ТМВС-2 и рН* 5,3–5,6 для ЖМ.

Установлено, что при коагуляции высокосмоляных гидродисперсий ТМВС-2Н и ТМАС-3Н в первой области коагуляции значения рН* системы «ГМК – ГСА» находятся в пределах 7,3–7,5, а для  Sacocell-309 – в пределах 6,1–6,5. Во второй области коагуляции системы «ТМВС-2Н – ГСА» и «ТМАС-3Н – ГСА» имеют рН*5,0–6,4, а система «Sacocell-309 – ГСА» – 5,0–5,6.

После добавления раствора электролита с рН 1,95–5,30 к высокосмоляным ГМК нами обнаружены две области коагуляции и область пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции. Особенно ярко это проявляется для гидродисперсий ТМВС-2Н и ТМАС-3Н при использовании растворов электролита с рН 4,30 и 5,30. В этом случае  «пептизированные» частицы являются агрегативно устойчивыми, так как их диаметр (dп) не изменяется при увеличении t и равен диаметру частиц дисперсной фазы (d0), содержащихся в исходных ГМК. Получено, что dп = 180 нм для гидродисперсии ТМВС-2Н и dп = 185 нм для гидродисперсии ТМАС-3Н; это достигается после добавления в систему электролита в количестве 1,35 ≤ Rэл ≤ 2,23 и 1,22 ≤ Rэл ≤ 1,88 соответственно, обеспечивающем ее рН* 6,5–7,2.

Для получения пептизирующихся коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции гидродисперсии Sacocell-309, система должна содержать электролит в количестве 0,37 ≤ Rэл ≤ 1,28, обеспечивающий рН* 5,7–6,0.

Для нейтральных ГМК также существует две области коагуляции и область пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области электролитной коагуляции. Однако полная пептизация коагулятов протекает только для гидродисперсии ТМ после добавления к ней раствора электролита с рН 3,75 в количестве 0,38 ≤ Rэл ≤ 0,44. Получено, что для гидродисперсий ТМВС-2 и ЖМ характерна только частичная пептизация коагулятов; этот процесс протекает после добавления к гидродисперсии ТМВС-2 растворов электролита с рН 5,30 и 6,80 в количестве 1,40 ≤ Rэл ≤ 1,64 и 2,24 ≤ Rэл ≤ 2,71 соответственно, а для гидродисперсии ЖМ – растворов электролита с рН 1,95, 2,70 и 3,50 в количестве 0,38 ≤ Rэл ≤ 0,60, 0,46 ≤ Rэл ≤ 0,66 и 0,83 ≤ Rэл ≤ 0,68 соответственно.

Однако в системе «ГМК – катионный полиэлектролит» коагуляционный процесс протекает в только одной области. Образовавшиеся агломераты являются разновеликими и крупнодисперсными, поэтому они седиментируют, образуя непептизирующиеся осадки. Об этом свидетельствуют данные, представленные в таблице 3.

Таким образом, управление процессом коагуляции нейтральных (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляных (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК позволяет получать коагуляты, способные пептизироваться. Проведенные исследования позволили сделать следующие основные выводы:

• в системе «ГМК – ГСА» в первой области коагуляции образуются коагуляты, способные пептизироваться, в то время как коагуляты, образовавшиеся во второй области коагуляции, не пептизируются;

• в системе «ГМК – катионный полиэлектролит» коагуляционный процесс протекает только в одной области коагуляции и образовавшиеся агломераты не пептизируются;

• при коагуляции нейтральной гидродисперсии ТМ образуются пептизирующиеся коагуляты в том случае, когда используется раствор электролита с рН 3,50–5,30 (содержит 10–90% Al(H2O)63+, 10–40% Al(H2O)5(OH)2+ и не более 40% Al(H2O)4(OH)2+ и 10% Al(H2O)3(OH)30) и система «ГМК – ГСА» имеет рН* 6,0–6,5;

• при коагуляции нейтральной гидродисперсии ТМВС-2 образуются пептизирующиеся коагуляты в том случае, когда используется раствор электролита с рН 5,30 (содержит 10% Al(H2O)63+, 40% Al(H2O)5(OH)2+, 40% Al(H2O)4(OH)2+ и 10% Al(H2O)3(OH)30) и система имеет «ГМК – ГСА» рН* 7,1–7,4;

• при коагуляции нейтральной гидродисперсии ЖМ образуются пептизирующиеся коагуляты в том случае, когда используется раствор электролита с рН 1,95–3,50 (содержит более 90% Al(H2O)63+ и не более 10% Al(H2O)5(OH)2+) и система «ГМК – ГСА» имеет рН* 5,7–7,5;

• при коагуляции высокосмоляной гидродисперсии ТМВС-2Н образуются пептизирующиеся коагуляты в том случае, когда используется раствор электролита с рН 1,95–5,30 (содержит не менее 10% Al(H2O)63+ и не более 40% Al(H2O)5(OH)2+, 40% Al(H2O)4(OH)2+ и 10% Al(H2O)3(OH)30) и система «ГМК – ГСА» имеет рН* 7,3–7,5;

• при коагуляции высокосмоляной гидродисперсии ТМАС-3Н образуются пептизирующиеся коагуляты в том случае, когда используется раствор электролита с рН 1,95–4,30 (содержит не менее 85% Al(H2O)63+ и не более 10% Al(H2O)5(OH)2+ и 5% Al(H2O)4(OH)2+) и система «ГМК – ГСА» имеет рН* 7,3–7,5;

• при коагуляции высокосмоляной гидродисперсии Sacocell-309 образуются пептизирующиеся коагуляты в том случае, когда используется раствор электролита с рН 1,95–4,30 (содержит не менее 85% Al(H2O)63+ и не более 10% Al(H2O)5(OH)2+ и 5% Al(H2O)4(OH)2+) и система «ГМК – ГСА» имеет рН* 6,1–6,5;

для  сильнозаряженных частиц  дисперсной  фазы  ГМК, содержащихся в  нейтральных гидродисперсиях ТМ (ξ0 = –73,0 мВ) и ЖМ (ξ0 = –70,5 мВ) и высокосмоляной   гидродисперсии    Sacocell-309 (ξ0 = –86,7 мВ), коагуляция связана с поджатием диффузных частей двойного электрического слоя за счет высокого содержания электролита в дисперсной системе; в этом случае протекает концентрационная коагуляция;

для  слабозаряженных частиц дисперсной фазы ГМК, содержащихся в нейтральной гидродисперсии  ТМВС-2 (ξ0 = –45,6 мВ) и высокосмоляных гидродисперсиях ТМВС-2Н (ξ0 = –25,4 мВ) и ТМАС-3Н (ξ0 = –30,8 мВ), критическое значение содержания электролита в меньшей степени зависит от величины заряда противоионов. Электролит вызывает перезарядку поверхности частиц; поэтому при определенном содержании электролита в дисперсной системе происходит нейтрализация  заряда  частиц дисперсной фазы ГМК,   уменьшая φ0- или φd-потенциал, и протекает нейтрализационная коагуляция.

 

Литература:

1. Черная Н. В., Колесников В. Л. Пептизация осадков, образовавшихся при электролитной коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК // Сб. тр. БГТУ. Химия и технология органических веществ. – Мн.: БГТУ, 2004. Серия IV. – ВыпXIV. – С. 125–133.

2. Черная Н. В., Колесников В. Л. Коллоидно-химические взаимодействия компонентов при канифольной проклейке бумаги и картона // Сб. тр. БГТУ. Химия и технология органических веществ. – Мн.: БГТУ, 2004. Серия IV. – ВыпXIV. – С. 135–145.

3. Черная Н. В., Эмелло Г. Г., Ламоткин А. И. Особенности коагуляции гидродисперсии модифицированной канифоли катионными полиэлектролитами // Вести Национальной академии наук Беларуси. Серия хим. наук. – 2006. – № 1. – С. 88–94.

4. Назаренко В. А., Антонович В. П. Невская Е. М. Гидролиз металлов в разбавленных растворах. – М.: Атомиздат, 1979.