Черная Н.В.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»

Влияние гидроксосоединений алюминия на характер проткающих процессов коагуляции и пептизации

Одной из основных проблем при электролитной коагуляции гидродисперсий модифицированной канифоли (ГМК) является обеспечение пептизации коагулятов. К эффективным способам обеспечения пептизации коагулятов, образовавшихся при коагуляции нейтральных и высокосмоляных гидродисперсий модифицированной канифоли (ГМК), относится способ, основанный на последующем введении в систему, содержащую коагуляты, необходимого количества положительно заряженных гидроксосоединений алюминия (ГСА).

В отличие от коагулятов положительно заряженные пептизированные частицы максимально приближаются к размеру частиц дисперсной фазы в исходной ГМК. Поэтому пептизированные частицы равномерно распределяются и прочно фиксировуются на поверхности отрицательно заряженных целлюлозных волокон. Это позволяет максимально сместить процесс канифольной проклейки волокнистой суспензии от традиционного режима гомокоагуляции к более эффективному режиму гетероадагуляции. Следствием этого является улучшение качества клееных видов бумаги и картона, проклеенных как в кислой, так и в нейтральной средах.

До настоящего времени проблема обеспечения пептизации коагулятов и получения из них мелкодисперсных и положительно заряженных пептизированных частиц оставалась неизученной. Однако нами впервые обнаружена область пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области электролитной коагуляции нейтральных (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляных (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК. Поэтому решение проблемы обеспечения пептизации коагулятов и получения агрегативно устойсчивых пептизированных частиц, по нашему мнению, является актуальной и представляет научный и практический интерес.

Проведенные нами исследования [1] показали, что коагуляты формируются из коагулюмов. В зависимости от степени агрегирования последних в системе «ГМК – ГСА» присутствуют разновеликие коагуляты, начиная от N₂ и заканчивая N₁₃– N₂₅ для гидродисперсии ТМ, N₁₁– N₁₉ для гидродисперсии ТМВС-2, N₁₂– N₂₅ для гидродисперсии ЖМ, N₁₁– N₁₈ для гидродисперсии ТМВС-2Н, N₁₁– N₂₁ для гидродисперсии ТМАС-3Н и N₁₁– N₁₆ для гидродисперсии Sacocell-309.

Впервые нами установлено [2], что качественное и количественное распределение форм ГСА (в частности, Al(H₂O)₆³⁺, Al(H₂O)₅(OH)²⁺, Al(H₂O)₄(OH)₂⁺, Al(H₂O)₃(OH)₃⁰, Al(H₂O)₂(OH)₄^–) в растворе электролита, добавляемого к нейтральным и высокосмоляным ГМК, оказывает существенное влияние на дисперсность коагулятов, образовавшихся в первой и во второй областях коагуляции ГМК.

Существенным отличием протекающего коагуляционного процесса в первой и во второй областях коагуляции ГМК является то, что в первой области коагуляции агрегируются коагулюмы, в то время как во второй области коагуляции агрегируются пептизированные частицы. Поэтому структура и коллоидно-химические свойства нейтральных и высокосмоляных ГМК оказывают заметное влияние на степень агрегирования коагулюмов и, следовательно, на размер образовавшихся коагулятов. Нами установлено, что при коагуляции нейтральных ГМК образуются коагуляты размером в пределах 2500–4800 нм для ТМ, 2200–3800 нм для ТМВС-2, 3500–4900 нм для ЖМ, а при коагуляции высокосмоляных ГМК – 2000–3200 нм для ТМВС-2Н, 2600–3100 нм для ТМАС-3Н и 2200–3300 нм для Sacocell-309.

Оптимальное содержание в системе, содержащей коагуляты, положительно заряженных форм ГСА позволяет обеспечить пептизацию коагулятов. Полученные пептизированные частицы обладают пониженной поверхностной энергией, компенсирующейся энтропийным отталкиванием, положительным расклинивающим давлением и, следовательно, минимальной удельной энергией взаимодействия (–U(h₀)).

К пептизированным частицам, по нашему мнению, должны предъявляться следующие требования. Во-первых, они должны быть мелкодисперсными, то есть иметь размер (d_п), равный или близкий к диаметру частиц дисперсной фазы (d₀), содержащихся в исходной ГМК. Во-вторых, они должны быть агрегативно устойчивыми, что позволит сохранить их дисперсность на протяжении длительного времени (t). Соблюдение этих основных условий позволяет считать, что протекает полная пептизация коагулятов, образовавшихся при электролитной коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК.

Если пептизированные частицы обладают средней или низкой агрегативной устойчивостью, то это приводит к их агрегированию и, как следствие, d_п > d₀. С другой стороны, пептизация коагулятов может протекать только частично и в этом случае также d_п > d₀. Поэтому выполнение условия d_п > d₀ не позволит осуществить процесс канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гетероадагуляции.

В настоящее время проблема обеспечения пептизации коагулятов, образовавшихся при электролитной коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК, оставалась нерешенной. Решение актуальной проблемы обеспечения пептизации коагулятов, образовавшихся при электролитной коагуляции нейтральных (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляных (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК, широко применяемых для проклейки бумаги и картона в кислой и нейтральной средах соответственно, представляет научный и практический интерес.

Цель исследований – изучение влияния гидроксосоединейний алюминия на характер протекающих процессов екоагуляции и пептизации.

Объектами исследований являлись дисперсные системы, полученные путем добавления к 0,02%-ным ГМК (в частности, к нейтральным гидродисперсиям ТМ, ТМВС-2 и ЖМ и к высокосмоляным гидродисперсиям ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) расчетных количеств 0,5%-ных растворов электролита, отличающихся величиной рН и, следовательно, качественным и количественным распределением форм ГСА в виде Al(H₂O)₆³⁺, Al(H₂O)₅(OH)²⁺, Al(H₂O)₄(OH)₂⁺, Al(H₂O)₃(OH)₃⁰, Al(H₂O)₂(OH)₄^–. Содержание (R_эл) электролита в дисперсной системе увеличивали от 6,74·10^–3 до 148,41 мас. ч. /мас. ч. дисперсной фазы ГМК, то есть ln R_эл повышали от –5,0 до +5,0.

Исследуемые ГМК существенно отличаются коллоидно-химическими свойствами благодаря тому, что они получены из разных продуктов модификации талловой и живичной канифоли с различной степенью нейтрализации и стабилизации ее смоляных кислот. Кроме того, исследуемые ГМК содержат частицы дисперсной фазы, отличающиеся размером (d₀) и величиной электрокинетического потенциала (ξ). Проведенные нами исследования показали, что для нейтральной гидродисперсии ТМ d₀ = 190 нм и ξ = –73,0 мВ, для ТМВС-2 d₀ = 175 нм и ξ = –45,6 мВ и для ЖМ d₀ = 196 нм и ξ = –70,5 мВ, а для высокосмоляной гидродисперсии ТМВС-2Н d₀ = 185 нм и ξ = –25,4 мВ, для ТМАС-3Н d₀ = 185 нм и ξ = –30,8 мВ и для Sacocell-309 d₀ = 216 нм и ξ = –86,7 мВ.

При проведении исследований для каждой дисперсной системы определяли размеры коагулятов (d_а, нм) и средний диаметр (d_п, нм) пептизированных частиц при увеличении t от 0 до 60,0 мин; для этого применяли турбидиметрический метод и метод электронной микроскопии. Кроме того, определяли их электрокинетический потенциал (метод макроэлектрофореза) [3].

Для определения d_ср нами были проанализированы зависимости τ = f (R_эл) (где τ – мутность системы, см^–1), полученные для исследуемых систем «Нейтральная ГМК – ГСА» и «Высокосмоляная ГМК – ГСА» при увеличении продолжительности наблюдения (t) от 0,5 до 60,0 мин. При этом к ГМК добавляли электролит в количестве R_эл (мас. ч. / мас. ч. дисперсной фазы ГМК), отличающийся величиной рН в диапазоне 1,95–9,10 и, следовательно, качественным и количественным распределением в нем форм ГСА Al(H₂O)₆³⁺, Al(H₂O)₅(OH)²⁺, Al(H₂O)₄(OH)₂⁺, Al(H₂O)₃(OH)₃⁰, Al(H₂O)₂(OH)₄^–. На рисунках 1–6 представлены зависимости d_ср = f (R_эл) для исследуемых систем.

1 – 0,5 мин; 2 – 1,0 мин; 3 – 3,0 мин; 4 – 5,0 мин; 5 – 60,0 мин

Рисунок 1 – Зависимость d_ср = f (R_эл) для системы

«Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА»

при увеличении рН раствора электролита от 1,95 до 9,10

и изменении t от 0,5 до 60,0 мин

1 – 0,5 мин; 2 – 1,0 мин; 3 – 3,0 мин; 4 – 5,0 мин; 5 – 60,0 мин

Рисунок 2 – Зависимость d_ср = f (R_эл) для системы

«Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 – ГСА»

при увеличении рН раствора электролита от 1,95 до 9,10

и изменении t от 0,5 до 60,0 мин

1 – 0,5 мин; 2 – 1,0 мин; 3 – 3,0 мин; 4 – 5,0 мин; 5 – 60,0 мин

Рисунок 3 – Зависимость d_ср = f (R_эл) для системы

«Нейтральная гидродисперсия ЖМ – ГСА»

при увеличении рН раствора электролита от 1,95 до 9,10

и изменении t от 0,5 до 60,0 мин

1 – 0,5 мин; 2 – 1,0 мин; 3 – 3,0 мин; 4 – 5,0 мин; 5 – 60,0 мин

Рисунок 4 – Зависимость d_ср = f (R_эл) для системы

«Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА»

при увеличении рН раствора электролита от 1,95 до 9,10

и изменении t от 0,5 до 60,0 мин

1 – 0,5 мин; 2 – 1,0 мин; 3 – 3,0 мин; 4 – 5,0 мин; 5 – 60,0 мин

Рисунок 5 – Зависимость d_ср = f (R_эл) для системы

«Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА»

при увеличении рН раствора электролита от 1,95 до 9,10

и изменении t от 0,5 до 60,0 мин

1 – 0,5 мин; 2 – 1,0 мин; 3 – 3,0 мин; 4 – 5,0 мин; 5 – 60,0 мин

Рисунок 6 – Зависимость d_ср = f (R_эл) для системы

«Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА»

при увеличении рН раствора электролита от 1,95 до 9,10

и изменении t от 0,5 до 60,0 мин

Установлено, что при коагуляции исследуемых ГМК пептизация коагулятов протекает в том случае, когда в дисперсной системе присутствует оптимальное количество электролита (R_опт) с заданным содержанием в нем форм ГСА. Пептизация коагулятов, как видно из рисунков 1–6, начинается при содержании в дисперсной системе электролита в количестве R_н; об этом свидетельствует снижение d_ср от максимальных значений d_max, характерных для коагулятов (d_а), образовавшихся в первой области коагуляции ГМК, до минимальных значений d_min, характерных для пептизированных частиц (d_п).

Процесс дезагрегирования (пептизации) коагулятов начинается при содержании электролита в системе в количестве R_н и завершается при увеличении содержания электролита в системе до R_п, 1.

Полученные пептизированные частицы сохраняют свои размеры при увеличении t от 0,5 до 60,0 мин, что свидетельствует об их высокой агрегативной устойчивости. При этом нами впервые обнаружена область устойчивости пептизированных частиц. В этой области увеличение содержания электролита в системе от R_п, 1 до R_п, 2 не влияет на размер пептизированных частиц (d_п). Этот вариант пептизации коагулятов является идеальным, так как для пептизированных частиц выполняется условие d_п = d₀.

Установлено, что полная пептизация коагулятов с образованием агрегативно устойчивых пептизированных частиц протекает только в следующих случаях:

• пептизация коагулятов, образовавшихся в системе «Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА», начинается после введения электролита с рН 3,75 (содержит 88% Al(H₂O)₆³⁺ и 12% Al(H₂O)₅(OH)²⁺) в количестве R_н = 0,40 и завершается при увеличении его содержания до R_п, 1 = 0,50; при увеличении содержания электролита в системе от R_п, 1 = 0,50 до R_п, 2 = 0,82 существует область устойчивости пептизированных частиц и выполняется условие d_п = d₀;

• пептизация коагулятов, образовавшихся в системе «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА», начинается после введения раствора электролита с рН 4,30 и 5,30 (содержит 10–85% Al(H₂O)₆³⁺, 10–40% Al(H₂O)₅(OH)²⁺, 5–40% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ и не более 10% Al(H₂O)₃(OH)₃⁰) в количестве R_н = 0,91 (рН 4,30) и R_н = 1,01 (рН 5,30) и завершается при увеличении его содержания до R_п, 1 = 1,35 (рН 4,30) и R_п, 1 = 1,49 (рН 5,30); при увеличении содержания в системе электролита с рН 4,30 от R_п, 1 = 1,35 до R_п, 2 = 2,23 или электролита с рН 5,30 от R_п, 1 = 1,49 до R_п, 2 = 5,47 существует область устойчивости пептизированных частиц и выполняется условие d_п = d₀;

• пептизация коагулятов, образовавшихся в системе «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА», начинается после введения электролита с рН 3,75 и 4,30 (содержит 85–88% Al(H₂O)₆³⁺, не менее 12% Al(H₂O)₅(OH)²⁺ и не более 5% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺) в количестве R_н = 0,68 (рН 3,75) и R_н = 0,83 (рН 4,30) и завершается при увеличении его содержания до R_п, 1 = 1,00 (рН 3,75) и R_п, 1 = 1,22 (рН 4,30); при увеличении содержания в системе электролита с рН 3,75 от R_п, 1 = 1,00 до R_п, 2 = 1,82 или электролита с рН 4,30 от R_п, 1 = 1,22 до R_п, 2 = 1,88 существует область устойчивости пептизированных частиц и выполняется условие d_п = d₀;

• пептизация коагулятов, образовавшихся в системе «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА», начинается после введения электролита с рН 1,95 и 2,70 (содержит не менее 95% Al(H₂O)₆³⁺ и не более 5% Al(H₂O)₅(OH)²⁺) в количестве R_н = 0,14 (рН 1,95) и R_н = 0,23 (рН 2,70) и завершается при увеличении его содержания до R_п, 1 = 0,22 (рН 1,95) и R_п, 1 = 0,37 (рН 2,70); при увеличении содержания в системе электролита с рН 1,95 от R_п, 1 = 0,22 до R_п, 2 = 1,22 или электролита с рН 2,70 от R_п, 1 = 0,37 до R_п, 2 = 1,28 существует область устойчивости пептизированных частиц и выполняется условие d_п = d₀.

Во всех остальных случаях протекает только частичная пептизация коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции нейтральных (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляных (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК.

Из рисунков 1–6 видно, что в результате пептизации коагулятов образуются пептизированные частицы, имеющие следующий размеры:

• d_п = 190 нм в системе «Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА»;

• d_п = 175 нм в системе «Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 – ГСА»;

• d_п = 196 нм в системе «Нейтральная гидродисперсия ЖМ – ГСА»;

• d_п = 180 нм в системе «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА»;

• d_п = 185 нм в системе «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА»;

• d_п = 216 нм в системе «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА».

Результаты проведенных исследований показали, что размеры пептизированных частиц (d_п) равны размерам частиц дисперсной фазы (d₀), содержащихся в исходных ГМК; поэтому о протекании процесса пептизации коагулятов свидетельствует выполнение основного условия, когда d_min = d_п = d₀.

В таблице 1 представлены данные по особенностям обеспечения пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области электролитной коагуляции исследуемых ГМК, в зависимости от рН раствора электролита, то есть от содержания в нем форм ГСА.

Таблица 1 – Влияние рН раствора электролита на R_н, R_п, 1, R_п, 2, рН* дисперсной системы, размеры (d_п, нм) и агрегативную устойчивость пептизированных частиц

рН раствора электролита	Rн	Rп, 1	Rп, 2	рН* дисперсной системы	dп (нм) при значениях t		Агрегативная устойчивость пептизированных частиц
					0,5 мин	60,0 мин
1	2	3	4	5	6	7	8
Система «Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА»
3,50	0,38	0,45	0,67	5,6–5,9	190	250	Средняя
3,75	0,40	0,50	0,82	5,6–5,9	190	190	Высокая
4,30	0,46	0,56	0,91	5,6–5,9	190	245	Средняя
5,30	0,56	0,67	1,11	5,6–5,9	190	240	Средняя
Система «Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 – ГСА»
5,30	1,40	1,65	2,46	6,3–7,0	580	850	Низкая
6,80	2,24	2,72	4,95	6,9–7,0	175	610	Низкая
Система «Нейтральная гидродисперсия ЖМ – ГСА»
1,95	0,38	0,61	1,65	5,3–5,6	196	355	Средняя
2,70	0,46	0,67	1,80	5,3–5,6	196	320	Средняя
3,50	0,83	0,69	2,46	5,3–5,6	250	320	Низкая
Система «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА»
1,95	0,14	0,16	0,45	6,5–7,2	260	440	Низкая
2,70	0,18	0,27	0,49	6,5–7,2	240	375	Низкая
3,50	0,38	0,45	1,00	6,5–7,2	180	400	Низкая
Продолжение табл. 1
1	2	3	4	5	6	7	8
3,75	0,40	0,61	1,49	6,5–7,2	180	250	Средняя
4,30	0,91	1,35	2,23	6,5–7,2	180	180	Высокая
5,30	1,01	1,49	5,47	6,5–7,2	180	180	Высокая
6,80	3,68	9,03	13,46	6,9–7,2	180	220	Средняя
Система «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА»
1,95	0,09	0,22	0,61	6,5–7,2	185	700	Низкая
2,70	0,18	0,27	0,90	6,5–7,2	500	800	Низкая
3,50	0,46	0,61	1,00	6,5–7,2	300	580	Средняя
3,75	0,68	1,00	1,82	6,5–7,2	185	185	Высокая
4,30	0,83	1,22	1,88	6,5–7,2	185	185	Высокая
Система «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА»
1,95	0,14	0,22	1,22	5,7–6,0	216	216	Высокая
2,70	0,23	0,37	1,28	5,7–6,0	216	216	Высокая
3,50	0,38	0,45	1,65	5,7–6,0	216	300	Средняя
3,75	0,50	0,82	2,01	5,7–6,0	216	310	Средняя
4,30	0,61	0,95	3,22	5,7–6,0	216	500	Низкая

Получено, что пептизированные частицы сохраняют свои размеры при дальнейшем увеличении содержания электролита от R_п, 1 до R_п, 2. Установлено, что для исследуемых дисперсных систем существует область устойчивости пептизированных частиц, когда R_опт  находится в диапазоне между R_п, 1 и R_п, 2. Эти данные представлены в таблице 1; при этом следует обратить внимание на дисперсность пептизированных частиц d_п и их агрегативную устойчивость при увеличении t от 0,5 до 60,0 мин.

Установлено, что одним из важнейших условий обеспечения пептизации коагулятов является необходимость присутствия в системе оптимального количества электролита (R_опт) с требуемым содержанием в нем форм ГСА.

Следует обратить особое внимание на тот факт, что пептизация коагулятов протекает при следующих значениях рН* в исследуемых системах:

• рН* 5,6–5,9 в системе «Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА»;

• рН* 6,3–7,0 в системе «Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 – ГСА»;

• рН* 5,3–5,6 в системе «Нейтральная гидродисперсии ЖМ – ГСА»;

• рН* 6,5–7,2 в системе «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА»;

• рН* 6,5–7,2 в системе «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА»;

• рН* 5,7–6,0 в системе «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА».

Однако при коагуляции ГМК характер протекающего процесса пептизации коагулятов зависит от степени агрегирования коагулюмов (N_m) и, следовательно, от размеров образовавшихся из них коагулятов. В то же время на величину N_m существенное влияние оказывает структура и свойства коагулюмов, образовавшихся при коллоидно-химическом взаимодействии частиц дисперсной фазы исследуемых нейтральных и высокосмоляных ГМК с формами ГСА (Al(H₂O)₆³⁺, Al(H₂O)₅(OH)²⁺, Al(H₂O)₄(OH)₂⁺, Al(H₂O)₃(OH)₃⁰, Al(H₂O)₂(OH)₄^–).

Проведенные исследования свидетельствуют о том, что пептизированные частицы могут обладать высокой агрегативной устойчивостью при полной пептизации коагулятов или средней и низкой агрегативной устойчивостью при частичной пептизации коагулятов.

При полной пептизации коагулятов образуются агрегативно устойчивые пептизированные частицы, размеры которых не изменяется во времени (t); они остаются мелкодисперсными и поэтому выполняется условие d_min = d_п = d₀. Пептизация коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции исследуемых ГМК, протекает при их взаимодействии с положительно заряженными формами ГСА при следующих условиях:

• для системы «Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА» раствор электролита должен иметь рН 3,75 (0,50 ≤ R_эл ≤ 0,82);

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА» раствор электролита должен иметь рН в пределах от 4,30 (1,35 ≤ R_эл ≤ 2,23) до 5,30 (1,49 ≤ R_эл ≤ 5,47);

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА» раствор электролита должен иметь рН в пределах от 3,75 (1,00 ≤ R_эл ≤ 1,82) до 4,30 (1,22 ≤ R_эл ≤ 1,88);

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА» раствор электролита должен иметь рН в пределах от 1,95 (0,22 ≤ R_эл ≤ 1,22) до 2,70 (0,37 ≤ R_эл ≤ 1,28).

При частичной пептизации коагулятов образовавшиеся пептизированные частицы склонны к незначительному агрегированию при увеличении t от 0,5 до 60,0 мин, в результате этого из таких пептизированных частиц вновь формируются агломераты и d_п > d₀. Такой процесс протекает для исследуемых ГМК при следующих условиях:

• для системы «Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА» раствор электролита имеет рН от 3,50 (0,45 ≤ R_эл ≤ 0,67) до рН 5,30 (0,67 ≤ R_эл ≤ 1,11);

• для системы «Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 – ГСА» раствор электролита имеет рН от 5,30 (1,65 ≤ R_эл ≤ 2,46) до 6,80 (2,72 ≤ R_эл ≤ 4,95);

• для системы «Нейтральная гидродисперсия ЖМ – ГСА» раствор электролита имеет рН  от 1,95 (0,61 ≤ R_эл ≤ 1,65) до рН 3,50 (0,69 ≤ R_эл ≤ 2,46);

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА» раствор электролита имеет рН от 1,95 (0,16 ≤ R_эл ≤ 0,45) до рН 3,75 (0,61 ≤ R_эл ≤ 1,49) или рН 6,80 (9,05 ≤ R_эл ≤ 13,46);

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА» раствор электролита имеет рН от 1,95 (0,22 ≤ R_эл ≤ 0,61) до 3,50 (0,61 ≤ R_эл ≤ 1,00);

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА» раствор электролита имеет рН от 3,50 (0,45 ≤ R_эл ≤ 1,65) до рН 4,30 (0,95 ≤ R_эл ≤ 3,22).

Установлено, что пептизации подвергаются все исследуемые коагуляты, образовавшиеся при коагуляции ГМК, полученных как из продуктов модификации талловой (гидродисперсии ТМ, ТМВС-2, ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309), так и живичной (ЖМ) канифоли.

Однако характер протекающего процесса пептизации (полная или частичная) зависит не только от содержания в дисперсной системе электролита (С_эл, моль/л) (таблица 2), но и от рН* дисперсной системы, то есть от содержания в ней форм ГСА (С_ГСА, %) (таблица 3), взаимодействующих с коагулятами, образовавшимися в первой области коагуляции исследуемых ГМК. Выделенные значения С_эл и С_ГСА соответствуют условиям обеспечения полной пептизации осадков, а значения С_эл и С_ГСА, условно отмеченные символом *, – частичной пептизации коагулятов. При этом в таблице 3 приведены сравнительные данные по изменению рН* дисперсной системы и требуемым значениям С_ГСА, при которых коагуляция ГМК протекает в первой и второй областях.

Сопоставительный анализ результатов исследований позволил установить следующие особенности характера протекающего процесса пептизации:

• коагуляты, образовавшиеся при коагуляции ГМК, полученных из продуктов модификации талловой канифоли (ТМ, ТМВС-2, ТМВС-2Н и Sacocell-309), обладают повышенной склонностью к пептизации по сравнению с коагулятами, образовавшимися при коагуляции ГМК, полученных из продуктов модификации живичной канифоли (ЖМ);

• степень пептизации коагулятов, образовавшихся при коагуляции высокосмоляных гидродисперсий ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309, выше, чем для коагулятов, образовавшихся при коагуляции нейтральных гидродисперсий ТМ, ТМВС-2 и ЖМ;

• полная пептизация коагулятов протекает для разработанных высокосмоляных гидродисперсий ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и известного лучшего зарубежного аналога Sacocell-309; однако для разработанных нами гидродисперсий ТМВС-2Н и ТМАС-3Н дисперсная система должна иметь нейтральную среду (рН* 6,5–7,2), в то время как для Sacocell-309 рН* дисперсной системы смещается в кислую область и находится в пределах 5,7–6,0.

Следовательно, по характеру протекающего процесса пептизации коагулятов продукты модификации талловой канифоли и, в особенности, с повышенным содержанием в них свободных смоляных кислот имеют преимущества по сравнению с продуктами модификации живичной канифоли.

Установлено, что для обеспечения полной пептизации коагулятов необходимо, чтобы в дисперсной системе присутствовало оптимальное количество электролита (С_эл) и форм ГСА (С_ГСА). При этом положительно заряженные ионы Al(H₂O)₆³⁺ (форма 1) оказывают пептизирующее действие, придавая алюмосмоляным комплексам (коагулюмам) положительный заряд и, снижая, тем самым, удельную энергию их взаимодействия.

Таблица 2 – Оптимальное содержание электролита (С, моль/л) в дисперсной системе, необходимое для коагуляции ГМК

и обеспечения пептизации коагулятов, взависимости от рН раствора электролита

Иссле-дуемые ГМК	рН раство- ра электролита	С, моль/л			рН* дисперсной системы
		Коагуляция (первая область)	Пептизация коагулятов	Коагуляция (вторая область)	Коагуляция (первая область)	Пептизация коагулятов	Коагуляция (вторая область)
ТМ	3,50	(8,17·10^–5)–(2,16·10^–4)	*(2,63·10^–4)–(3,92·10^–4)	(9,63·10^–4)–(5,56·10^–3)	6,5–6,0	5,9–5,6	5,5–4,0
	3,75	(9,92·10^–5)–(2,28·10^–4)	(2,92·10^–4)–(4,80·10^–4)	(9,81·10^–4)–(7,11·10^–3)			5,5–4,0
	4,30	(1,28·10^–4)–(2,63·10^–4)	*(3,27·10^–4)–(5,33·10^–4)	(1,06·10^–3)–(8,69·10^–3)			5,5–4,0
	5,30	(1,98·10^–4)–(3,21·10^–4)	*(3,91·10^–4)–(6,50·10^–4)	(1,17·10^–3)–(9,61·10^–3)			5,5–5,3
ТМВС-2	5,30	(4,32·10^–4)–(8,11·10^–4)	*(9,63·10^–4)–(1,44·10^–3)	(2,61·10^–3)–(7,11·10^–3)	7,1–7,4	6,3–7,0	4,6–6,2
	6,80	(7,12·10^–4)–(1,30·10^–3)	*(1,59·10^–3)–(2,90·10^–3)	(4,31·10^–3)–(1,17·10^–2)			6,8–7,0
ЖМ	1,95	(2,54·10^–5)–(2,16·10^–4)	*(3,56·10^–4)–(9,63·10^–4)	(1,59·10^–3)–(4,30·10^–3)	5,7–7,5	5,3–5,6	4,3–5,2
	2,70	(4,07·10^–5)–(2,63·10^–4)	*(3,91·10^–4)–(1,05·10^–3)	(1,65·10^–3)–(4,75·10^–3)			4,3–5,2
	3,50	(9,92·10^–5)–(4,79·10^–4)	*(4,03·10^–4)–(1,44·10^–3)	(1,93·10^–3)–(5,46·10^–3)			4,3–5,2
ТМВС-2Н	1,95	(3,05·10^–5)–(7,78·10^–5)	*(9,35·10^–5)–(2,63·10^–4)	(1,17·10^–4)–(4,76·10^–3)	7,3–7,5	6,5–7,2	5,0–6,4
	2,70	(5,08·10^–5)–(9,92·10^–5)	*(1,58·10^–4)–(2,86·10^–4)	(1,58·10^–3)–(5,26·10^–3)			5,0–6,4
	3,50	(1,02·10^–4)–(2,16·10^–4)	*(2,63·10^–4)–(5,84·10^–4)	(1,74·10^–3)–(7,11·10^–3)			5,0–6,4
	3,75	(1,28·10^–4)–(2,28·10^–4)	*(3,56·10^–4)–(8,70·10^–4)	(1,93·10^–3)–(7,86·10^–3)			5,0–6,4
	4,30	(3,31·10^–4)–(5,26·10^–4)	(7,88·10^–4)–(1,30·10^–3)	(2,13·10^–3)–(1,26·10^–2)			5,0–6,4
	5,30	(3,56·10^–4)–(5,84·10^–4)	(8,70·10^–4)–(3,19·10^–3)	(2,61·10^–3)–(1,82·10^–2)			5,0–6,4
	6,80	(1,30·10^–3)–(2,14·10^–3)	*(5,27·10^–3)–(7,85·10^–3)	(1,43·10^–2)–(2,82·10^–2)			6,8
ТМАС-3Н	1,95	(2,33·10^–5)–(4,07·10^–5)	*(1,28·10^–4)–(3,56·10^–4)	(1,00·10^–4)–(5,80·10^–3)	7,3–7,5	6,5–7,2	5,0–6,4
	2,70	(4,07·10^–5)–(9,92·10^–5)	*(1,57·10^–4)–(5,25·10^–4)	(1,08·10^–4)–(6,41·10^–3)			5,0–6,4
	3,50	(1,28·10^–4)–(2,63·10^–4)	*(3,56·10^–4)–(5,83·10^–4)	(1,59·10^–3)–(7,83·10^–3)			5,0–6,4
	3,75	(1,57·10^–4)–(3,92·10^–4)	(5,83·10^–4)–(1,06·10^–3)	(2,37·10^–3)–(1,43·10^–2)			5,0–6,4
	4,30	(3,21·10^–4)–(4,79·10^–4)	(7,12·10^–4)–(1,09·10^–3)	(2,62·10^–3)–(1,93·10^–2)			5,0–6,4
Sacocell-309	1,95	(2,93·10^–5)–(7,78·10^–5)	(1,28·10^–4)–(7,12·10^–4)	(9,63·10^–4)–(1,59·10^–3)	6,1–6,5	5,7–6,0	5,0–5,6
	2,70	(3,05·10^–5)–(1,28·10^–4)	(2,15·10^–4)–(7,47·10^–4)	(1,06·10^–3)–(1,93·10^–3)			5,0–5,6
	3,50	(3,56·10^–5)–(2,16·10^–4)	*(2,63·10^–4)–(9,63·10^–4)	(1,59·10^–3)–(3,89·10^–3)			5,0–5,6
	3,75	(4,07·10^–5)–(2,86·10^–4)	*(4,80·10^–4)–(1,17·10^–3)	(2,61·10^–3)–(4,30·10^–3)			5,0–5,6
	4,30	(5,08·10^–5)–(3,50·10^–4)	*(5,56·10^–4)–(1,87·10^–3)	(3,33·10^–3)–(4,59·10^–3)			5,0–5,6

Примечание: * – пептизация коагулятов протекает частично.

Таблица 3 – Особенности электролитной коагуляции исследуемых ГМК

и обеспечения пептизации, коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции

Исследуемые ГМК	рН* дисперсной системы	Содержание форм ГСА (СГСА, %) в дисперсной системе
		Al(H2O)6^3+ (форма 1)	Al(H2O)5(OH)^2+ (форма 2)	Al(H2O)4(OH)2^+ (форма 3)	Al(H2O)3(OH)3^0(форма 4)
Коагуляция (первая область)
ТМ	6,0–6,5	–	5	30	65
ТМВС-2	7,1–7,4	–	–	5	95
ЖМ	5,7–7,5	5	10	20	65
ТМВС-2Н	7,3–7,5	3	–	4	96
ТМАС-3Н	7,3–7,5	–	–	4	96
Sacocell-309	6,1–6,5	–	5	30	65
Пептизация коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции
ТМ	5,6–5,9	15	25	45	15
ТМВС-2*	6,3–7,0	10	15	25	50
ЖМ*	5,3–5,6	35	30	35	–
ТМВС-2Н	7,0–7,2	5	10	10	75
ТМАС-3Н	7,0–7,2	5	10	10	75
Sacocell-309	5,7–6,0	15	25	45	15
Коагуляция (вторая область)
ТМ	4,0–5,0	60	35	5	–
ТМВС-2	4,6–5,6	50	40	10	–
ЖМ	4,3–4,8	60	35	5	–
ТМВС-2Н	5,0–6,4	5	25	45	25
ТМАС-3Н	5,0–6,4	5	25	45	25
Sacocell-309	5,0–5,3	10	40	40	10

Примечание: * – пептизация коагулятов протекает частично.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что численные значения С_эл и С_ГСА зависят от коллоидно-химических свойств нейтральных и высокосмоляных ГМК. Поэтому можно отметить следующие особенности пептизации коагулятов:

• для системы «Нейтральная гидродисперсия ТМ – ГСА» значения С_эл находятся в диапазоне от 2,92·10^–4 до 4,80·10^–4 моль/л; в такой системе должны присутствовать 5% Al(H₂O)₆³⁺, 25% Al(H₂O)₅(OH)²⁺, 45% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ и 25% Al(H₂O)₃(OH)₃⁰;

• для системы «Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 – ГСА» значения С_эл находятся в диапазоне от 9,63·10^–4 до 1,44·10^–3 моль/л; в такой системе должны присутствовать 4% Al(H₂O)₆³⁺, 8% Al(H₂O)₅(OH)²⁺, 15% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ и 73% Al(H₂O)₃(OH)₃⁰;

• для системы «Нейтральная гидродисперсия ЖМ – ГСА» значения С_эл находятся в диапазоне от 3,56·10^–4 до 1,44·10^–3 моль/л; в такой системе должны присутствовать 10% Al(H₂O)₆³⁺, 40% Al(H₂O)₅(OH)²⁺, 40% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ и 10% Al(H₂O)₃(OH)₃⁰;

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА» значения С_эл находятся в диапазоне от 7,88·10^–4 до 1,30·10^–3 моль/л; в такой системе должны присутствовать 3% Al(H₂O)₆³⁺, 7% Al(H₂O)₅(OH)²⁺, 10% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ и 80% Al(H₂O)₃(OH)₃⁰;

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА» значения С_эл находятся в диапазоне от 5,83·10^–4 до 1,09·10^–3 моль/л; в такой системе должны присутствовать 3% Al(H₂O)₆³⁺, 7% Al(H₂O)₅(OH)²⁺, 10% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ и 80% Al(H₂O)₃(OH)₃⁰;

• для системы «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА» значения С_эл находятся в диапазоне от 1,28·10^–4 до 4,47·10^–4 моль/л; в такой системе должны присутствовать 3% Al(H₂O)₆³⁺, 23% Al(H₂O)₅(OH)²⁺, 47% Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ и 27% Al(H₂O)₃(OH)₃⁰.

Следует обратить внимание на то, что пептизированные частицы, полученные из коагулятов в нейтральной области (рН* 6,5–7,2), обладают повышенной агрегативной устойчивостью по сравнению с пептизированными частицами, полученными при смещении рН* системы в кислую область, когда рН* находится в пределах 5,7–6,0 и ниже. Особенно ярко это проявляется в системах «Высокосмоляная ГМК – ГСА».

В системе «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – ГСА» при рН* 5,7–6,0 образуются пептизированные частицы с пониженной агрегативной устойчивостью, в то время в системах «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – ГСА» и «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – ГСА» при рН* 6,5–7,2 образовавшиеся пептизированные частицы обладают повышенной агрегативной устойчивостью.

Таким образом, разработан способ обеспечения пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области электролитной коагуляции исследуемых ГМК. Электролит (сульфат алюминия) может оказывать коагулирующее, стабилизирующее и пептизирующее действие на нейтральные (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляные (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК. Изучены условия и особенности обеспечения пептизации коагулятов. Установлено, что процесс пептизации коагулятов может протекать полностью или частично. Образовавшиеся пептизированные частицы обладают высокой, средней или низкой агрегативной устойчивостью. На характер протекающего процесса пептизации существенное влияние оказывают, во-первых, структура коагулюмов и степень их агрегирования и, во-вторых, содержание форм ГСА и рН* системы «ГМК – ГСА», содержащей коагуляты.

Литература:

1. Черная Н. В. Пептизация осадков при электролитной коагуляции гидродисперсий модифицированной канифоли // Тр. БГТУ. Серия IV. Химия и технология органических веществ. – Мн.: БГТУ, 2005. – С. 147–150.

2. Черная Н. В., Эмелло Г. Г., Ламоткин А. И. Влияние основных солей алюминия на кинетику быстрой коагуляции гидродисперсий модифицированной канифоли // Вести НАН б. Серия хим. наук, 2005. – № 4. – С. 106–112.

3. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / Под ред. Ю. Г. Фролова, А. С. Гродского/. – М., 1986.