Адсорбция неионогенных полимеров и их смесей на поверхности частиц аэросила Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Дармагамбет К.Х., Нурманов Б. ©

Академический профессор; магистрант, Кызылординский государственный университет им. Коркыт ата, Республика Казахстан

АДСОРБЦИЯ НЕИОНОГЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ И ИХ СМЕСЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ

ЧАСТИЦ АЭРОСИЛА

Аннотация

В данной работе рассматривается регулирование устойчивости дисперсных систем синтетическими полимерами, а также природными полимерами. Одноименно заряженный с частицами кремнезема полимер способен адсорбироваться на поверхности за счет адсорбционных дисперсионных сил и приводит к сцеплению частиц полимерными мостиками. Установлено,что существенным условием мостичной флокуляции является адсорбция различных сегментов одной и той же макромолекулы одновременно на нескольких частицах.

Ключевые слова: адсорбция, полиэлектролиты, полимеры, флокуляция и т.д. Keywords: adsorption, polyelectrolytes, polymers, flocculation etc.

Адсорбция полиэлектролитов на частицах имеет свои особенности, связанные с появлением дополнительных (электрических) взаимодействий адсорбента и адсорбата [1]. Величина адсорбции полиэлектролитов на заряженной поверхности зависит не только от энергии адсорбции элементарного звена, концентрации адсорбата, молекулярной массы образца и т.п. (как в случае неионных полимеров), но и от плотности зарядов поверхности макроиона, степени экранирования зарядов полиэлектролита и пр.

Теория адсорбции полиэлектролитов из водных растворов солей на заряженных поверхностях, связывающая эти факторы с параметрами адсорбционного слоя, развита Хесселинком [1-5]. Теория основана на положении о возможности разделения электрических и неэлектрических вкладов. Адсорбция макромолекул полимера является первой фазой флокуляции, определяющей условия и степень протекания данного процесса. Добавленные к дисперсии макромолекулы (за исключением ряда специальных случаев) адсорбируются на поверхности частиц, существенно изменяя свойства границы раздела частица-среда, а также природу межчастичных взаимодействий, изменение состава. Рассмотрим влияние на устойчивость дисперсных систем основных факторов или структуры адсорбционных слоев может сопровождаться существенным снижением или увеличением устойчивости дисперсии [1,3-4]. Поэтому для правильного понимания механизма флокуляции и управления им необходимо располагать данными об адсорбции ВМС на поверхности дисперсной фазы и о структуре адсорбционных слоев, о которых судят на основании таких экспериментально определяемых величинах, как общая величина адсорбции, число связанных с поверхностью сегментов (звеньев) и толщина адсорбционного слоя [1,3-5].

Адсорбцию водорастворимых полимеров (ВРП) и их поликомплексов на поверхности частиц аэросила изучали при комнатной температуре. Для этого в круглодонные колбочки объемом 50 мл помещали 10 мл аэросила и 10 мл растворов ВРП или их поликомплексов возрастающей концентрации. Время контакта аэросила с растворами ВРП, необходимое для достижения адсорбционного равновесия, составляло 24 часа. По истечении указанного времени систему центрифугировали в течение 10 мин при 12000 об/мин и определяли разность показателя преломления (An) между исследуемой (центрифугат) и эталонной (дистиллированной водой) жидкостей на интерферометре ЛИР-2. Затем с помощью ранее построенной калибровочной кривой зависимости An от концентрации (С) полимера, находили его равновесную концентрацию. О величине адсорбции судили по разности концентрации полимера до и после адсорбции.

Адсорбцию индивидуальных полимеров, а также одновременную адсорбцию двух полимеров из бинарной смеси измеряли при 298 К. Величину удельной адсорбции, отнесенную к единице массы адсорбента, вычисляли по соотношению Г=У(Со- С)/т, где V - объем жидкой фазы, Со и С -исходная и равновесная концентрация полимеров, соответственно, m - масса твердых частиц.

Конформационное состояние макромолекул в растворе, их адсорбционная способность, а также стабилизирующее или флокулирующее действие на дисперсные системы зависят от молекулярной массы и концентрации полимера, природы и количества полярных групп. В то же

© Дармагамбет К.Х., Нурманов Б., 2013 г.

время с ростом анионного характера полимера увеличивается вязкость раствора в результате разворачивания макромолекулярных клубков. Таким образом, развернутая конформация полиэлектролитных молекул, увеличение их гидродинамического радиуса способствует адсорбционному закреплению на поверхности твердой фазы. Величины гиббсовской адсорбции изменяются от отрицательных значений (в случае ПМАК) до положительных (для ПАК). Зависимость адсорбционной способности макромолекул от их конформационного состояния в водном растворе подтверждается и при сравнении изотерм адсорбции высокозаряженного ПАК и ПМАК, имеющих одинаковую молекулярную массу (рис.1). В области малых концентраций адсорбция ПАК меньше по сравнению с ПМАК.

Рис. 1. Влияние электролита NaCI на величину адсорбции полиэлектролитов (1,2) и критической концентрации флокуляции (ККФ) аэросила рН=11 (3,4)

А. 1 г| -ю 3Г а п

Рис. 2. Изотермы адсорбции на аэросиле при рН =11 (1,2) и концентрационные зависимости вязкости (3,4)

растворов полиэлектролитов: ПМАК (1,3) и ПАК (2, 4)

Кроме того, из сопоставления приведенных изотерм видно, что максимальная величина гиббсовской адсорбции в случае ПАК больше по абсолютной величине, но максимум смещен в область более высоких концентраций полимеров. Различный характер исследованных полимеров проявляется также и при сравнении вязкости водных растворов ПАК и ПМАК (рис.2, кривые 3,4). Резкое увеличение вязкости растворов ПМАК при концентрации С>0,05 моль/л характеризует возникновение надмолекулярных структур в результате проявления внутри и межмолекулярных взаимодействий вследствие образования гидрофобных связей за счет а-метильных групп [5].

Различие начальных участков адсорбционных изотерм ПАК и ПМАК обусловленно не только большей специфичностью адсорбционных сил в случае ПМАК, но и возрастанием вклада сил электростатического отталкивания предельно ионизированных макромолекул ПАК, ПМАК и одноименно заряженной поверхности кремнезема.

Увеличение ионной силы в растворе ПМАК приводит к снижению величины адсорбции полиэлектролита и переходу ее в область отрицательных значений при достаточно малых концентрациях (~0,03 моль/л) (рис.2). Адсорбционная способность ПАК зависит от ионной

силы в меньшей степени. При малых концентрациях электролита адсорбция ПАК растет, достигая

максимальной величины при определенной ионной силе, а затем как и в случае ПМАК, падает. В этих системах переход в область отрицательных значений гиббсовской адсорбции наблюдается при большей концентрации электролита. Адсорбция макромолекул ПАК, несущих высокий отрицательный заряд способствует оптимальной концентрации электролита в системе, когда электростатическое отталкивание частиц уменьшается, а макромолекулы сохраняют достаточно развернутую конформацию.

Таким образом, характер влияния хлорида натрия на адсорбцию исследованных полиэлектролитов подтверждает роль конформационного состояния макромолекул при адсорбционном закреплении на поверхности частиц.

Литература

1. Барань Ш.(Баран А.А.), Грегори Д. - Флокуляция суспензий каолина катионными полиэлектролитами// Коллоидн. журн., - 1996, - т.58, № 1, - с. 13-18.

2. Simha R., Frisch H., Eirich F. - The adsorption of flexible macromolecules.- //J.Phys.Chem., 1953, v.57, № 3, p.584-589.

3. Парфит Г., Рочестер К. - Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел. // М.: Мир, - 1986. - 478с.

4. Липатов Ю.С., Сергеева Л.М. Адсорбция полимеров// - Киев.: Наукова Думка, 1972. -196с.

5. Баран А.А. Полимерсодержащие дисперсные систем// .- Киев. Наукова думка. - 1986, - 204 с.