КОАГУЛЯЦИЯ (от лат. coagulatio- свертывание, сгущение), объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезии) частиц при их соударениях. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрич. поле (электрокоагуляция), мех. воздействия на систему (перемешивания, вибрации) и др. Характерные признаки коагуляции - увеличение мутности (интенсивности рассеиваемого света), появление хлопьевидных образований - флокул (отсюда термин флокуляция, часто используемый как синоним коагуляции), расслоение исходно устойчивой к седиментации системы (золя) с выделением дисперсной фазы в виде коагулята (осадка, сливок). При высоком содержании частиц дисперсной фазы коагуляция может приводить к отверждению всего объема системы вследствие образования пространств, сетки коагуляц. структуры (см. Гели, Структурообразование). В относительно грубодисперсных системах (суспензиях) при отсутствии броуновского движения первичных частиц о коагуляции можно судить по изменению седиментации - от оседания независимых первичных частиц с постепенным накоплением осадка (бесструктурная седиментация) к оседанию агрегатов сплошным слоем; при достаточно высокой концентрации частиц в системе такой слой образует четкую границу (структурная седиментация). Кроме того, коагуляция приводит к увеличению конечного объема осадка.
коагуляция сама по себе (не осложненная изотермич. перегонкой или коалесценцией) не приводит к изменению размера и формы первичных частиц (см. Дисперсные системы). Коагуляция наиб. характерна для дисперсий твердых в-в (золей, суспензий), в к-рых, в отличие от эмульсий и пен, коалесценция невозможна даже при непосредств. контакте частиц после прорыва разделяющих их пленок жидкости.
Процесс, обратный коагуляции,-распад агрегатов до первичных частиц, наз. пептизацией. Между -коагуляцией и пептизацией может устанавливаться динамич. равновесие, к-рое для систем с броуновским движением частиц отвечает условию: где Е - энергия связи частиц в контакте, z - координац. число частицы в пространств, структуре коагулята, v3 - объем, приходящийся на одну частицу в золе (при концентрации частиц nv3=1/n), vк - эффективный объем, в к-ром происходят смещения частицы относительно положения равновесия в пространств, коагуляц. структуре, k постоянная Больцмана, Т-абс. т-ра. В лиофильных дисперсных системах, характеризующихся низкими значениями уд. межфазной энергии и соотв. энергии связи Е, могут реализоваться условия, когда 1/2zE<kTln(v1/vк) и коагуляция термодинамически невозможна. В лиофобных системах, когда потенц. минимум на кривой зависимости энергии Е от расстояния между частицами достаточно глубок, концентрация частиц золя n=1/v3 в равновесии с коагулятом пренебрежимо мала, т.е. коагуляцию можно считать практически необратимой.
Устойчивость лиофобных золей к коагуляции может быть вызвана наличием энергетич. барьера в нек-рой области расстояний между частицами, препятствующего их дальнейшему сближению и связанного с преобладанием отталкивания частиц над их притяжением, обусловленным межмолекулярными
взаимодействиями. Согласно теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (теории ДЛФО), возникновение такого барьера рассматривается как результат электростатич. отталкивания частиц из-за наличия на их пов-сти двойного электрического слоя. Отталкивание частиц может иметь и др. причины, напр. оно м. б. обусловлено тем, что граничные (сольватные) слои жидкости имеют структуру, отличную от структуры в объеме дисперсионной среды, или наличием адсорбц. слоев ПАВ (структурно-мех. барьер по Ребиндеру), а также м. б. связано с др. дальнодействующими поверхностными силами (см. Расклинивающее давление).
Кинетика броуновской коагуляции лиофобных коллоидных систем подчиняется теории Смолуховского. Время t, за к-рое число независимых кинетич. единиц (отдельных частиц или агрегатов) уменьшается вдвое, определяется выражением:
t=3h/4kTn0a,
где h - вязкость среды, n0 - исходная концентрация частиц, a - т. наз. коэф. замедления коагуляции. При безбарьерной ("быстрой") коагуляции, когда скорость коагуляции равна числу соударений частиц в единицу времени, a=1; при наличии энергетич. барьера a < 1 ("медленная" коагуляция).
Коагулянты - в-ва, способные вызывать или ускорять коагуляцию. Введение в систему коагулянтов широко используют для облегчения процессов, связанных с необходимостью отделения в-ва дисперсной фазы от дисперсионной среды (осаждение взвешенных частиц при водоочистке, обогащение минер, сырья, улучшение фильтрац. характеристик осадков и др.). Концентрация Сnкоагулянта, при к-рой наступает быстрая коагуляция, наз. порогом коагуляции
наиб. изучена и важна в практич. отношении коагуляция электростатически стабилизир. гидрофобных коллоидов (гидрозолей разл. металлов и неметаллов, латексов и др.), вызываемая коагулянтами - электролитами. Коагулирующее действие электролитов объясняется в теории ДЛФО снижением энергетич. барьера вследствие экранирования поверхностного заряда частиц при высоких концентрацияхэлектролита (концентрационная коагуляция) или вследствие специфич. адсорбцииионов на частицах (нейтрализационная коагуляция). Эффективность коагулирующего действия электролитов возрастает, как правило, с увеличением зарядового числа zi коагулирующего i-го иона; так, для многих систем соблюдается правило Шульце-Гарди: Сn ~1/z6i.
Широко распространены полимерные коагулянты - разл. растворимые высокомол. соед., в частности полиэлектролиты, поликремниевые к-ты. Макромолекулы полимерного ПАВ закрепляются отдельными участками цепи одновременно на двух частицах и таким образом связывают частицы в прочные флокулы, устойчивые к мех. разрушению при перемешивании или фильтрации (полимерная флокуляция). Полимерная флокуляция используется в процессах обогащения руд, при водоочистке, в технологии произ-ва бумаги, получения связнодисперсных материалов и др. Возможны и др. механизмы действия полимерных коагулянтов; напр., не адсорбирующиеся на частицах полиэтиленоксиды вызывают коагуляцию дисперсных систем, стабилизированных полимерами, вследствие осмотич. эффектов.
Для термодинамически устойчивых лиофильных золейкоагулянтами служат в-ва, к-рые адсорбируются на частицах и увеличивают энергию связи в контактах. Так, для водных дисперсий гидрофильных частиц эффективными коагулянтами являются в-ва, гидрофобизующие пов-сть частиц и обусловливающие гидрофобное взаимодействие; в случае дисперсий кремнезема, глин и др. гидрофильных в-в с отрицат. зарядом пов-сти это катионоактивные ПАВ.
Особый случай коагуляции представляет гетерокоагуляция, при к-рой две дисперсные системы взаимно коагулируют друг друга в результате прилипания частиц одной дисперсной фазы к частицам другой. Гетерокоагуляция наступает, напр., при смешении двух агрегативно устойчивых золей с разноименно заряженными пов-стями частиц, между к-рыми в соответствии с теорией ДЛФО ионно-электростатич. силы приводят к притяжению частиц, а не к их отталкиванию.
Гетерокоагуляция - один из возможных механизмов коагулирующего действия солей многовалентных металлов, к-рые гидролизуются с образованием коллоидного гидроксида. Использование дисперсий золы, извести и др. материалов для гетерокоагуляции вместо применения более дорогостоящих коагулянтов (напр., полимерных) часто более эффективно и экономически целесообразно. Гетерокоагуляция наряду с флотацией или экстракцией может применяться для разделения компонентов сложных дисперсных композиций; так, нек-рые микроорганизмы служат в качестве коагулянтов, позволяющих селективно концентрировать благородные металлы в коллоидно-дисперсном состоянии.
Стабилизаторы - в-ва, используемые для предотвращения нежелательной коагуляции, к-рая может приводить к расслаиванию реакц. смесей при гетерог. процессах (напр., латексов при полимеризации), пищ., фармацевтич., лакокрасочных и др. композиций, ухудшению условий эксплуатации гидротранспортных суспензий и пульп и т. п. В качестве стабилизаторов применяют добавки разл. ПАВ (ионогенных и неионогенных), к-рыми м.б. как прир. в-ва (напр., желатина), так и синтетические (напр., поливиниловый спирт). Причинами стабилизации м. б. образование на частицах адсорбц. слоев, оказывающих "барьерное" действие, или ослабление адгезии частиц в контакте вследствие вызываемого адсорбцией ПАВ снижения уд. межфазной энергии. В последнем случае возможно проявление не только стабилизирующего, но и пептизирующего действия ПАВ, т. е. облегчение диспергирования коагулята (самопроизвольного или, напр., при перемешивании).
Влияние на дисперсную систему того или иного физ.-хим. фактора (изменения состава среды, рН, т-ры и пр.) является специфичным. Так, одни и те же полимерные ПАВ в зависимости от природы в-ва дисперсной фазы и дисперсионной среды, концентрации и др. условий м.б. коагулянтами или стабилизаторами.
Лит.. Зонтаг Г., Штренге К., Коагуляция и устойчивость дисперсных систем, пер. с нем., Л., 1973; Коагуляционные контакты в дисперсных системах, М., 1982; Дерягин Б. В., Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок, М., 1986; За польски и А. К., Баран А. А., Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды, Л., 1987. В. В. Яминский.
=== Исп. литература для статьи «КОАГУЛЯЦИЯ»: нет данных
где Е - энергия связи частиц в контакте, z - координац. число частицы в пространств, структуре коагулята, v3 - объем, приходящийся на одну частицу в золе (при концентрации частиц nv3=1/n), vк - эффективный объем, в к-ром происходят смещения частицы относительно положения равновесия в пространств, коагуляц. структуре, k постоянная Больцмана, Т-абс. т-ра. В лиофильных дисперсных системах, характеризующихся низкими значениями уд. межфазной энергии и соотв. энергии связи Е, могут реализоваться условия, когда 1/2zE<kTln(v1/vк) и коагуляция термодинамически невозможна. В лиофобных системах, когда потенц. минимум на кривой зависимости энергии Е от расстояния между частицами достаточно глубок, концентрация частиц золя n=1/v3 в равновесии с коагулятом пренебрежимо мала, т.е. коагуляцию можно считать практически необратимой.
Устойчивость лиофобных золей к коагуляции может быть вызвана наличием энергетич. барьера в нек-рой области расстояний между частицами, препятствующего их дальнейшему сближению и связанного с преобладанием отталкивания частиц над их притяжением, обусловленным межмолекулярными
взаимодействиями. Согласно теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (теории ДЛФО), возникновение такого барьера рассматривается как результат электростатич. отталкивания частиц из-за наличия на их пов-сти двойного электрического слоя. Отталкивание частиц может иметь и др. причины, напр. оно м. б. обусловлено тем, что граничные (сольватные) слои жидкости имеют структуру, отличную от структуры в объеме дисперсионной среды, или наличием адсорбц. слоев ПАВ (структурно-мех. барьер по Ребиндеру), а также м. б. связано с др. дальнодействующими поверхностными силами (см. Расклинивающее давление).
Кинетика броуновской коагуляции лиофобных коллоидных систем подчиняется теории Смолуховского. Время t, за к-рое число независимых кинетич. единиц (отдельных частиц или агрегатов) уменьшается вдвое, определяется выражением: