Chương 7: keo tụ và bảo vệ

ĐỘ BỀN VỮNG VÀ KEO TỤ CỦA HỆ KEO

I. ĐỘ BỀN VỮNG CỦA HỆ KEO
II. SỰ KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY
III. ĐỘNG HỌC CỦA SỰ KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY
IV. MỘT SỐ HIỆN TƯNG KEO TỤ ĐẶC BIỆT

CHƯƠNG 7
1


I. Độ bền của hệ keo
• 1/ Khái niệm:
• Tính bền vững của hệ keo được đặc trưng bởi khả năng duy
trì được trạng thái phân tán không đổi theo thời gian.
• - Với hệ keo ưa lưu thông thường là hệ bền vững về mặt
nhiệt động học.
∆G = ∆H - T∆S < 0

• - Với hệ keo ghét lưu: năng lượng liên kết bên trong phase
phân tán lớn hơn năng lượng tương tác giữa các phase và:
∆G = ∆H - T∆S > 0
Sự phân tán không thể tự xảy ra mà nhờ công bên ngoài hoặc
nhờ các quá trình khác. Đây là hệ không bền vững nhiệt động
2


Độ bền vững của hệ keo được chia làm 2
loại:
-Độ bền động học.
-Độ bền tập hợp.

Hai yếu tố này liên quan mật thiết với nhau. Độ
bền tập hợp là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự
phá vỡ độ bền động học của hệ.

3


Khi hai hạt keo tiến lại gần nhau.
Có hai loại lực xuất hiện:
+ Lực hút phân tử (Van de Waals)
+ Lực đẩy tónh điện (Coulomb)

Khi lực hút phân tử ưu thế, hạt keo
bò hút lại với nhau -> Sự keo tụ

Phần lớn sự keo tụ gây ra do bào mòn lớp kép, giảm
4
thế ζ


Hệ keo xảy ra keo tụ tại điểm đẳng điện?
5


2/ Lực hút phân tử và lực đẩy tónh điện giữa các
hạt keo
Khi đưa 2 hạt keo lại gần nhau, có 2 lực đối lập nhau
xuất hiện:
a- Lực hút phân tử: tỷ lệ nghòch với khoảng cách x giữa 2
hạt keo, được đặc trưng bằng năng lượng hút A

(Attraction):
b- Lực đẩy tónh điện: lực này xuất hiện khi lớp khuyếch
tán của các micelle đã phủ nhau một phần, năng lượng
đẩy R (Repulsion)
6


Mô tả thế Lennard-Jones của các phân tử CH4

7


8


Tuy nhiên các lực phân tử không thể áp dụng cho hệ
keo:
-Các hạt keo không thể coi là các chất điểm, lưỡng cực
điển hình
Tương tác Coulomb là tập hợp các hàm đơn phức
tạp và R=f(x) tỷ lệ với hàm exponential
-Tương tác giữa các hạt có thể gần đúng là tương tác
giữa các mặt phẳng
Theo Lipsit và Deriagin:
A=f(x) tỷ lể nghòch đảo lũy thừa bậc 3 với d~100A˜
tỷ lệ nghòch đảo lũy thừa bậc 4 với d~400-500A˜
9


-Đặt U = R – A: quyết đònh thế năng tương tác của hạt. Sự phụ

thuộc U vào khoảng cách được xác đònh bằng thực nghiệm:

dU > 0: hai hạt keo đẩy nhau.
dU < 0: hai hạt keo hút nhau

10


Muốn hệ keo bền vững, phải tăng lực đẩy
tónh điện, làm giảm xác suất va chạm hiệu
quả của các hạt keo bằng các phương pháp:
- Tạo cho bề mặt các hạt keo hấp phụ điện
tích (tăng ϕ o và ζ ). Tăng độ bền cấu thể và
động học.
- Lõi hạt keo càng nhỏ lực Van de Waals càng
nhỏ. Độ bền cấu thể càng lớn.
- Pha loãng, giảm nồng độ hạt ν. Tăng độ bền
động học.
- Thêm vào chất hoạt động bề mặt. Ngăn cản
khả năng kết tụ các hạt keo. (Tăng độ bền
cấu thể)
11


Do tính chất thuận nghòch
keo tụ của hệ keo ưu lưu.
Tính chất keo tụ của hệ keo
ghét lưu được quan tâm
hơn.
Ảnh hưởng của chất điện ly

và thế điện động học ζ
trong quá trình keo tụ của
hệ keo ghét lưu được quan
tâm hơn cả.
12


II- Sự keo tụ bằng chất điện ly
Hầu hết các chất điện ly đều có khả năng gây keo tụ
và được đặc trưng bằng ngưỡng keo tụ γ (mM/L):
nồng độ tối thiểu của chất điện ly cần để keo tụ sol
với tốc độ nhất đònh.

ε 3 (kT )5 B
γ =C 2 6 6 = 6
AeZ
Z
Z: điện tích ion gây keo tụ.
B: hằng số đối với mỗi hệ keo
13


Ngưỡng keo tụ đối với keo âm As2S3 với các
ion hóa trò I, II, III tương ứng cỡ 1:20:350

14


Qui tắc Schulze – Hardy:

Chỉ có ion cùng dấu với ion nghòch mới gây nên hiện
tượng keo tụ, khả năng keo tụ của ion càng lớn nếu
hóa trò của ion càng cao.

Td: đối với keo âm As2S3 keo tụ bằng các cation K+,
Ba2+, Al3+ thì:
γ K+= 49,5 mM/L; γ Ba2+ = 0,69mM/L; γ Al3+ = 0,096mM/L.
Với các ion có cùng hóa trò, khả năng gây keo tụ tăng
khi bán kính ion tăng:
Cs+ > Rb+ > NH4+ > K+ > Na+ > Li+
I- > Br - > NO3- > Cl15


III- Động học của sự keo tụ bằng chất điện ly
Để nghiên cứu tính chất động học keo tụ, cần phải xác
đònh số hạt phân tán trong hệ theo thời gian. Bằng thực nghiệm
có thể thực hiện được bằng cách keo tụ bằng chất điện ly và
dừng việc keo tụ ở một thời gian nhất đònh bằng chất làm bền.
Theo Smolukhopski: Tốc độ keo tụ phụ thuộc vào các yếu tố
chính:
+ Nồng độ hạt ban đầu
+ Cường độ của chuyển động Brown – Hệ số khuếch tán D
+ Bán kính tác động (R) của lực hút tónh điện và khoảng cách
d giữa hai hạt keo.
Khi xảy ra sự keo tụ d=2R
16


R

17


• Theo Smolukhopski sự keo tụ xảy ra chủ yếu do hai hạt
va chạm với nhau. Xác suất để cùng lúc 3 hạt va chạm với
nhau là rất thấp. Dạng động học dành cho quá trình keo
tụ có thể mô tả là dạng bậc 2.
• Mô tả

• Phương trình động học của sự keo tụ:

−
Trong đó:

d ∑υ
dt

= k ( ∑υ )

2

∑ν: tổng số hạt trong một đơn vò thể tích.
k : hằng số tốc độ phản ứng
18


−

d ∑υ
dt

= k ( ∑υ )

2

=>

−

d ∑υ

( ∑υ )

2

= k .dt

Lấy tích phân hai vế:

1
1
− = kt
∑ υ υo

hay

υo
∑υ = 1 + kυ t
o

Hằng số k phụ thuộc vào D và d, để tránh phức tạp ta lấy θ
là thời gian bán keo tụ.

υo
υo
=
2 1 + kυoθ
19


Xác đònh được:

1
kυo =
θ
Phương trình động học có dạng:

∑υ =

υo
t
1+
θ
20


IV- Một số hiện tượng keo tụ đặc biệt
 Khi keo tụ bằng các ion có hóa trò lớn
( Fe3+, Al3+, Th4+, PO43-,…)hoặc các chất màu,
các alkaloid, người ta thu được kết quả thực

nghiệm như sau: Vùng I & III: bền

ξ

Vùng II & IV: keo tụ

ξtới hạn =-30mV

I

II
C1

III
C3

IV
C5

C

ξtới hạn =+30mV

21


 Trong kỹ thuật thường gặp nhiều hiện tượng keo tụ do tác động của
hỗn hợp chất điện ly.
C2

-Hiện tượng kết hợp (đường 1) .
-Hiện tượng cản trở (đường 2).

γ2

2

-Hiện tượng hỗ trợ (đường 3).

1
3

γ1
Đồ thò keo tụ hệ keo bằng hỗn hợp 2
chất điện ly.

C1

22


 Sự keo tụ dò thể và tương hỗ:
- Các hạt của hệ phân tán kết dính váo một bề mặt
không cùng loại với chúng
→ keo tụ dò thể.
- Các hạt của 2 sol tích điện ngược dấu có thể gây sự
keo tụ lẫn nhau
→ keo tụ tương hỗ.

23