КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 4, с. 534-541
УДК 541.18.042.2:678.745
СЕДИМЕНТАЦИЯ СУСПЕНЗИИ ДИОКСИДА ТИТАНА В ПРИСУТСТВИИ ПОЛИАКРИЛАМИДНЫХ ФЛОКУЛЯНТОВ
© 2007 г. В. Е. Проскурина, В. А. Мягченков
Казанский государственный технологический университет 420015 Казань, ул. К. Маркса, 68 Поступила в редакцию 28.07.2006 г.
Изучена кинетика седиментации суспензии диоксида титана в водной и водно-солевых средах в присутствии высокомолекулярных флокулянтов - полиакриламида и ионогенных (анионных и катион-ных) сополимеров акриламида. Получены данные о влиянии концентрации флокулянтов, химической природы повторяющихся звеньев в полимерной цепи (со)полимеров акриламида и порядка введения активных компонентов на седиментационные показатели суспензии диоксида титана.
ВВЕДЕНИЕ
Для отыскания доступных и эффективных путей регулирования в широких пределах агрегативной и седиментационной устойчивости дисперсных систем в процессах разделения твердых и жидких фаз при флокуляции, флотации и фильтрации несомненную актуальность приобретают фундаментальные и прикладные исследования, базирующиеся на введении в дисперсионную среду сравнительно небольших по величине добавок водорастворимых высокомолекулярных соединений как природного, так и синтетического происхождения [1]. Правильный выбор полимерных присадок может оказать позитивное влияние и на заключительной стадии процесса флокуляции - на стадии формирования структуры осадка, а значит его эксплуатационных характеристик [2]. Среди водорастворимых полимерных добавок с функцией регуляторов седиментационной устойчивости дисперсных систем (ДС) по таким важнейшим показателям, как доступность, стоимость, токсичность, флокулирующая активность наиболее перспективными зарекомендовали себя флокулянты полиакриламидного типа (ПААФ) - статистические, блок- и привитые (со)полимеры акриламида (АА). Широкому практическому применению этого класса полимеров в многокомпонентных ДС в существенной мере способствовали достигнутые в последние десятилетия значительные успехи в управлении процессами флокуляции на стадиях синтеза и химической модификации ПААФ, что позволило получать неионо-генные и ионогенные (анионные и катионные) по-лиакриламидные флокулянты с прогнозируемыми показателями по молекулярной массе, химическому составу и характеру распределения ионогенных звеньев вдоль по цепи макромолекул [3, 4].
При изучении флокуляции в реальных ДС в присутствии ПААФ возникают дополнительные осложнения, связанные со сложностью учета влия-
ния конкретных параметров на флокулирующие показатели полимеров. Это обусловлено, главным образом, двумя причинами: во-первых, наличием неоднозначных, труднопредсказуемых корреляций по влиянию конкретных параметров на флокулирующие показатели ПААФ и, во-вторых, трудностями в интерпретации результатов экспериментов по адсорбции и флокуляции в реальных, многокомпонентных ДС, которые во многом связаны со сложной природой дисперсионной среды и ансамбля частиц дисперсной фазы (ДФ) [3]. Корректная оценка флокулирующих показателей существенно улучшается при переходе от реальных к модельным ДС. У нас в стране в качестве "стандартных" (юстированных) модельных ДС для проведения сопоставительных оценок флокулирующих показателей водорастворимых (со)полимеров используются охра, каолин и оксид меди [1, 3, 5]. В зарубежной практике широкое распространение в качестве модельной ДС получила суспензия диоксида титана с более высокой плотностью поверхностного заряда и более стабильными характеристиками по сравнению с отечественными модельными дисперсными системами [6, 7]. В данной работе было изучено влияние различных ПААФ на кинетику седиментации дисперсий диоксида титана в водной и водно-солевых средах.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве высокомолекулярных водорастворимых (со)полимеров АА использовали семь образцов ПААФ, различающихся по химической природе повторяющихся звеньев в макромолекулах: неионогенный полиакриламид (Н) и шесть ионогенных сополимеров акриламида с различной концентрацией ионогенных звеньев в - три анионных (А1-А3) и три катионных (К1-К3). Помимо образцов ПААФ исследовали также следующие водорастворимые полимеры: полиокси-
СЕДИМЕНТАЦИЯ СУСПЕНЗИИ ДИОКСИДА ТИТАНА Таблица 1. Основные характеристики использованных полимерных флокулянтов
Название флокулянта Химические формулы повторяющихся звеньев Условные обозначения флокулянтов в*, мол. % М х 10-6
Полиакриламид -(-си2-си-^ о=с-ын2 Н 0 8.7
Статистические сополимеры акриламида с акрилатом натрия ^съ-си-П^-си-^ С0КН2 0=С-0" А1 А2 А3 4.5 17.5 32.5 8.3 6.7 2.4
Полиакрилат натрия -(-си2-си-П 0=С-Ог А 100 3.3
Статистические сополимеры акриламида с гидрохлоридом диме-тиламиноэтилмета-крилата СИз ЧСИ2"СИ ЫСИ2"С-к + хСИз С0]Ж2 0=С—0-С2И4-ЙИ С1- ЧСИз К1 К2 К3 16.3 35 62 2.3 2.7 1.06
Полигидрохлорид ди- метиламиноэтилме- такрилата СИз -(СИ2"С-)г /СИз 0=С-0-С2И4-ЙИ С1-ХСИз К 100 2.49
Полиоксиэтилен -(-СИ2-СИ2-0-П ПОЭ 0 2.2
* в = 100
«1 + «2
этилен (ПОЭ), полиакрилат натрия (А) и полигид-рохлорид диметиламиноэтилметакрилата (К). Полимер А с некоторой долей условности можно рассматривать в качестве аналога сополимерам А1-А3 со 100%-ным содержанием ионогенных ак-рилатных групп, а полимер К - как аналог катион-ных сополимеров К1-К3 с в = 100 мол. %. Основные характеристики использованных в работе полимерных флокулянтов представлены в табл. 1.
В качестве модельной ДС использована суспензия ТЮ2 рутильной формы (ТУ 24.1-05762329-0012003) со средним размером частиц Я = 8.7 х 106 м и плотностью р = 3.9 х 103 кг/м3. Кинетику седиментации суспензии диоксида титана в присутствии анализируемых полимерных добавок изучали в режиме свободного (нестесненного) оседания по накоплению массы осадка на чашечке торсионных весов типа ВТ-500 в цилиндре с рабочим объемом 400 см3. В серии предварительных
экспериментов было показано, что наиболее надежный и удобный контроль кинетики седиментации суспензии осуществлялся для концентрации ДФ 0.4%, а поэтому именно эта концентрация была использована и во всех последующих экспериментах.
Полимерные флокулянты в виде 0.001 и 0.01%-ных водных растворов вводили непосредственно перед стадией перемешивания суспензии, которое осуществляли дисковой мешалкой с 12 отверстиями путем 10-кратного медленного ее перемещения в вертикальном направлении.
Вискозиметрический анализ растворов ПААФ и ПОЭ проводили на вискозиметре Оствальда с диаметром капилляра 0.54 х 10-3 м. Поправка на кинетическую энергию течения жидкости была менее 1.5% и поэтому не учитывалась при расчете удельной вязкости.
Адсорбцию флокулянтов на частицах ДФ оценивали следующим образом. В 20 см3 раствора
ПУД 1.0
n
т - Т 0
уд
a =
(С р - С )
Со
m(t)/mmax 7 6 1.0 г оо 4
(a)
0.002 / 0.004 / 0.006 0.008\ 001
Сх= (3) Cx= (2) Cx= (1) C,%
Рис. 1. Градуировочные зависимости удельной вязкости от концентрации ПААФ. 1 - А, 2 - К, 3 - Н.
ПААФ концентрации С0 = 0.01% вводили 80 мг ТЮ2 (Сд = 0.4%), систему перемешивали и после полного осаждения ДФ фиксировали времена истечения надосадочной жидкости. Удельную вязкость исследуемых растворов подсчитывали по формуле:
0 1.0
7 6 (б) 4з
2 1
100
200
300
400
500 t, c
где т и т0 - времена истечения соответственно водных растворов полимеров и растворителя.
По градуировочным кривым пуд = ХС (рис. 1) определяли концентрацию ПААФ в надосадочной жидкости Сх и рассчитывали степень адсорбции а
и коэффициент адсорбции а полимеров
m
а = m ■
Здесь m - масса адсорбированного на поверхности частиц полимера, мг:
m = (Со - С,)^Ю3,
S - суммарная поверхность адсорбента, м2:
s = mo±9
Р R
m0 - масса адсорбента (m0 = 0.08 г).
О влиянии ионной силы на эффективные размеры макромолекул судили по зависимости величины
v (П уд / С ) / = 0 ,
параметра Y = —-—тт-)— от I.
(Пуд/С)I
Величину и знак Z-потенциала частиц диоксида титана определяли методом макроэлектрофореза по аналогии с [8]. Боковой жидкостью служил 0.003 н водный раствор KCl, расстояние между
Рис. 2. Кинетика седиментации суспензии диоксида титана в отсутствие (1) и в присутствии ПААФ (2-7). А2 (а) и К1 (б). [А2] х 105 ([К1] х 106), % = 0 (1); 0.5 (2), 1.5 (3), 3.5 (4), 7.4 (5), 15 (б) и 30.5 (7).
электродами l = 42.5 см, разность потенциалов E = = 127 В.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотрим кинетику флокуляции суспензии диоксида титана в воде в присутствии различных флокулянтов. Приведенные на рис. 2 кинетические кривые иллюстрируют характер влияния концентрации и природы добавок (анионных и ка-тионных сополимеров акриламида). Видно, что введение очень малых количеств флокулянта (порядка 5 х 10-6%) приводит к заметному ускорению процесса седиментации частиц диоксида титана. С повышением концентрации полимера этот эффект закономерно возрастает. Переход от кинетических кривых к интегральным макроскопическим количественным характеристикам процесса флокуляции -флокулирующему эффекту В и флокулирующей активности X - осуществляли по формулам [3, 9]:
В = ^ - 1, и о
X =
- -1
Lüp
D
С9
где u, U 0 - средние скорости седиментации (в наших экспериментах для фиксированных значений m (t)
—— = 0.7, m(t) и mmax - текущее и максимальное
^^ max
0
0
О
значения массы осадка на чашечке весов) суспензии ТЮ2 соответственно в присутствии полимерного флокулянта (концентрации С) и в его отсутствие.
Параметр X характеризует относительное изменение скорости седиментации, создаваемое единицей полимерной добавки. Более высокие показатели по интегральным параметрам В и X должны свидетельствовать о более высокой флокулирую-щей способности конкретного полимера, а их отрицательные значения - о стабилизирующем действии добавок [3].
Для более углубленной оценки процесса фло-куляции при дозированном введении полимеров в ДС помимо параметров В и X требуется учитывать вклад в результирующий флокулирующий эффект каждой из последовательно вводимых в дисперсионную среду добавок полимеров. В этом случае необходимо оперировать дифференциальными величинами В* и X* [10]:
В* = - 1
^ I — А ?
и -1
В*
х* = В-,
г С*'
где и -1, йг- - средние скорости седиментации сус
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.