9 DUNG DỊCH KEO
9.4.1. Phương pháp phân tán
Điều chế keo bằng phương pháp phân tán hoặc cĩ thể thực hiện bằng cách nghiền xay các hạt rắn bằng điện năng và bằng năng lượng siêu âm. Cĩ thề dùng các thiết bị xay keo để xay các hạt rắn đến khích thước hạt keo.
Trong thực tế cĩ thể dùng phương pháp phân tán bằng điện năng để điều chế keo kim loại. Theo phương pháp này người ta dùng hai cực kim loại nhúng vào nước. Dưới tác dụng của điện thế lớn (V=100V) khi hai cực kim loại dịch vào gần nhau sẽ phát ánh hồ quang, kim loại của điện cực bị bốc hơi và bị ngưng tụ trong mơi trường được làm lạnh theo hình sau đây:
100 v
Hình 2.6. Điều chế kim loại bằng phượng pháp hồ quang theo Bredig
Phương pháp này được ứng dụng đề điều chế hydrosol vàng, bạc và các kim loại khác. Ngồi ra cũng cĩ thể dùng phương pháp phân tán bằng năng lượng siêu âm. Dao động siêu âm là dao động cĩ tần số 20.000 dao động trong một giây. Dao động siêu âm cĩ tác dụng diệt vi khuẩn trong dung dịch và cĩ thể gây ra sự phân tán các hạt ion thành các hạt keo. 9.4.2. Phương pháp ngưng tụ
Nĩi chung quá trình tạo thành các hạt keo từ dung dịch phân tử gồm hai giai đoạn:
- Giai đoạn xuất hiện mầm (trung tâm kết tinh) trong dung dịch quá bão hồ. Nguyên nhân của sự bão hồ cĩ thể là do sự phản ứng hố học mà trong đĩ chất ít tam được hình thành, do sự giảm tính tan của hợp chất khi thay đổi dung mơi tốt bằng dung mơi xấu, do sự làm lạnh dung dịch hoặc do nhiều nguyên nhân khác.
- Giai đoạn phát triển mầm dẫn đến sự tạo thành các tinh thể khá lớn. Tốc độ giai đoạn sinh mầm V1 được biễu diễn bằng phương trình
-
Cq - Cb
V1 = K--- Cb Trong đĩ: K - hằng số
Cq: Nồng độ dung dịch quá bão hịa
Cb: Nồng độ dung dịch bão hồ (độ tan của vật chất)
Hiệu số (Cq – Cb) chính là lượng vật chất thừa cĩ khả năng tạo nên tinh thể. Tốc độ của giai đọan phát triển mầm V2 được tính bằng phương trình:
DS
Trong đĩ: D - hệ số khuếch tán S: bề mặt tinh thể
δ: quãng đường khuếch tán
Khi điều chế hệ keo, tốc độ của giai đoạn sinh mầm V1 và tốc độ giai đoạn phát triển mầm V2 phải nhỏ, vì chỉ trong trường hợp đĩ mới tạo nên nhiều tinh thể nhỏ sẽ cĩ khích thước keo.
Nếu V1 nhỏ và V2 lớn thì một số ít mầm được tạo nên sẽ là trung tâm kết tinh, trên đĩ sẽ kết tủa cả lượng vật chất dư, do đĩ chỉ thu được số ít các tinh thể lớn.
Sau đây chúng ta nêu một vài ví dụ về điều chế các hệ keo bằng phương pháp ngưng tụ. • Ngưng tụ trực tiếp:
Nooclun đã chế tạo sol thủy ngân bằng cách ngưng tụ trực tiếp, ơng cho hơi Hg đi qua một lớp nước và thu được nhũ tương Hg trong nước cĩ nồng độ phân tán khá cao.
• Điều chế các hệ keo bằng phương pháp hố học (ngưng tụ hố học)
Để điều chế các hệ keo cĩ thể dùng các loại phản ứng hố học khác nhau: trao đổi, khử, oxy hố, thủy phân, … Tuy nhiên khơng phải tất cả các loại phản ứng trên đều cĩ khả năng tạo ra sol. Sol chỉ được tạo nên khi đảm bảo nồng độ xác định của các chất đầu, thứ tự trộn lẩn, nhiệt độ tương tác và một số các điều kiện khác.
Chế tạo sol AgI bằng phản ứng trao đổi:
AgNO3 + KI AgI + KNO3
Nếu khi trộn lẫn ta lấy thừa một trong các chất đầu thì sol cĩ thể được hình thành. Cấu tạo mixen của sol AgI cĩ thể biểu diễn theo sơ đồ:
{m [AgI] nI - ; (n- x) K+ }- x K+
Chế tạo sol S bằng phản ứng oxy hố H2S bằng O2: 2H2S + O2 2S + 2H2O
Đồng thời với phản ứng này cịn cĩ phản ứng oxy hố phức tạp hơn dẫn đến sự tạo thành nhiều loại axit đa lưu huỳnh là chất làm bền cho sol lưu huỳnh.
Giả sử chất điện ly làm bên trong sol này là axit pentationic H2S5O6 thì cấu tạo mixen của sol lưu huỳnh cĩ thể biểu diễn bằng sơ đồ:
{m [S] nS5O62- . 2(n-x) H+} 2xH+
Chế tạo keo hydrooxyt sắt bằng phản ứng thủy ngân FeCl3
Khi cho độ 10-12 ml dung dịch FeCl vào 100ml nước cất đun sơi, thì dung dịch sẽ nhuộm màu đỏ sáng. Tuy nhiên khi để nguội màu dung dịch nhạt đi thấy rõ do diễn biến thuận nghịch của thủy phân:
1. FeCl3 + H2O Fe(OH)3 + 3HCl Trường hợp thủy phân khơng hồn tồn:
2. FeCl3 + H2O FeOCl + 2HCl FeOCl + 2HCl + H2O
3. FeOCl FeO+ + Cl-
Thành phần và cấu tạo mixen cĩ thể biểu diễn bằng sơ đồ sau đây: {m [Fe(OH)3] nFeO+ ; (n-x) Cl-} xCl-
Hoặc:
{m [Fe(OH)3] nFe3+ ; 3(n-x) Cl-} 3xCl-
Để làm cho dung dịch bền vững cần nhanh chĩng khử chất điện ly HCl ra khỏi dung dịch keo. HCl khi phá vở cấu trúc mixen, làm chuyển dịch cân bằng phản ứng về phía dung dịch ban đầu FeCl3 (màu sắc của dung dịch keo khi để nguội sẽ nhạt dần và chuyển thành màu vàng vốn cĩ của FeCl3). Việc khử HCl cĩ thể tiến hành bằng phương pháp tách ly (sự
tách ly là sự làm sạch dung dịch keo khỏi các tạp chất phân tử ion của các chất hồn tan cĩ mặt trong dung dịch keo).
9.4.3. Phương pháp pepti hĩa
Hiện tượng biến kết tủa thành dung dịch keo nhờ một tác nhân, một chất nào đĩ (chất điện ly chẳng hạn) gọi là pepti hố.
Cơ chế của sự tạo thành các hạt keo theo phương pháp pepti hố là làm tăng thế điện động ξ và lớp vỏ solvat của các hạt trong pha phân tán.
Cĩ 3 phương pháp pepti hố thường gặp như sau: - Pepti hố bằng chất điện ly
- Pepti hố bằng hố học
- Pepti hố bằng cách rửa kết tủa
Sự pepti hố bằng chất điện ly xảy ra khi cho thêm một lượng nhỏ dung dịch chất điện ly, ví dụ FeCl3 vào kết tủa (cặn) của Hydroxyt sắt- Fe(OH)3. Do quá trình thủy phân thực hiện khơng hồn tồn, nên từ Fe(OH)3 ta thu được FeOCl là chất cĩ khả năng làm bền cho hạt keo Fe(OH)3
Bản chất của mơi trường cĩ ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành mixen đặc biệt đối với các hydroxyt lưỡng tính như Al(OH)3
Trong mơi trường trung hịa hoặc axit, sự phân ly của các phân tử lên bề mặt hạt keo xảy ra theo sơ đồ:
Al(OH)3 Al(OH)2+ + OH- AlOH2+ + 2OH- Al3+ + 3OH-
Nhân của hạt gồm m phân tử Al(OH)3 hấp thụ lên bềm mặt của mình các ion AL(OH)2+ và AlOH2+, cịn các ion OH- kết hợo với H+ thành mơi trường nước, hạt tích điện dương:
{m[Al(OH)3]nAl(OH)2+ ; (n-x) OH-}+ xOH-
Điện tích của hạt càng lớn, quá trình chuyển dịch cân bằng của phản ứng về phiá phải càng nhanh. Trong mơi trường kiềm (pH > 7) sư phân ly xãy ra theo dạng khác:
Al(OH)3 Al(OH)2O- + H+ AlO2 + H+ +H2O
Trong trường hợp này, nhân của hạt hấp phụ các anion Al(OH)2O- và AlO2, tích điện âm. Các ion H+ liên kết với các ion OH- của dung dịch và được thay thế bởi các ion kim loại kiềm ở lớp khuếch tán bên ngồi:
{m[Al(OH)3] n Al(OH)2O- ; (n-x) Na+} xNa+
sự pepti hố hố học xảy ra khi cho thêm một lượng nhỏ dung dịch axit Clohydric HCl vào kết tủa (cặn) hydrooxyt sắt Fe(OH)3 và trên bềm mặt của các hạt kết tủa cĩ chất làm bền cho hạt keo Fe(OH)3 được tạo nên:
Fe(OH)3 + HCl FeOCl + 2H2O
Cịn sự pepti hố bằng cách rửa kết tủa thường đuợc tiến hành bằng cách tách chất điện ly gây keo tụ ra khỏi kết tủa. Kết quả của việc tách này là lớp điện kép quanh các hạt nới rộng ra, lực đẩy P dần thắng lực hút Q và nhờ cĩ chuyển động Browm, các hạt tách rời nhau đển phân bổ đều dần vào mơi trường cĩ nghĩa là dung dịch keo đuợc tạo nên.
Tốc độ pepti hố phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ và tính chất hố học của chất pepti hố (FeCl3, HCl, …), lượng và trạng thái của kết tủa, nhiệt độ, sự xáo trộn v.v…
10 HỆ VI DỊ THỂ
Gồm: huyền phù, nhũ tương, bọt
Cĩ kích thước hạt δ > 10-4 mm. Hệ khơng bền vững, tuy nhiên cĩ nhiều tính chất giống hệ keo. Dưới đây chúng ta tìm hiểu một vài hệ vi dị thể rất phổ biến.
Huyền phù- chất lơ lửng thuộc hệ vi dị thể trong đĩ:
- Pha phân tán là chất rắn cĩ kích thước hạt lớn hơn hạt keo. - Mơi trường phân tán – chất lỏng
Huyền phù khơng bền – các hạt dễ dàng lắng dưới tác dụng trọng lực. Huyền phù khơng cĩ áp suất thẩm thấu, khơng cĩ khả năng khuếch tán.
Khi các hạt cĩ kích thước tương đối như nhau được gọi là hệ đơn phân tán. Khi hệ cĩ các hạt cĩ nhiều kích thước khác nhau được gọi là hệ đa phân tán
Nếu là hệ đơn phân tán thì qúa trình lắng tuân theo định luật STOKES: “ Với nhiệt độ = const, vận tốc lắng của hạt lơ lửng tỷ lệ thuận với bình phương bán kính của chúng:
V = ηρ ρ ) ( 8 1 1− 2 d2g
Trong đĩ: v - tốc độ lắng của hạt lơ lửng, cm/s ρ1: tỉ trọng của hạt lơ lửng, g/cm3
ρ2: tỉ trọng của chất lỏng, g/cm3 η: hệ số nhớt động học, g/cm.s d: đường kính của hạt lơ lửng g: gia tốc trọng trường, cm/s2
(a) (b)
Hình 2.7. Đường cong lắng trong hệ phân tán Với hệ đơn phân tán
Đường cong lắng trong hệ đơn phân tán (a) : tốc độ lắng phụ thuộc thời gian OA giai đoạn đầu là đường thẳng và AB : khi lắng hồn tồn.
Với hệ đa phân tán
Số lượng chất lắng khơng phụ thuộc tỉ lệ thuận với thời gian. Thời gian đầu chất lơ lửng lắng do những chất cĩ kích thước lớn ( OA’)
Ngồi tính chất khơng bền do lắng, huyền phù cịn cĩ tính chất khơng bền tập hợp : dưới ảnh hưởng của chất điện ly (keo tụ) chúng tập hợp thành bơng kết tủa và quá trình lắng nhanh hơn. Trong trường hợp bơng khơng thấm ướt bởi mơi trường chúng bị nổi lên bề mặt. Hiện tượng này gọi là tuyển nổi. Gía trị thế điện động của các hạt huyền phù trong hệ cũng xấp xỉ bằng thế diện động ξ của hạt keo điển hình.
Giống như hệ keo, huyền phù cĩ thể chế tạo bằng những phương pháp phân tán và ngưng tụ. Aûnh hưởng của chất điện ly tới tốc độ lắng của các hạt kích thước lớn, tương tự tốc độ keo tụ trong dung dịch keo.
A B 0 Hie äu quả lắn g, % Thời gian 100 Hie äu quả lắn g, % 0 Thời gian A B
Phịng dự án và mơi trường cơng nghiệp – Sites II D N 32
10.1. Nhũ tương
Nhũ tương là hệ vi dị thể, trong đĩ pha phân tán và mơi trường phân tán đều là chất lỏng. Hai chất lỏng này khơng hịa trộn lẫn nhau, chất lỏng này phân tán vào chất lỏng kia dưới dạng giọt nhỏ.
- Thường 1 pha là nước, pha kia là chất lỏng hữu cơ; dầu Bezen, kerosin (gọi chung là “dầu”) khơng hịa trộn với nước.
- Cĩ 2 loại nhũ tương : Dầu trong nước D/N Nước trong dầu N/D
- Nhũ tương lỗng: chứa 0,1% pha phân tán ( cĩ δ ≈ δ hạt keo 10-5 cm) - Nhũ tương đậm đặc; pha phân tán chiếm 75% thể tích.
- Nhũ tương rất đậm đặc; pha phân tán chiếm > 75% thể tích, cĩ dạng hình tổ ong.
Hình 2.8. Dạng giọt trong nhũ tương rất đậm đặc
Do sự sắp xếp chặt chẽ giữa các giọt của hệ nhũ tương này nên khơng cĩ khả năng lắng. Nhũ tương cĩ độ bền tập hợp giống như hệ keo. Vì chúng cũng cĩ năng lượng tự do trên bề mặt phân chia.
Chúng cĩ khả năng dính kết các giọt riêng biệt và cĩ thể tách thành hai lớp: + 1 lớp là chất lỏng của pha phân tán;
+ Lớp kia là chất lỏng của mơi trường phân tán. Tính bền vững của nhũ tương được đặc trưng bởi: - Thể tích phân lớp của chúng; hoặc
- Thời gian tồn tại của các giọt khi tiếp xúc nhau. Tính bền vững của nhũ tương phụ thuộc:
- Bản chất và số lượng chất nhũ hĩa (là chất cĩ khả năng hấp phụ lên bề mặt giọt và ngăn cản quá trình tập hợp giữa các pha để ổn định nhũ tương):
+ Chất hoạt hĩa bề mặt chứa nhĩm phân cực ion – như xà phịng; + Các chất cao phân tử;
+ Chất nhũ hĩa dạng rắn (bột).
- Các chất nhũ hĩa ưa nước tan vào nước tốt hơn vào cacbuahydro – tạo nên nhũ tương D/N;
- Các chất nhũ hĩa kỵ nước, thì ngược lại và tạo nên N/D;
- Tác dụng nhũ hĩa của các chất nhũ hĩa phụ thuộc vào sự phân bố các phần phân cực và khơng phân cực của các phân tử chất nhũ hĩa. Tác dụng nhũ hĩa là tốt khi sự phân bố của các phần phân cực và khơng phân cực khá đồng
đều với hai pha phân tán.
XÉT SỰ ỔN ĐỊNH NHŨ TƯƠNG BẰNG XÀ PHỊNG: _ Đối với nhũ tương D/N:
+ Phần phân cực của phân tử xà phịng của kim loại kiềm hướng vào mơi trường phân tán. + Phần khơng phân cực hướng vào giọt dầu.
- Đối với nhũ tương N/D: Qúa trình phân bố ngược lại:
phần phân cực (xà bơng) phân bố vào giọt nước,phần khơng phân cực hướng vào mơi trường phân tán.
- Đối với các phân tử nhũ hĩa dạng rắn (bột):
+ Đất sét, thạch cao, oxyt sắt,... cần cĩ độ phân tán cao và khả năng thấm ướt tốt. + Nhũ hĩa dạng rắn cho kết quả thấp hơn so với xà phịng và các chất cao phân tử.
+ Đối với loại thấm ướt tốt bởi mơi trường phân tán, thì phần lớn các hạt rắn được phân bố phía ngồi giọt làm ngăn cản sự kết dính khi va chạm.
+ Đối với loại thấm ướt tốt bởi pha phân tán, thì phần
lớn các hạt phân bố vào bên trong giọt và nhũ tương khĩ bền .
• Tính bền của nhũ tương phụ thuộc :
- Ngồi sự phân bố các hạt rắn ở trên bề mặt giọt mà cịn. - Cĩ xuất hiện lớp điện kép của chất nhũ hĩa trên ranh giới
chất nhũ hĩa- mơi trường pha phân tán luơn cĩ sức căn bề mặt nên các giọt nhũ tương khi va chạm thường kết dính nhau.
- Hiện tượng đặc trưng của nhũ tương là sự ĐẢO PHA: là quá trình chuyển pha phân tán thành mơi trường phân tán và ngược lại.
- Để phá vỡ nhũ tương; cĩ thể
+ Dùng phương pháp hĩa học lựa chọn;
+ Tác động cơ học phá vở mành bảo vệ của chất nhũ hĩa.
+ Đun nĩng để khử hấp phụ lớp chất nhũ hĩa trên bề mặt giọt làm tăng số va chạm cĩ hiệu quả.
10.2. Bọt
Bọt là hệ phân tán rất thơ và rất đậm đặc khơng khí trong chất lỏng.
- Nếu nồng độ khơng khí trong hệ nhỏ và các bọt khơng khí khơng liên kết với nhau mà chuyển động tự do thì đĩ khơng phải là bọt mà là nhũ tương khí trong chất lỏng K/L. - Do bọt cĩ chứa pha khí, chúng ép lên nhau nên các bĩng khí trong bọt mất dạng hình
cầu mà thành hình đa dạng- cấu tạo theo kiểu tổ ong.
- Các loại bọt được chế tạo bằng cách phân tán trong chất lỏng khi cĩ chất tạo bọt (chất làm bền bọt)
- Khi thổi khí qua chất lỏng – thu được bọt nhưng khơng bền, và khi thổi qua nước sạch thì khơng cĩ hiện tượng tạo bọt.
10.2.1. Tính bền tập hợp của bọt Tính bền của bọt phụ thuộc vào:
- Nồng độ chất tạo bọt; - Nhiệt độ;
- Chất điện ly - pH
Tính bền của bọt đặc trưng bằng thời gian tồn tại của bọt.
Theo thời gian các màng giữa các bĩng khí trong bọt mỏng dần do sự chảy của chất lỏng – Bĩng khí vỡ, bọt tan và cuối cùng cịn lại một pha lỏng- là dung dịch chất tạo bọt