КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 70, № 4, с. 504-507
УДК 578.168+541.18.046.7
ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСИЙ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ХЛОРИДА, НИТРАТА И СУЛЬФАТА АЛЮМИНИЯ
© 2008 г. П. М. Мосур, Ю. М. Чернобережский, А. В. Лоренцсон
ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный технологический университет
растительных полимеров" 198095 Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, 4 Поступила в редакцию 23.10.2007 г.
Методом микроэлектрофореза исследована зависимость ^-потенциала частиц микрокристаллической целлюлозы от концентрации водных растворов хлорида, нитрата и сульфата алюминия (10-6-10-3 М) и от рН (2-11). Показано, что в отсутствие солей алюминия изоэлектрическая точка (ИЭТ) частиц не зависит от вида аниона кислоты и находится при рН 3.2. Введение солей алюминия уже при концентрации 2 х 10-6 М для хлорида и нитрата и 1 х 10-5 М для сульфата приводит к сдвигу ИЭТ в менее кислую область (рН 3.8), величина которого практически не зависит от вида соли. При увеличении концентрации солей Z-потенциал изменяет знак на положительный, возрастает по мере роста рН, достигает максимума при рН 5.0-6.0 и далее уменьшается вплоть до достижения второй ИЭТ (рН ~ 6.5-7.0). При более высоких значениях рН Z-потенциал вновь становится отрицательным. Наблюдаемые зависимости Z(pH) обусловлены образованием гидролизованных форм алюминия, обладающих различной адсорбционной способностью на частицах микрокристаллической целлюлозы. Показано, что образующиеся из растворов сульфата алюминия положительно заряженные гидроксокомплексы обладают меньшей адсорбционной способностью по сравнению с гидроксокомплексами, образующимися из растворов хлорида и нитрата.
ВВЕДЕНИЕ
Целлюлоза - один из важнейших и распространенных природных полимеров. Она и ее производные широко используются во многих отраслях промышленности [1-5]. В частности, микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) применяется в качестве инертной добавки (наполнителя) в пищевой, фармацевтической, косметической и других отраслях промышленности. [6-10]. В бумажном производстве МКЦ применяется для упрочнения межволоконных связей в бумажном полотне [3]. По сравнению со всеми известными целлюлозными материалами МКЦ имеет максимальные степень кристалличности и плотность [11]. Частицы МКЦ состоят из отдельных кристаллических агрегатов размерами от 1 до 100 мкм. Удельная поверхность в сухом состоянии составляет 3.5-4.5 м2/г и при контакте с водой увеличивается в десятки раз, что свидетельствует о набухании МКЦ [12].
Известно, что многие физико-химические свойства водных дисперсий коллоидных частиц обусловлены их электроповерхностными свойствами. Так, качество бумажного полотна во многом зависит от электростатических взаимодействий между компонентами бумажной массы, для регулирования которых в нее вводят различные флокулянты и коагулянты. В качестве коагулянтов чаще всего исполь-
зуют соли алюминия. Знание закономерностей протекающих процессов позволит улучшить качество продукции и сократить потребление сырья.
В связи с этим, целью данной работы являлось исследование зависимости ^-потенциала частиц МКЦ от концентрации водных растворов хлорида, нитрата и сульфата алюминия и от рН.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовали фракцию хлопковой МКЦ (МКЦ-П ОАО "Полиэкс", г. Бийск) с размерами частиц менее 5 мкм, полученную из исходного полидисперсного порошка (размер частиц 1-50 мкм) путем его диспергирования в дистиллированной воде и последующего многократного отстаивания.
Электрокинетический потенциал частиц определяли методом микроэлектрофореза по известной методике [13]. Применяли видоизмененную ячейку Абрамзона, состоящую из двух цилиндрических стеклянных сосудов, соединенных в нижней части плоскопараллельным капилляром. В качестве обратимых электродов использовали медные пластинки, погруженные в раствор медного купороса. Для изоляции электродного пространства применяли агаровый студень. ^-потенциал рассчитывали по уравнению Смолуховского.
ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСИИ
505
- С 20
15 10 5 0
-5 -10 -15 -20
мБ
9 10 рН
- С 20
15 10 5 0 -5 -10 -15 -20
мБ
9 10 рН
Рис. 1. Зависимости ^-потенциала частиц МКЦ от рН водных растворов соляной (1), серной (2), азотной (3) кислот и гидроксида натрия (4).
Рис. 2. Зависимости ^-потенциала частиц МКЦ от рН растворов хлорида алюминия. Концентрация растворов: 0 (1), 2 х 10-6 (2), 2 х 10-5 (3), 2 х 10-4 (4) и 2 х 10-3 М (5).
Во всех экспериментах применяли реактивы марки хч. Удельная электропроводность дистиллированной воды составляла 3 х 10-6 См см-1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены зависимости ^-потенци-ала частиц МКЦ от рН в водных растворах соляной, азотной, серной кислот и гидроксида натрия, из которых следует, что изоэлектрическая точка (ИЭТ) частиц МКЦ находится при рН 3.2 и не зависит от вида кислоты. Это свидетельствует об отсутствии специфической адсорбции анионов С1-, — 2—
N03 и 804 . Наблюдаемое небольшое различие в величинах ^-потенциала при рН < рНиЭт, когда частицы МКЦ заряжены положительно, может быть обусловлено несколько большей электростатической адсорбцией двухзарядных анионов
802~, а также однозарядных анионов С1-, имеющих меньший радиус по сравнению с ионами N0^
На рис. 2 представлены зависимости ^-потенци-ала частиц МКЦ от рН в растворе А1С13 при различных его концентрациях (2 х 10-6-2 х 10-3 М). Обращает на себя внимание близость значений ^-потенциала частиц при рН < 3.2 в отсутствие и в присутствии А1С13 (особенно при наибольшей его концентрации 2 х 10-3 М), когда алюминий находится в негидролизованной форме. Последнее свидетельствует об увеличении плотности положительного заряда частиц при увеличении концентрации А1С13 (это следует из модифицированной теории Гуи [14]) за счет специфической адсорбции негидролизованной формы А13+.
Дальнейшее увеличение рН приводит к образованию ионов АЮН2+ и их специфической адсорбции, смещает положение ИЭТ от рН 3.2 к 3.8 и вызывает инверсию знака ^-потенциала частиц МКЦ в отсутствие (^ < 0) и в присутствии А1С13 (^ > 0).
При рН > 3.8 в системе появляются следующие продукты гидролиза А1(ОН)+, а затем и полиядерные
гидроксокомплексы (в частности А18 (0Н)4+), обладающие большой специфической адсорбцией, ^-потенциал вновь становится положительным, и его величина непрерывно возрастает по мере роста концентрации А1С13 и рН. Максимальные значения ^-потенциала наблюдаются при рН ~ 5.0-6.0. Согласно Матиевичу [15], в этом диапазоне рН преобладают положительно заряженные полиядерные гидроксокомплексы. С дальнейшим повышением рН и началом образования в системе незаряженной формы А1(ОН)3 происходит уменьшение положительной величины ^-потенциала, что приводит к появлению второй ИЭТ, положение которой (рН 6.5-7.0) зависит от концентрации А1С13. В щелочной области рН ^-потенциал частиц МКЦ отрицателен и его абсолютные значения уменьшаются по мере роста концентрации А1С13.
На рис. 3 представлены зависимости ^-потенциа-ла частиц МКЦ от рН в растворах А1^03)3 концентраций 2 х 10-6-2 х 10-3 М. Их вид аналогичен рассмотренному выше для раствора А1С13. В этом случае также по мере роста концентрации А1^03)3 наблюдаются смещение ИЭТ (от рН 3.2 к 3.8), появление положительного ^-потенциала (при рН > 3.8), его рост (при увеличении рН до 5.0-5.5), сменяющийся падением до 0 (в области рН 6.5-7.0), достижение отрицательных значений (при рН > 6.5-7.0) и уменьшение абсолютных значений. Единственное существенное различие этих зависимостей для А1С13 и А1^03)3 отмечается только в кислой области при рН < рНИЭТ. Более высокие значения £-по-тенциала при рН < 3.8 в растворах А1^03)3 по сравнению с А1С13 могут быть обусловлены меньшей энергией связи центральный атом-лиганд в случае А1^03)3 и, следовательно, большей адсорбционной способностью ионов алюминия из этих растворов, а
506
МОСУР и др.
- Z, мБ 20 г
Рис. 3. Зависимости ^-потенциала частиц МКЦ от рН
растворов нитрата алюминия. Концентрация растворов:
0 (1), 2 х 10-6 (2), 2 х 10-5 (3), 2 х 10-4 (4) и 2 х 10-3 М (5).
также меньшей электростатической адсорбцией более крупного аниона N03 на положительно заряженной поверхности частиц МКЦ.
Зависимости ^-потенциала частиц МКЦ от рН в растворах Л12(804)3 при различных его концентрациях (10-6-10-3 М) представлены на рис. 4. Из них следует, что общая тенденция изменения ^-потен-циала с возрастанием рН аналогична обсуждавшейся ранее для растворов А1С13 и Л1^03)3. Положение двух ИЭТ во всех случаях практически совпадает. Существенным отличием в поведении Л12(804)3 являются более низкие величины (приблизительно в 3.5 раза) ^-потенциала в области рН, находящейся между двумя ИЭТ, что свидетельствует о значительно меньшей адсорбционной способности положительно заряженных гидроксокомплексов алюминия, образующихся в растворах Л12(804)3. Это обусловлено более эффективным взаимодействием
лиганда 804 по сравнению с С1- и N03 с центральным атомом А13+, что затрудняет гидролиз Л12(804)3. Об этом свидетельствуют данные по константам гидролиза рК1т, которые для Л12(804)3 и Л1^03)3, согласно [16], составляют 5.42-5.54 и 5.08 соответственно, а также другие многочисленные литературные данные. Так, в работах [17-19] было изучено влияние анионов на состав и механизм формирования гидроксокомплексов. В зависимости от характера влияния на протекание гидролитических процессов их можно разделить на три группы: 1) не оказывающие влияние на реакцию гидролиза; 2) стабилизирующие моноядерные комплексы алюминия в растворе; 3) приводящие к стабилизации полиядерных гидроксокомплексов.
К первой группе относится ион С104 (он практически не взаимодействует с продуктами гидролиза алюминия), к третьей - ионы С1- и N0-. Наибольшее влияние на процесс гидролиза ионов алюминия
- Z, мБ
Рис. 4. Зависимости ^-потенциала частиц МКЦ от рН растворов сульфата алюминия. Концентрация растворов: 0 (1), 10-6 (2), 10-5 (3), 10-4 (4) и 10-3 М (5).
оказывает ион Sor, препятствующий образованию высокозаряженных полиядерных гидроксокомплексов алюминия. В растворах солей алюминия (при сопоставимых ко
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.