загрузка...
 
ОЧИЩЕННЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ ТА РОЗЧИНІВ ВМС
Повернутись до змісту

ОЧИЩЕННЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ ТА РОЗЧИНІВ ВМС

Для отримання стійких колоїдних розчинів необхідно видалити з них різні домішки та надлишок електролітів. Очищення колоїдних розчинів від домішок, які здатні проникати крізь напівпропускну мембрану, називається діалізом, а прилади, які застосовуються для діалізу – діалізаторами (див.рис.1).

У ролі мембран застосовують похідні целюлози (целофан), пергамент, колодій та ін. Недолік – тривалість процесу до кількох діб. Постійнодіючий діалізатор  in vivo- нирки.

Електродіаліз – прискорений процес діалізу для видалення електролітів під дією зовнішнього джерела постійного струму. Застосовуються мембрани: неселективні,

 

Рисунок 1 – Схема діалізатора: 1) напівпропускна  мембрана; 2) чистий проточний розчинник тобто пропускні для різних іонів; селективні (наприклад іоніти) – тільки для певних іонів. Перевага – скорочення терміну очищення до   годин  та    хвилин   (див. рис. 2).

 

Рисунок 2 – Схема електродіалізу: 1) напівпропускна мембрана; 2) колоїдний розчин; 3) електроди

Застосування  - знесолювання  морської води, очищення молочної сироватки і т.д.

Компенсаційний діаліз ( на тваринах -  вівідіаліз) -  колоїдний розчин у діалізаторі обмивається не чистим  розчинником, а розчинами з різноманітними концентра-ціями речовин, які знаходяться в колоїдному розчині. За цим принципом працює апарат “штучна нирка”, який застосовується при гострій нирковій недостатності – отруєннях, тяжких опіках, токсикозі вагітних  тощо. Апарат підключається до системи кровообігу  хворого, кров під тиском, який утворюється пульсуючим насосом , прокачується між мембранами, які омиваються зовні фізіологічним розчином. Загальна площа мембран ~ 1,5 м2 при об’ємі заповнення кров’ю 150-200 мл, очищення крові (гемодіаліз) від продуктів  розпаду – 3-4 години.

Ультрафільтрація – очищення колоїдних розчинів шляхом продавлювання (тиском або вакуумом) дисперсій-ного середовища крізь ультрафільтри (ультрамембрани).

Міцелярна теорія будови колоїдних частинок

Розглянемо будову гідрофобної колоїдної частинки на прикладі утворення золю AgI обмінною реакцією

Якщо речовини беруться в еквівалентних кількостях, то випадає  кристалічний осад AgI. Але, якщо одна з вихідних речовин буде у надлишку , наприклад КІ, процес кристалізації AgI веде до утворення колоїдного розчину – міцели AgI.

Будова міцели гідрозолю AgI  схематично зобра-жена   на   рис.3.   Агрегат  молекул [nAgI]  кількістю 100-1000 (мікрокристал, ядро) є зародком  нової фази, на поверхні якого відбувається адсорбція іонів електроліту, які знаходяться в дисперсійному середовищі.

Згідно з правилом Панета-Фаянса краще адсорбу-ються іони, однакові з іонами, які входять до кристалічної решітки ядра і добудовують  цю решітку. Іони, адсорбо-вані безпосередньо на ядрі, яке не розчиняється в даному дисперсійному середовищі, називаються потенціалвизна-чаючими, тому що вони визначають величину потенціалу та знак заряду поверхні,  а також і знак заряду всієї частинки.

Потенціалвизначаючими іонами в даній системі є іони І-, які знаходяться в надлишку, входять до складу кристалічної решітки ядра  AgI,  виконують роль стабілі-заторів і складають внутрішню оболонку у жорсткій частині подвійного електричного шару (ПЕШ) міцели.

Агрегат з адсорбованими на ньому іонами І- утворює ядро міцели.

До негативно зарядженої поверхні часток AgI  на відстані, близькому до радіуса гідратованого іона, з розчину притягуються іони протилежного знаку (протиіони) – позитивно заряджені іони К+. Шар протиіонів – зовнішня обгортка подвійного електричного шару (ПЕШ), утримується як електростатичними силами,  так і силами адсорбційного притягання.

Агрегат молекул разом з твердим подвійним шаром називається колоїдною частинкою.

Частина протиіонів внаслідок теплового руху розміщується дифузно углиб розчину, і притягання їх здійснюється тільки за рахунок електростатичних сил. Колоїдні частинки разом з оточуючим її дифузним шаром називається міцелою. Міцела електронейтральна, тому що заряд ядра дорівнює зарядові всіх проти іонів, а частинка звичайно має заряд, який називається електрокінетичним, або x-дзета-потенціалом.

 

Рисунок 3 – Будова міцели AgI

Будову міцели можна подати такою формулою:

 

Тут [nAgI] – кількість молекул  AgI, яка міститься в агрегаті (ядрі); mI- - кількість  потенціалвизначаючих іонів; (m-x)K+ - кількість протиіонів у твердому адсорбційному подвійному шарі  ; xK+ - кількість  протиіонів, які містяться у дифузному шарі.

Наявність іонодифузної атмосфери навколо частинок гідрофобного золю перешкоджає їх злипанню при зіткненні, тобто є фактором агрегатної стійкості золю.

Якщо кількість дифузних іонів дорівнює нулю,  то гранула стає електронейтральною (ізоелектричний стан) і має найменшу стійкість.

У біосистемах заряд колоїдних частинок може виникати внаслідок вибіркової адсорбції на поверхні дисперсних частинок (полісахариди, ліпіди, холестерин  тощо) або за рахунок іонізації (дисоціації) поверхневих іоногенних груп,  що характерно для білкових молекул. Білки існують у розчинах у вигляді біполярних іонів  і  залежно від рН середовища може переважати або катіонна, або аніонна форма білків:

Враховуючи, що майже у всіх середовищах організму рН > 7, то in vivo  переважають аніонні форми білків молекул.

Розглянемо будову міцели ліофільної дисперсної системи на прикладі білкової молекули у лужному середовищі (рН > 7) (див.рис.4).

 

Рисунок 4 – Міцела білка в лужному середовищі

Вуглеводні групи в міцелі білка заховані вглибині глобули і утворюють вуглеводне ядро. Частина іонів  (Na+, K+) щільно притиснута до іонізованих груп, утворює адсорбційний шар. Інша частина іонів (К+, Na+  і т.д.) міститься в дифузному шарі.

Подвійний електричний шар (ПЕШ)

Одним з основних положень теорії будови колоїдних частинок є уявлення про будову подвійного електричного шару (ПЕШ). Розрізняють три механізми виникнення ПЕШ:

а) адсорбцію іонів електролітів; б) поверхневу дисоціацію функціональних груп (наприклад, білкові молекули);

в) орієнтування полярних груп на міжфазовій межі (полісахариди).

Згідно з сучасними уявленнями, ПЕШ складається з адсорбційного і дифузійного шарів. Адсорбційний шар складається: а) із зарядженої поверхні ядра міцели внаслідок адсорбції на ній потенціалвизначаючих іонів,  які визначають величину потенціалу поверхні і його знак; б) із шару іонів протилежного знака – протиіонів, які притягуються із розчину до зарядженої поверхні. Адсорбційний шар протиіонів знаходиться на відстані молекулярного радіуса  протиіона  від зарядженої поверхні. Між цією поверхнею і протиіонами адсорбційного шару існують як електростатичні, так і адсорбційні сили, і тому ці протиіони утримуються особливо міцно (див.рис.5). Адсорбційний шар дуже щільний, товщина його постійна і не залежить від зміни зовнішніх умов (концентрації електроліту, температури).

Внаслідок теплового руху частина протиіонів проникає вглибину дисперсійного середовища, і їх притягання до зарядженої поверхні здійснюється тільки за рахунок електростатичних сил. Ці протиіони складають дифузний шар, менш щільно пов’язаний з поверхнею. Дифузний шар має змінну товщину, яка залежить від концентрації електролітів у дисперсійному середовищі.

Під час руху твердої та рідкої фаз одна відносно  одної  виникає розрив ПЕШ у дифузній частині та на межі розподілу фаз виникає стрибок потенціалу , який називають електрокінетичним, або x - потенціалом (дзета-потенціал). Його величина визначається різницею між загальною кількістю зарядів j-потенціалвизначаючих іонів та кількістю зарядів протиіонів e, які містяться в адсорбційному шарі, тобто x = j - e. Спадання міжфазного потенціалу при віддаленні від твердої фази вглибину розчину показано  на рис.5.   Негативний   потенціал рідкої

 

Рисунок 5 – Будова ПЕШ: x - дзета – потенціал; j - термодинамічний потенціал; e - адсорбційний потенціал

фази зменшується в адсорбційному шарі лінійно, як у плоскому конденсаторі, а потім за віддаленням від зарядженої поверхні більш повільно знижується за експонентою до нуля в дифузному шарі (рис.5, крива 1). Таким чином, електрокінетичний потенціал,x-потенціал – частина міжфазного потенціалу, яка належить рухомому (дифузному) шару іонів.

Величина дзета-потенціал залежить від товщини дифузного шару і концентрації електролітів, що містяться в розчині. При збільшенні концентрації електроліту в розчині дифузія іонів із щільного шару в розчин уповільнюється,   що  призводить до зменшення x-потенціалу. При збільшенні концентрацій електролітів у дисперсійному середовищі подвійний шар максимально ущільнюється, і його ширина стає такою самою, як і адсорбційного. Такий стан дисперсної системи називається ізоелектричним: Х = 0, x = 0. При цьому заряд ядра міцели компенсується зарядом протиіона адсорбційного шару  (рис.5, крива 2). У розріджених розчинах величина дзета-потенціалу збільшується внаслідок збільшення дифузного шару. Значення x-потенціалу звичайно невеликі (0,1-0,01 В), але відіграють значну роль у колоїдній хімії, особливо у зв’язку з проблемою стійкості дисперсних систем.

Під час дії високовалентних іонів, особливо поверхнево-активних органічних сполук (алкалоїди і т.п.), дзета-потенціал легко змінює не тільки свою величину, але й навіть знак заряду.  Це пояснюється тим, що ці сполуки мають високий адсорбційний потенціал, здатність при проникненні  у подвійний шар витісняти слабовалентні іони з подвійного шару. А адсорбуючись у надеквівалентній кількості, вони викликають перезарядку поверхні колоїдних частинок.

Для білкових систем величина дзета-потенціалу залежить від рН середовища, причому   залежно від рН середовища вони можуть змінювати і знак дзета-потенціалу.



загрузка...