Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)

Слагающее расклинивающего давления S (h) проявляется при перекрытии сольватных оболочек соприкасающихся тел.

Природа сил гидратации определяется взаимодействием молекул воды с поверхностью твердого тела и связана с подвижностью иона водорода (протона). Степень смещения протона обуславливает силу связи. В некоторых случаях она явно носит водородный характер. Например, при взаимодействии H₂O с атомом кислорода, находящимся на поверхности окисла.

H

Si – OH... O

H

Si – O... H —— O —— H

Однако же чаще взаимодействие молекул воды с катионами (Ме⁺ⁿ) и анионами (A ^-n) происходит по схемам

H

Me⁺ⁿ - - - - O и A^-n - - - - H - O - H

H

Сила взаимодействия ионов с молекулами воды во многом зависит от отношения заряда иона к его радиусу, а энергетически точнее всего характеризуется теплотами гидратации ионов.

Современная теория жидкого состояния не позволяет определить закон изменения S (h) с расстоянием от поверхности. Однако можно предположить, что эти силы не дальнодействующие, т.к. обуславливают наличие только ближнего порядка в жидкостях. В некоторых случаях известно образование толстых полимолекулярных сольватных пленок, обладающих особыми свойствами.

6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция

Первый механизм - коагуляционный наблюдается при добавлении электролита, в результате чего уменьшается радиус действия электростатических сил отталкивания и снижается заряд поверхности. Образующие агрегаты, как правило, рыхлые. Частицы друг с другом слабо связаны, так как им мешает наличие сольватных слоев воды. Если, конечно, исходные частицы не были природно гидрофобны.

Второй механизм - флокуляция - наблюдается при искусственной гидрофобизации, происходящей при адсорбции реагентов типа флотационных собирателей. Образующие агрегаты гидрофобны, так как гидрофобизирующие реагенты частично или полностью разрушают сольватную оболочку воды. Частицы друг с другом связаны довольно прочно и полностью не разрушаются даже при турбулентном режиме перемешивания.

Третий механизм - мостиковый, который часто тоже называют флокуляцией. Мостиковая флокуляция наблюдается при применении высокомолекулярных полимерных веществ, активные группы которых, расположенные в одной молекуле, одновременно закрепляются на разных частицах. Образуются, как правило, большие агрегаты, которые чаще всего имеют вид хлопьев. Флокулы непрочные и быстро разрушаются при турбулентном режиме перемешивания.

Эффективность действия высокополимерных веществ определяется двумя факторами: сродством их активных групп к поверхности минералов, прочностью и структурой образующихся в суспензии полимерных молекул. Часто отмечается, что величина адсорбции молекул полимеров во многом определяется знаком и величиной заряда поверхности минеральных частиц. Разноименные заряды на поверхности и в молекуле полимера способствуют адсорбции.

Механизм действия этого класса соединений рассмотрим подробнее на примере полиакриламида (ПАА), следуя гипотезе, развиваемой Г.Р.Бочкаревым [3].

Полиакриламид представляет собой соединение типа:

[ - CH₂ — CH₂ — ]

CONH₂

Группы –СОNH₂ частично могут гидролизоваться до гидроксильных групп СООН.

ПАА обычно характеризуют степенью полимеризации или молекулярным весом, а также степенью гидролиза.

Исследования Г.Р. Бочкарева показали, что ПАА в растворе представлен пространственно сетчатой структурой, состоящей из переплетающихся нитевидных образований и центров стяжений в местах их переплетения, являющихся участками концентрированных молекулярных форм ПАА разных размеров и степени концентрации.

В 0, 2%-ных растворах в центрах стяжений наблюдается наиболее концентрированные ассоциаты молекул.

При концентрации ПАА ниже 0, 001% часто сетчатая структура ПАА принимает локализованный характер, связи между стяжениями рвутся. Нити сетчатой структуры представляют собой разветвленные молекулярные пачки различной толщины и длины.

Связывание частиц сетками полиакриламина доказывали следующим образом. В растворы ПАА вносили небольшое количество слабо концентрированной суспензии из тонких частиц кварца и магнетита и воздействовали на систему переменным магнитным полем. При этом наблюдали под бинокулярным микроскопом, что частицы на дно сосуда не осаждаются, а система стабилизируется, и при воздействии переменным магнитным полем происходит синхронное колебание частиц кварца и магнетита.

Аналогичные опыты с растворами менее 0, 05%-ой концентрации показали, что растворы обладают менее прочной и более редкой сетчатой структурой, так как крупные частицы осаждаются беспрепятственно, средние стабилизируются, а наиболее мелкие находятся в движении. При воздействии переменным магнитным полем не наблюдается синхронное колебание частиц кварца и магнетита.

Эти опыты доказывают, что по мере растворения ПАА или уменьшения его концентрации изменяется его структура.

Наблюдение кинетики растворения ПАА под бинокулярным микроскопом выявило ряд интересных качественных особенностей. При контакте ПАА с водой в последнюю устремляются мелкие глобулы раствора ПАА, но они не исчезают сразу в массе воды, а совершают 3-4 возвратно-поступательных движения. Такие этапы визуально наблюдаются до полного исчезновения глобул за время от 10 до 25 с.

Между глобулами и массой раствора ПАА, а также между глобулами первых двух-трех рядов имеются очень тонкие нитеобразные связи. Возвратно-поступательное движение и объясняется наличием этих связей.

Перемешивание суспензии способствует дальнейшему растворению и распространению флокулянта по всему объему. В зависимости от интенсивности перемешивания и неравномерности самой структуры ПАА, некоторые свернутые или полусвернутые молекулярные пачки в сетчатой структуре флокулянта растягивается, разворачивается; при этом увеличивается площадь соприкосновения с твердыми частицами. Некоторые связи в молекулах, растянутых до предела, рвутся, захватив на себя определенное количество частиц, т.е. флокул, которые быстро осаждаются. При разрыве тонких молекулярных пачек концы их стремятся вновь присоединиться к сетчатой массе флокулянта или свернуться на себя.

Время сворачивания пачек определяет количество частиц, попавших в эти своеобразные сетчатые мешки.

Поскольку ПАА неравномерно распределен в растворе, наблюдается несколько форм взаимодействия ПАА с частицами. Большинство флокул образовано в результате взаимодействия частиц со слабоупорядоченными, плотносетчатыми структурными формами. Флокула такого рода имеет вид плотных агрегатов. В меньшем количестве наблюдаются флокулы, скрепленные редкосетчатыми формами ПАА. Такая флокула обычно является рыхлой и имеет меньший размер.

Встречаются отдельные частицы, имеющие на себе поверхностный слой ПАА с нитеобразными ответвлениями молекулярных пачек. Таким образом, при взаимодействии ПАА с суспензией основная масса образующихся флокул возникает за счет связывания частиц сетчатыми структурами ПАА, а не отдельными молекулярными пачками.