Влияние поверхностного потенциала воды на реологические свойства дисперсных систем

АНДРЕЕВ В.Г.
 ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
 ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ


      Дисперсные системы относятся к гетерогенным системам и  состоят  из
двух и более  фаз  (1(.  Одна  из  фаз  является  сплошной  и  называется
дисперсионной средой. Другие фазы раздроблены и  распределены  в  первой;
они  называются  дисперсными  фазами.  Дисперсные  системы,   в   которых
дисперсионной средой является вода, широко  распространены  в  природе  и
играют важную роль в технике (кровь живых  организмов,  грязевые  потоки,
суспензии в производстве керамики и т.д.).  Реологические  свойства  этих
дисперсных систем в значительной степени зависят  от  свойств   межфазной
границы «вода - дисперсная фаза». Поэтому исследование этих  зависимостей
весьма  актуально  при  решении  ряда  задач  по  регулированию   свойств
дисперсных систем.
      При погружении частиц дисперсной фазы  в  водную  среду  происходит
специфическая адсорбция всегда присутствующих в воде ионов Н3О+ и OH-  на
поверхность. Величины адсорбции ионов Н3О+ и OH- обусловлены особенностям
химического состава, кристаллической структуры  и  состояния  поверхности
частиц дисперсной фазы. Свойства  межфазных  границ  «вода  –  дисперсная
фаза» зависят также от поверхностного потенциала воды.  Известно,  что  в
нейтральной среде поверхность воды имеет отрицательный потенциал -450 мВ,
несмотря на то, что концентрация ионов (Н3О+(  равна  концентрации  ионов
(OH-( (2(. Ионы OH- по своему строению  сильнее  отличаются  от  строения
молекул воды, чем ионы Н3О+, что и объясняет их повышенную  поверхностную
активность (рис.1). Поэтому, как правило, поверхность частиц в дисперсных
системах заряжается  отрицательно,  что  способствует  снижению  вязкости
дисперсных  систем  благодаря  уменьшению  сил  межчастичного  трения   в
результате   действия  кулоновских  сил  взаимного   отталкивания   между
частицами.
      [pic]
      Рис.1. Схема строения иона Н3О+ , молекулы воды и иона OH-

      Соотношение ионов Н3О+ и OH-, адсорбирующихся на поверхности  воды,
и,  следовательно,  потенциал  поверхности  воды,  зависят  от  исходного
соотношения ионов Н3О+ и OH- в воде,  т.е.  от  кислотности  (рН)  водной
среды. Это  подтверждается  данными,  приведенными  на  рис.2.  Потенциал
поверхности дистиллированной воды определяли  по  методике,  описанной  в
работе (2(. Для изменения рН использовались водные растворы HCl и   NaOH.
Увеличение рН (щелочная среда) вызывает увеличение  доли  адсорбированных
ионов OH- и, соответственно усиливает отрицательный заряд на  поверхности
воды.  В  кислой  среде  происходит  снижение  и   последующая   инверсия
поверхностного  потенциала.   Величину   рН,   соответствующую   нулевому
потенциалу поверхности воды (5,4), назовем точкой нулевого заряда (ТНЗ).
      В технике  часто  приходится  решать  задачу  получения  стабильных
концентрированных  дисперсных  систем  (суспензий,  шликеров)  с   низкой
вязкостью. Это важно при операциях транспортировки дисперсных  систем  по
трубопроводам, измельчения, сушки, формования и т.д. При этом  необходимо
предотвратить  налипание  дисперсных  систем  на  стенки   трубопроводов,
реакторов и рабочие поверхности  технологического  оборудования.  Похожие
задачи встречаются и в медицине, например, снижения  вязкости  крови  при
высоком   содержании   эритроцитов    и    предотвращения    формирования
атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов.
      Известно, что  кровь  человека  и  других  живых  организмов  имеет
щелочную реакцию. Отрицательный поверхностный потенциал поверхности  воды
обеспечивает   формирование   отрицательного   потенциала   на    стенках
кровеносных сосудов и поверхности  эритроцитов.  В  результате  снижается
вязкость крови и вероятность формирования атеросклеротических  бляшек  на
стенках   кровеносных   сосудов   из-за   возрастания   кулоновских   сил
отталкивания между отрицательно  заряженными  поверхностями.  Аналогичные
явления наблюдаются и в суспензиях керамических порошков.  Как  видно  из
данных, приведенных на рис.3,  налипание суспензий Fe2O3  на  поверхности
пластин стали и оргстекла происходит в кислой  и  нейтральной  средах.  В
основной среде налипания не происходит, а имеет место даже  “растворение”
налипшей  массы  и  очистка  пластин.   В   щелочной   среде   повышается
седиментационная устойчивость суспензии и снижается вязкость.
      Концентрация адсорбированных ионов зависит от кривизны поверхности.
Вблизи поверхности частицы равновесная концентрация адсорбированных ионов
H3O+ повышена по сравнению с плоской поверхностью на величину [3]:

                                   [pic],

где С0 - концентрация адсорбированных ионов на плоской поверхности; Vр  –
равновесный объем  иона;  R  –  универсальная  газовая  постоянная;  T  –
температура; (( - понижение поверхностной  энергии  при  адсорбции;  r  –
радиус частиц.

      Следовательно,  потенциал  поверхности   частиц   дисперсной   фазы
изменяется быстрее потенциала  поверхности  пластины.  Поэтому  в  кислой
среде, как правило, поверхность частиц имеет положительный  потенциал,  а
на поверхности пластины  еще  сохраняется  отрицательный  потенциал,  что
служит причиной значительного возрастания налипания частиц к  поверхности
пластины.

      Известно, что значительную роль в стабилизации свойств крови играют
белковые вещества, являющиеся  полиэлектролитами  (альбумин,  гепарин)  и
другие   полиэлектролиты   (например,   цитрат    натрия    предотвращает
сворачивание  крови  при  хранении  на  воздухе)  [4].  В  технике  также
используются полиэлектролиты для стабилизации и снижения вязкости  водных
суспензий и  шликеров  [3].  Эффективность  полиэлектролитов  объясняется
формированием  двойного  электрического  слоя   на   поверхности   частиц
дисперсной фазы в результате адсорбции полиионов.

      Использование  полиэлектролитов  для  снижения  вязкости  суспензий
может значительно влиять на процессы налипания. В  частности,  аммонийные
соли поликислот (цитрат аммония, полиакрилат аммония и т.д.)  неустойчивы
и могут разлагаться с выделением аммиака [3]. В результате  в  суспензиях
формируется кислая  среда,  значительно  ускоряющая  процессы  налипания.
Поэтому  в  керамическом  производстве   предпочтительнее   использование
устойчивых солей поликислот (например, триэтаноламиновые соли,  натриевые
и  т.д.).  Причем,   содержание   щелочи   должно   несколько   превышать
стехиометрический состав с целью формирования основной среды и уменьшения
налипания.     В     случае     использования     солей     полиоснований
(полиэтилениминацетат, поливиниламин  хлорид  и  т.д.)  для  формирования
основной  среды  количество   вводимой   кислоты   должно   быть   меньше
стехиометрического состава.

      В заключении следует отметить важную  роль  полученных  результатов
при разработке  лекарственных  средств  для  снижения  вязкости  крови  и
предотвращения  формирования  атеросклеротических   бляшек.   Эффективные
препараты можно создать с использованием полиэлектролитов, обеспечивающие
стабильность рН крови вблизи 7,36 благодаря большой буферной емкости.

      [pic]

      Рис.2. Влияние рН на потенциал поверхности воды

[pic]
 Рис.3. Зависимость массы налипшего слоя на поверхности пластин из стали (1)
    и оргстекла (2) при их погружении в суспензию частиц оксида железа с
  содержанием твердой фазы 70% масс. и средним размером часмтиц 1 мкм от рН
                                    среды

                                 Литература
   1. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем. -  Л.:  Издание  Ленинградского
      университета, 1981. - 172с.
   2. Colacicco G. Electrical potential  of  the  water  surface  //  Chewm.
      Scripta. 1988. V.28, N.2. p.141-144.
   3. Анциферов В.Н., Гончар А.В., Андреев В.Г., Летюк Л.М., Салдугей  А.М.,
      Рябов И.Ф. Водорастворимые связующие вещества в технологии  порошковых
      ферритовых материалов.- Пермь: Изд-во ПГТУ, 1996.-189с.
   4. Маркосян А.А. Нормальная физиология.- М.: Медгиз, 1955. -392 с.