Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ В ПРИСУТСТВИЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ С ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Вершинина Ю.С. 1 Малышева Ж.Н. 1 Рыжова А.Ю. 1
1 Волгоградский государственный технический университет
Исследованы кинетические закономерности процесса осаждения водной каолиновой дисперсии и жировой эмульсии в присутствии водорастворимых реагентов на основе как одиночных ионогенных полиэлектролитов (ПЭ), так и бинарных систем полиэлектролит - противоположно-заряженные поверхностно активные вещества (ПАВ). Учитывались следующие характеристики процесса дестабилизации микрогетерогенных систем: заряды макромолекул полиэлектролита и частиц каолина, а также концентрационное влияние флокулянтов на устойчивость модельных систем и возможные механизмы протекания данных процессов. Изучение флокуляции микрогетерогенных систем выявило, что комплекс ПЭ+ПАВ является наиболее эффективным для очистки жиросодержащих сточных вод (эмульсия +суспензия). Высказано предположение, что определяющим механизмом флокуляции является не нейтрализация заряда частиц дисперсной фазы, а процесс мостикообразования между частицами в дисперсионной среде.
дестабилизация дисперсий
полиэлектролит
поверхностно-активные вещества.
1. Гандурина Л. В. Очистка сточных вод с применением синтетических флокулянтов. - М.: ДАР/ВОДГЕО, 2007. - 198 с.
2. Малышева Ж. Н., Зубрева Ю. С., Навроцкий А. В. Композиции катионных полиэлектролитов для дестабилизации дисперсий // Известия ВолгГТУ. Вып. 7: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 2. - C. 140-146.
3. Малышева Ж. Н. Многокомпонентные флокулирующие системы на основе катионных полиэлектролитов // Журнал прикладной химии. - 2009. - Т. 82, № 11. - С.1881-1886.
4. Мягченков В. А. Проскурина В. Е. Сополимеры акриламида с функцией флокулянтов: Казанский гос.техн.ун-т. - Казань, 2011. - 294 с.
5. Неппер Д. Стабилизация коллоидных дисперсий полимерами. - М.: Мир, 1986. - 487 с.
6. Новаков И. А., Дрябина С. С., Малышева Ж. Н. Закономерности флокуляции водных каолиновых дисперсий бинарными композициями катионных полиэлектролитов // Коллоидный журнал. - 2009. - Т. 71, №1. - С. 94-100.
7. Новаков И. А., Навроцкий А. В., Малышева Ж. Н. Исследование структурообразования дисперсий активного ила в процессах уплотнения и флокуляции // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. - № 5 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - С.116-119.
8. Новаков И. А. Комплексы полиэлектролитов с электростатически комплементарными поверхностно-активными веществами // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2005. - №10. - С.5-16.
9. Проскурина В. Е.,. Чичканов С. В, Мягченков В. А. Кинетика флокуляции суспензии диоксида титана в водно-солевых средах в присутствии катионных ПАВ // Химическая технология воды. - 2008 - Т. 29, №1 - С. 205-219.
10. Bolto B., Gregory J. Organic polyelectrolytes in water treatment // Water research. - 2007. - Vol. 41. - P. 2301-2324.
 

Введение

Изменение устойчивости микрогетерогенных систем, к которым относятся суспензии и эмульсии, можно добиться введением в систему различных коагулянтов и флокулянтов, например, анионных или катионных полиэлектролитов (ПЭ) [1], мицеллообразующих поверхностно-активных веществ (ПАВ) [8]. Значительный интерес к изучению флокулирующей способности полиэлектролитов вызван их применением для очистки природных и сточных вод, концентрирования дисперсий и обезвоживания осадков, улучшения фильтрационных свойств осадков и структуры почв, в горнорудной, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

Более широкие возможности регулирования устойчивости дисперсных систем (ДС) были обнаружены при переходе от индивидуальных полимеров к бинарным композициям: ПЭ-ПАВ[8], ПЭ1 - ПЭ2[6] и тройным композициям ПЭ [2, 3]. Это связано с тем, что использование бинарных и более сложных композиций может способствовать резкому изменению в нужном направлении агрегативной и седиментационной устойчивости как модельных, так и реальных дисперсных систем. Причём, именно это направление оказалось перспективным при разработке и внедрении на промышленных объектах оптимальной технологии регулирования в широких пределах седиментационной устойчивости не только микрогетерогенных, но и наноразмерных дисперсных систем. Наиболее значимой частью наших исследований является разработка основ регулирования процесса флокуляции для очистки сточных вод с использованием полимер-коллоидных комплексов (ППК), образующихся при взаимодействии ПЭ с противоположно заряженными ПАВ.

Цель работы: нахождение особенностей агрегирующей способности полиэлектролитов и полимер-коллоидных комплексов, на основе анализа кинетической устойчивости каолиновой суспензии и жировой эмульсии.

Объекты и методы исследования. В качестве флокулянта в экспериментальной части настоящей работы исследовался  синтезированный нами анионный полиэлектролит поли-2-акриламидо-2-метил-1-пропан сульфокислота (ПАМС) [10], который является перспективным средством очистки различных сточных вод. Его использование обосновано следующими характеристиками: способностью к диссоциации в широком диапазоне рН среды, нетоксичностью, хорошей биоразлагаемостью и экологической безопасностью. Полимер ПАМС получали методом радикальной полимеризации соответствующего мономера в воде в присутствии инициатора трет-бутилперокси-2-пропанола (С=10-3моль·л-1) при комнатной температуре в атмосфере аргона. Мономер 2-акриламидо-2-метил-1-пропан сульфокислота («Aldrich») использовали без дополнительной очистки. Для удаления остаточного мономера и других примесей продукт полимеризации очищали методом диализа и подвергали лиофильной сушке.

ПАМС  Praestol-650

Для сравнения с анионным ПЭ при изучении флокуляции использовали катионный промышленный флокулянт сополимер акриламида с N,N,N-триметилпропилакриламидаммоний хлоридом (Praestol-650), выбор последнего обусловлен его распространённостью и известными случаями применения (очистные сооружения о. Голодный, г.Волгоград) [7].

Составление композиций ПЭ-ПАВ для анионного полиэлектролита ПАМС в работе проводили скатионным ПАВ - цетилтриметиламмоний бромидом (ЦТМАБ) брутто-формулой С19Н42NBr. Это обусловлено его низкой стоимостью и широким применением в промышленности, а также оптимальной длиной углеводородного радикала, то есть соотношением гидрофобной и гидрофильной частей дифильной молекулы ПАВ, что оценивается величиной гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ). Для катионного сополимера Praestol-650 при составлении композиции использовали анионный ПАВ - додецилсульфат натрия (ДДС) с брутто-формулой С12Н25NaO4S.

В данной работе первой модельной системой являлась 0.8 % водная суспензия каолина, содержащая отрицательно заряженные частицы со средним диаметром 18 мкм. В качестве второй модельной системы использовалась жировая эмульсия, приготовленная из печени трески, моделирующая загрязнённые маслом (нефтью) и отходами пищевой (мясной, молочной) промышленности сточные или бытовые воды, а также смешанная модельная ДС на их основе.

Устойчивость дисперсных систем анализировали турбидиметрическим методом, в котором измеряется ослабление интенсивности света при прохождении его через дисперсную систему. Оптическую плотность D измеряли на фотоэлектроколориметре КФК-3 (спектральный диапазон работы 315 - 990 нм). Скорость осаждения определяли по кинетическим кривым изменения оптической плотности D во времени . По наклону начального прямолинейного участка кривых рассчитывали начальные скорости осаждения дисперсии как  τ→0.

Результаты и их обсуждение. Как известно из литературы [4, 5], дестабилизация дисперсий в сложной степени зависит от концентрации добавляемого флокулянта и играет прямую роль в осаждении. Нами были исследованы и построены зависимость скорости осаждения каолиновой дисперсии от концентрации добавляемого высокомолекулярного электролита, представленные на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Зависимость начальной скорости осаждения каолина в воде от концентрации ПЭ. 1 - ПАМС, 2 -Praestol-650

Такого типа концентрационные зависимости характерны для большинства флокулянтов. Они проходят через максимум, соответствующий оптимальной концентрации ПЭ. Из рисунка 1 следует, что проведение флокуляции в присутствии 2 мг/л полиэлектролитов наиболее эффективно, так как при уменьшении данного значения не достигается необходимая скорость осаждения, а увеличение концентрации приводит к меньшим скоростям осаждения. В то же время величины скоростей осаждения суспензии в присутствии ПАМС примерно в 1.5-2 раза превышают данный показатель при введении Praestol-650 (кривые 1 и 2). Полученные экспериментальные данные по осаждению суспензии каолина после введении ПЭ в оптимальных концентрациях сведены в таблицу 1. Ниже приводятся скорости осаждения при введении поверхностно активного вещества (ЦТМБ) при той же концентрации.

Как видно из таблицы 1, большая скорость осаждения в присутствии ПАМС характерна не только для каолиновой дисперсии, но и модельной эмульсии. Использование ПАВ не позволяет достичь высоких значений скоростей осаждения суспензии, присущих полиэлектролитам.

Таблица 1. Влияние различных флокулирующих агентов на скорость осаждения модельных систем

Система

Начальная скорость осаждения, (-dD/dτ)τ→0·102, с-1

Исходная(без добавок)

ПЭ (СПЭ=2 мг/л)

ПАВ (ЦТМАБ)

пав=2 мг/л)

Pr-650

ПАМС

Модельная

суспензия

1.02

2.47

4.0

1.02

Модельная

эмульсия

0.4

1.0

1.5

1.8

В большинстве случаев реальные сточные воды представляют собой сложные многокомпонентные дисперсные системы, содержащие одновременно жидкую и твёрдую дисперсные фазы, поэтому для их очистки является целесообразным использование комплексных реагентов - полимер-коллоидных комплексов (ПКК), полученных из ПЭ и ПАВ. Применение полимер-коллоидных комплексов является новым перспективным направлением, и они интенсивно исследуются в течение последних десятилетий [8,9]. Комплексы подобного типа способствуют более быстрому и полному разделению дисперсий, содержащих помимо твёрдых взвесей, эмульгированные жиры. Они могут быть образованы общепринятым способом получения полимерных комплексов: смешением готовых водных растворов ПЭ и ПАВ. В результате реакции ионного обмена между функциональными группами макромолекул полиэлектролита и противоположно заряженными молекулами ПАВ. Связь макромолекулы полимера и гидрофобной части ПАВ приводит к образованию ассоциатов, обладающих значительной солюбилизирующей способностью (схема 1).

 

Схема 1. Образование ассоциатов между ПЭ и противоположно заряженных ПАВ.ККА - критическая концентрация ассоциатов

В настоящей работе использовался полимер-коллоидный комплекс, образованный анионным полиэлектролитом ПАМС с противоположно заряженным катионным поверхностно активным веществом ЦТМАБ и для сравнения - комплекс Praestol-650+ДДС. Зависимости изменения оптической плотности от времени для водной каолиновой дисперсии в присутствии полимер-коллоидных комплексов представлены на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Кинетика изменения оптической плотности для каолиновой дисперсии в присутствии ПКК. 1 - Praestol-650+ДДС, 2 - ПАМС+ЦТМАБ

 

Из рисунка 2 видно, что большей скоростью осаждения обладает суспензия каолина в присутствии системы полиэлектролита ПАМС в комплексе с ЦТМАБ (кривая 2), снижающего оптическую плотность суспензии примерно в 3 раза. Нами также была изучена кинетика осаждения взвешенных частиц для смешанной модельной дисперсной системы: каолиновая водная суспензия + жировая эмульсия (С+Э) в присутствии изучаемого ПКК (ПАМС+ЦТМАБ). Для сравнения в таблице 2 приведено влияние ПКК на устойчивость смешанной модельной дисперсной системы, образованного из ДДС и Praestol-650.

Таблица 2. Влияние ПКК на скорость осаждения смешанной модельной системы

 

Система

Начальная скорость осаждения(-dD/dτ)τ→0·102, с-1

Pr-650+ДДС

ПАМС+ЦТМАБ

водная суспензия каолина + жировая эмульсия

 

2.25

 

3.76

Как видно из таблицы 2, для смешанной модельной дисперсной системы более эффективным дестабилизирующим реагентом является полимер-коллоидный комплекс на основе анионного полиэлектролита ПАМС и противоположно заряженного поверхностно активного вещества ЦТМАБ.

Обычно в качестве движущей силы процесса флокуляции рассматриваются два механизма - нейтрализационный и мостичный. Первый сопровождается компенсацией локальных зарядов на поверхности частиц за счёт адсорбции на них противоположно заряженных повторяющихся звеньев макроиона ПЭ. Очевидно, что данный механизм [5] реализуется при условии наличия на поверхности частиц дисперсной фазы достаточного большого числа участков, заряженных противоположно по отношению к макроиону. При таком механизме на поверхности формируется «мозаичная» структура с большим числом контактов ПЭ с поверхностью частицы. Эта конфигурация является не очень эффективной при флокуляции одноименно заряженными полиэлектролитами.

Другой механизм, который принят большинством авторов [1], рассматривает образование полимерных мостиков между дисперсными частицами и адсорбированным ВМС. С помощью данного механизма удается объяснить образование объемных и рыхлых осадков, рост флокулирующих показателей по мере увеличения молекулярной массы ПЭ, а также закономерности флокуляции неионогенными и одноименно заряженными ПЭ по отношению к частицам дисперсной фазы. Например, в нашем случае эффективным является флокуляция модельной суспензии каолина, содержащая частицы с преимущественно «-» зарядами, анионным полиэлектролитом ПАМС. При флокуляции по механизму мостикообразования адсорбированные макромолекулы полимеров закрепляются на поверхности небольшим числом контактов, слабо деформируются и могут содержать достаточно длинные петли и хвосты, образую флокулы. Для большинства дисперсных систем число частиц во флокулах достигает 20-50 и более. Очевидно, что в нашем случае флокуляция протекает именно по механизму мостикообразования между частицами дисперсной фазы, учитывая отрицательный заряд и большую молекулярную массу полиэлектролита.

Выводы

  1. Результаты исследования агрегирующей способности полиэлектролитов показали, что наиболее эффективным индивидуальным флокулянтом для дестабилизации водной суспензии каолина является полиэлектролит ПАМС при оптимальной концентрации 2 мг/л.
  2. Исследование полимер-коллоидных комплексов ПЭ+ПАВ выявило, что комплекс ПАМС+ЦТМАБ является наиболее эффективным для очистки смешанной модельной системы (эмульсия +суспензия).
  3. Высказано предположение, что определяющим механизмом флокуляции модельной суспензии каолина анионным полиэлектролитом ПАМС является механизм мостикооброзования.

Рецензенты:

  • Голованчиков А. Б.,  д.т.н., профессор, зам. зав. каф. «Процессы и аппараты химических производств» ВГТУ, «Волгоградский государственный технический университет», г. Волгоград.
  • Рахимов А. И., д.х.н., профессор, зав. каф. «Органическая химия» ВГТУ, «Волгоградский государственный технический университет», г. Волгоград.

Библиографическая ссылка

Вершинина Ю.С., Малышева Ж.Н., Рыжова А.Ю. УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ В ПРИСУТСТВИЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ С ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6394 (дата обращения: 19.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074