КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 5, с. 592-596
УДК 541.18.048
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛАМИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ФЛОКУЛЯЦИИ ГЛИНИСТО-СОЛЕВЫХ ДИСПЕРСИЙ
© 2007 г. П. Д. Воробьев, Н. П. Крутько, Е. В. Воробьева, Д. В. Чередниченко, И. И. Басалыга
Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси
220072 Минск, ул. Сурганова, 9 Поступила в редакцию 03.11.2006 г.
Изучены особенности формирования полиэлектролитных комплексов на основе катионных и анионных сополимеров акриламида с различной плотностью заряда макромолекул на поверхности частиц каолина в высококонцентрированном солевом растворе. Взаимодействие сополимеров с поверхностью частиц глины и между собой исследовано электрокинетическим методом и методом ИК-спектроскопии. Изучены реологические свойства суспензий каолина в солевом растворе в присутствии полиэлектролитов. Проведена оценка флокулирующей способности полиэлектролитов и их бинарных смесей по отношению к глинисто-солевым дисперсиям. Обсуждается механизм образования полиэлектролитного комплекса на поверхности частиц глины. Показано, что образование комплекса на основе противоположно заряженных полиэлектролитов на поверхности частиц глины приводит к усилению флокуляции глинисто-солевых дисперсий.
ВВЕДЕНИЕ
Флокуляция - один из наиболее эффективных и экономичных способов концентрирования, обогащения и обезвоживания осадков - является необходимым этапом при разделении фаз суспензий, поскольку без предварительной агрегации отделение тонкодисперсного неструктурированного осадка от жидкости практически невозможно даже с применением современного эффективного фильтрующего оборудования. Среди большого ассортимента синтетических водорастворимых флокулянтов наиболее широкое распространение получили полиа-криламидные соединения. Высокая молекулярная масса, широкий интервал содержания ионогенных групп, способность хорошо адсорбироваться на частицах различной природы и стабильность в солевых растворах делают эффективным применение полиакриламидных флокулянтов в самых различных областях. Их используют, в частности, для очистки оборотных и сточных вод от дисперсных примесей, для улучшения фильтрационных характеристик осадков, сгущения и обезвоживания суспензий в рудо- и углеобогащении [1-3].
Эффективность флокулирующего действия зависит от химической природы, состава, молекулярной массы и концентрации флокулянтов, параметров частиц дисперсной фазы (в первую очередь, поверхностных характеристик) и дисперсионной среды [4-6]. В технологических процессах переработки калийных руд дисперсионной средой является высококонцентрированный (насыщенный) солевой раствор; в качестве флокулянтов при сгущении
и обезвоживании глинисто-солевых дисперсий применяют полиакриламид [2, 3, 7]. Несмотря на то, что основные аспекты влияния полиакриламида на флокуляцию глинистых частиц в солевых растворах исследованы и проанализированы, некоторые важные в теоретическом и практическом плане вопросы остаются неясными и требуют дальнейших исследований. Это относится, в частности, к изучению поведения полиакриламидных соединений ка-тионного и анионного типов с различной плотностью заряда макромолекулярной цепи в высококонцентрированной солевой среде, взаимодействия противоположно заряженных полиэлектролитов с образованием полиэлектролитных комплексов (ПЭК) на поверхности частиц дисперсной фазы, а также к оценке влияния соли на степень агрегации и флокуляцию суспензий.
В данной работе приведены результаты исследования образования ПЭК на основе полиакриламидных соединений в высококонцентрированной солевой среде и их влияния на электрокинетический потенциал частиц каолина, реологические свойства и флокуляцию глинисто-солевых дисперсий.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы
В работе использовали катионный (К) и анионный (А) сополимеры акриламида. Катионный полиэлектролит представлял собой сополимер акриламида с метилхлоридом диметиламинопропила-криламида (М = 1.0 х 107) с различным содержанием
ионогенных групп (К1 - 7, К2 - 25, К3 - 56% от общего числа функциональных групп), анионный - сополимер акриламида с акрилатом натрия (М = 1.4 х х 107) с различным содержанием карбоксильных групп (А1 - 10, А2 - 20, А3 - 30, А4 - 40% от общего числа функциональных групп). Образцы предоставлены компанией Дегусса-Евразия (Россия) и использовались без дальнейшей обработки.
Водно-солевые растворы готовили в две стадии: сначала сополимер растворяли в дистиллированной воде (концентрация 0.5%), затем этот раствор разбавляли насыщенным раствором хлорида калия (марки "х.ч."). В экспериментах использовали свежеприготовленные 0.1%-ные растворы сополимеров в 3.3 M растворе KCl.
Для приготовления модельной водно-солевой суспензии глины диспергировали каолин (марка SPS, Великобритания) в насыщенном растворе хлорида калия. Использовали фракцию c преимущественным размером частиц 1-2 мкм, не оседающую в течение суток; содержание каолина в суспензии - 10%.
Методы исследования
Образцы для ИК-спектроскопии получали нанесением индивидуальных растворов сополимеров и смеси растворов катионного и анионного полиэлектролитов на хлорид калия. Механическую смесь готовили путем смешения порций хлорида калия, обработанных растворами индивидуальных сополимеров. Образцы хлорида калия измельчали, и для измерений отбирали фракцию с размером частиц менее 0.2 мм. Спектры подготовленных образцов регистрировали в области 4000-400 см-1 на спектрометре Avatar-330 с фурье-преобразованием, используя приставку диффузного отражения. В качестве образца сравнения использовали KCl.
Вязкость суспензий каолина измеряли на вискозиметре Брукфильда LV-DV II + Pro при скорости вращения шпинделя LV-III, равной 50, 70, 100 и 200 об/мин (величина, прямо пропорциональная скорости сдвига).
Электрокинетические свойства суспензий глины в 0.4 M растворе KCl измеряли на приборе Zetaphor-ometer IV (CAD Instrumentation) при 25 ± 0.1°С.
Эффективность флокуляции суспензии каолина оценивали, определяя скорость осаждения частиц глины в насыщенном растворе соли, оптическую плотность надосадочного слоя и плотность осадка.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Обработка суспензии каолина в водно-солевом растворе катионными полиэлектролитами с различным количеством ионогенных групп приводит к снижению электрокинетического потенциала и перезарядке поверхности частиц глины (рис. 1). При
Электрический потенциал, мВ
-30 г
0.01 0.03 0.05 0.070.090.1^0.13 0.15 0.17 0.19 Концентрация èù, мг/каолина
0 5 10 15 20
Рис. 1. Зависимость электрокинетического потенциала частиц каолина от количества введенного в систему катионного полиэлектролита: 1 - К^, 2 - К2,3 - К3.
увеличении плотности заряда катионного полиэлектролита концентрация сополимера, необходимая для перезарядки частиц, уменьшается. Точке перезарядки соответствуют следующие концентрации полиэлектролитов: К - 0.105, К2 - 0.086, К3 - 0.072 мг/г каолина. Полученные результаты позволяют предположить, что перезарядка поверхности частиц каолина происходит в результате их электростатического взаимодействия с ионо-генными группами макромолекул полиэлектролита, и согласуются с литературными данными [6].
Макромолекулы катионного полиэлектролита, нейтрализуя поверхностный заряд частиц глины, закрепляются на их поверхности с образованием большого числа контактов, что приводит к формированию полимерных "мостиков" между частицами и, как следствие, к структурированию системы. Данные, представленные на рис. 2, характеризуют изменение реологических параметров концентрированных суспензий каолина при различной скорости деформации в зависимости от вида добавленного полиэлектролита. Содержание полиэлектролитов (или их бинарной эквимольной смеси) в суспензии составляло 0.3 мг/г каолина и соответствовало дозе сополимера, обеспечивающей максимальную вязкость при скорости вращения шпинделя 100 об/мин. Увеличение концентрации сополимера выше 0.3 мг/г каолина приводит к появлению неоднородных включений в анализируемой суспензии, что затрудняет измерение вязкости.
Из рис. 2 следует, что при обработке катионным полиэлектролитом К1 вязкость дисперсий выше, чем при обработке анионным полиэлектролитом А1. Введенный в дисперсию анионный полиэлектролит адсорбируется одновременно на нескольких частицах за счет большого размера его макромолекул, что приводит к их агрегации по механизму "мо-стикообразования". Взаимодействие частиц в присутствии катионного полиэлектролита происходит
Вязкость, мПа/с
Рис. 2. Вязкость суспензии каолина как функция скорости деформирования до обработки (1) и после обработки полиэлектролитами А1 (2), А1 + К (3), К1 (4) и К1 + А1 (5).
как за счет нейтрализации зарядов на их поверхности, так и вследствие образования полимерных мостиков. Таким образом, при добавлении катионного полиэлектролита частицы глины прочнее связываются друг с другом благодаря дополнительному вкладу электростатического взаимодействия между частицами и макромолекулами сополимера.
Вязкость суспензии глины, обработанной последовательно катионным и анионным полиэлектролитами, превышает вязкость суспензий, содержащих добавки индивидуальных полимеров (рис. 2). В данном случае, очевидно, увеличивается количество прочных контактов между частицами за счет последовательного взаимодействия частица-катионный полиэлектролит-анионный полиэлектролит.
Для исследования взаимодействия противоположно заряженных полиэлектролитов между собой в присутствии низкомолекулярной соли была использована ИК-спектроскопия. Для идентификации полос поглощения исследовали спектры индивидуальных компонентов - анионного полиэлектролита с разным содержанием карбоксильных групп и катионного полиэлектролита с разным содержанием катионных групп. Результаты исследования спектров и сравнение интенсивностей полос поглощения для полиэлектролитов с разным содержанием ионогенных групп с учетом литературных данных [8] позволяют отнести полосы поглощения вблизи 1550, 1400 и 1320 см-1 к колебаниям карбоксильных групп, полосы поглощения 1600, 1520 см-1 и в области 1300-1400 см-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.