1. Lý thuyết về tính bền.
Tính bền của hệ phân tán gắn liền với tính phân tán của hệ. Thời gian mà hạt phân bố đồng đều trong hệ càng dài thì tính bền của hệ càng cao.
Trái với tính bền là tính keo tụ hoặc đông tụđó là tính kết dính, tính tập hợp đông vón và sa lắng. Khi xảy ra keo tụ là lúc tính bền của hệ biến mất, tính phân tán không còn. Kết quả
là dung dịch keo tách thành 2 pha rõ rệt: pha keo tụ chỉ gồm các hạt của chất phân tán và pha lỏng chỉ gồm môi trường phân tán.
2. Tính bền động học và tính bền nhiệt động học
Căn cứ vào tính phân tán và tính kết dính, tính bền của hệ có 2 loại là tính bền động học và tính bền nhiệt động học.
Tính bền động học hay tính bền phân bố: là khả năng chống lại sự sa lắng của hạt.
Các hạt keo có chuyển động nhiệt, tính chất này chống lại sự sa lắng của hạt. Ký hiệu
ϕ là đại lượng đặc trưng cho tính bền phân bố, thì ϕ tỷ lệ nghịch với tốc độ sa lắng của hạt (xem công thức I.6):
(V.1) 1 2 t h r k v = = = ϕ v: tốc độ sa lắng r: bán kính hạt phân tán
h: độ cao mà hạt sa lắng được trong thời gian t
k: hằng sốđối số một hệ phân tán xác định, ở nhiệt độ không đổi Vậy:
- Tính bền động học tỷ lệ nghịch với kích thước hạt phân tán. Kích thước hạt càng lớn, tính bền động học của hạt càng nhỏ.
- Tính bền động học cho biết thời gian sa lắng (ϕ) của hạt. Đó là thời gian để hạt sa lắng được 1cm. Thời gian sa lắng càng dài thì tính bền động học càng cao – xem bảng V.1.
Bảng V.1: Thời gian sa lắng của các hạt SiO2 (khối lượng riêng 2,7gcm-3) trong nước (η=0,0115poa, khối lượng riêng 1g.cm-3).
Bán kính hạt r (cm) 10-3 10-5 10-5 10-6 10-7
Tốc độ sa lắng (cm. s-1) 3,2. 10-2 3,2. 10-4 3,2. 10-6 3,2. 10-8 3,2. 10-10 Thời gian sa lắng 31 giây 52 phhút 86,6 giờ 360 ngày Hàng chục năm
Tính bền nhiệt động học hay tính bền tập hợp: Là khả năng chống lại sự tập hợp của hạt.
Các hạt phân tán có khuynh hướng kết dính nhằm giảm năng lượng bề mặt của hệ. Do
đó tính bền tập hợp gắn liền với tính chất bề mặt của hạt. Các yếu tố tăng cường khả năng chống lại sự kết dính đều có tác dụng làm tăng tính bền cho hệ.
Tính bền động học và tính bền nhiệt động học mâu thuẫn với nhau: kích thước các hạt càng nhỏ thì tính bền động học càng lớn nhưng tính bền nhiệt động học của hệ càng kém.
Về mặt động học các hệ keo ghét lưu tương đối có tính bền sa lắng (hoặc tính bền
động học), nhưng về mặt nhiệt động thì các hệ có tính bền tập hợp rất thấp. Các hệ keo ưa lưu có tính bền động học và tính bền nhiệt động học cao.
3. Thế hút, thếđẩy giữa các hạt.
Thực tế không phải chỉ có kích thước hạt là yếu tố quyết định khả năng phân tán của hạt mà trạng thái bề mặt các hạt có vai trò lớn đến tính bền của hệ. Trong đó trạng thái điện tích bề mặt, điện thế bề mặt có ý nghĩa rất lớn đến sự tương tác giữa các hạt.
Thế hút và thếđẩy giữa các hạt làm cho tính bền động học và tính bền nhiệt động học tuy mâu thuẫn nhưng có nhiều điểm thống nhất, bời vì sớm muộn thì các hạt đều sa lắng. Tương quan giữa thế hút và thếđẩy cho phép đánh giá trạng thái của hệ.
Thế hút .
Một cách gần đúng người ta coi thế hút Ψh của 1 hạt keo là tổng lực hút của các phân tử tạo nên hạt. Do đó thế hút giữa các hạt có dấu âm, độc lập với chất điện ly của môi trường. Thế hút xuất hiện ngay từ khi các hạt còn ở xa nhau (trong 1 phạm vi xác định) tăng dần theo hàm luỹ thừa của khoảng cách l giữa 2 hạt: (V.2) n h l A − = ψ
Ởđây A là hằng số của thế hút, n là các số nguyên dương chẳng hạn khi l = 10-4 thì n = 2, khi l từ 4.10-4 đến 5.10-4cm thì n = 3, khi l tăng lên nữa thì n = 6.
Thế đẩy.
Khi các hạt keo mang điện cùng dấu sẽđẩy nhau có bản chất của lực Culông. Thếđẩy có dấu dương, xuất hiện khi các hạt gần nhau, đặc biệt khi có sự chờm lên nhau của 2 lớp điện kép (trong tầng khuếch tán). Thếđẩy Ψđ phụ thuộc vào điện thế bề mặt ϕo của hạt (trong đó
Ψh Ψđ ΨT d (3) 2d (2) (1) l Hình V.1: Đường cong thế hút (1), thếđẩy (2) và thế tổng hợp (3) biến đổi theo khoảng cách giữa các hạt (l)
có thếđiện động), vào lực ion của dung dịch và Ψđ giảm theo hàm mũ của khoảng cách giữa các hạt:
ởđây: r là bán kính của hạt, d là bề dầy lớp điện kép, l là khoảng cách tính từ tâm giữa 2 hạt. Trạng thái phân tán hay đông tụ giữa các hạt là sự phản ánh quan hệ giữa thếΨh và thế đẩy Ψđđược diễn tả bởi thế tổng hợp ΨT của 2 thế nêu trên:
ΨT = Ψh + Ψđ (V.4)
Thế tổng hợp được tạo nên bằng cách lấy tổng hình học của các tung độ tại mỗi giá trị
của hoành độ .
Điều quan trọng là ở khoảng cách giữa 2 hạt cỡ bề dày lớp điện kép (d) thì thế tổng hợp đạt giá trị cực đại và dương, nghĩa là tại đó ΨT có bước nhảy (tương tự hàng rào năng lượng của phản ứng hoá học). Nếu các hạt gần nhau hơn (l<d) thì thế tổng hợp giảm xuống và sự keo tụ xẩy ra, nhưng nếu chúng không đến gần nhau (l > d) thì không xẩy ra sự keo tụ và hệở trạng thái bền.
Công thức V.3 cho thấy: nếu thế bề mặt ϕ0 càng lớn thì cực đại của ΨT càng cao, ởđó lực đẩy chiếm ưu thế, hạt càng ít có khả năng kết dính hoặc tập hợp với nhau.
Ở một điều kiện xác định, điện thế ζ (trong bề mặt ϕ0) càng lớn thì thếđẩy Ψđcàng lớn, thế hút Ψh không đổi, thì thế tổng hợp càng lớn, tính tập hợp và sa lắng của hạt càng kém, tính bền của hệ keo càng tăng.
Khái niệm về lực hút phân tử và lực đẩy tĩnh điện là cơ sở lý thuyết về sự bền vững và sự keo tụ các hệ keo.
Thực tế mức độưa nước và trạng thái cấu trúc cơ học ở bề mặt hạt ảnh hưởng nhiều
đến tính bền của hệ. Tính ưa dung môi có vai trò quyết định đối với tính bền của các dung dịch cao phân tử (hệ ưa lưu), còn tính không đồng nhất ở bề mặt có nhiều điểm gồ gề, lồi lõm…) cũng dễ tạo nên cơ hội kết dính về hoá lý hoặc cơ học giữa chúng. Các yếu tố này có vai trò lớn trong sự tạo cấu thể của hệ. Bề mặt hạt mang điện (đặc trưng bằng điện thế ζ) có vai trò chủ yếu quyết định tính bền của hệ keo ghét lưu.