Interakce koloidních částic při úpravě vody. Martin Pivokonský

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Interakce koloidních částic při úpravě vody. Martin Pivokonský"

Radek Dostál
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Interakce koloidních částic při úpravě vody Martin Pivokonský

2 Technologie úpravy vody cíl úpravy vody = odstranění nežádoucích příměsí z vody a její hygienické zabezpečení Základní schéma technologie úpravy vody z povrchových zdrojů adsorpce, membránové procesy!!! ne všechny technologické prvky musejí být nutně zahrnuty do procesu úpravy vody, v závislosti na kvalitě surové vody mohou být některé vynechány!!!

3 Nežádoucí příměsi - Disperzní systémy rozpuštěné látky mangan; nízkomolekulární organické látky (peptidy, fulvokyseliny...); mikropolutanty = pesticidy, polychlorované bifenyly (PCB), polyaromatické uhlovodíky (PAU), těžké kovy,... koloidní látky hlinitokřemičitany, amorfní oxid křemičitý, huminové kyseliny, polysacharidy, proteiny, řasy, sinice, bakterie, viry nerozpuštěné látky zrna písku a půdy, nerozložený biologický materiál, mikroorganismy huminová voda (Meziboří, 007) sinice Microcystis sp. (Dobříš, 0)

4 Možnosti odstranění příměsí rozpuštěné látky (pravý roztok) separace adsorpcí (aktivní uhlí, ionexy) separace membránovými procesy (mikro-, ultra-, nanofiltrace, reversní osmóza) převedení na nerozpuštěné látky srážením nebo oxidací koloidní látky tvorba suspenze mícháním (proces destabilizace a agregace) separace flotací nerozpuštěné látky separace sedimentací separace filtrací

5 částice kaolínu proteiny a koloidní částice hydratovaný oxid železitý kaučukové částice Copyright Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz Copyright Dentisse, Inc., Indiana Copyright Koloidní příměsi částice abuminu Copyright The University of Hong Kong

6 Koloidní příměsi Kinetická (sedimentační) stabilita hrubé disperze (nízký stupeň disperzity) = kineticky nestálé, sedimentují analytické disperze (vysoký s. d.) = kineticky vysoce stálé, nesedimentují koloidní disperze = přechodné, leží mezi dvěma výše uvedenými extrémy Usazování částice (d =,0.0-6 m, ρ =, kg.m -3 ) gravitačním a odstředivém poli Gravitace Odstř. T [ o C] u S [m.s- ],39.0-8,68.0-8, t [s] S,88.06,38.0 6, [hod] 7,99.0 6,6.0 5,70.0 [dny] 33, 7,6 3,7 u o [m.s- ],9.0-5,3.0-5, t [s] o,74.03,45.0 3,5.0 3 [min] 9, 4, 0,8

7 Koloidní příměsi Agregátní stabilita = schopnost disperzního systému zachovávat stupeň své disperzity určena povahou interakcí mezi částicemi nekovalentní interakce ü elektrostatické interakce ü van der Waalsovy síly ü elektrická dvojvrstva ü solvatační (strukturní) interakce ü interakce s polymery ü stérické interakce ü polymerní můstky ü depleční interakce chemická (kovalentní) vazba

8 Elektrostatické interakce interakce mezi nabitými částicemi E( h) Q Q = 4 pe 0 r interakce nabitá částice permanentní dipól E( h) =- Q p 96p e k 0 B T r 6 interakce nabitá částice indukovaný dipól Q a E ( h) =- 3p e 0 r 6

9 van der Waalsovy síly mezimolekulární interakce Keesomovy-van der Waalsovy (orientační) síly = interakce permanentní dipól permanentní dipól Debyeovy-van der Waalsovy (indukční) síly = interakce permanentní dipól indukovaný dipól Londonovy-van der Waalsovy (disperzní) síly = interakce indukovaný dipól indukovaný dipól

10 van der Waalsovy síly mezimolekulární interakce energie vdw interakcí E( h) =- a ij h 6 E(h) = potenciální energie interakce h = vzdálenost mezi dvěma molekulami á ij = Londonova konstanta záporné znaménko => přitažlivé síly a ij = ép ê p i j 0i 0j + p a + ( ) ( ) ú i 0j j 0i 4pe êë 3kBT ni + n 0 j úû p a + 3a a hnn P i j ù å 0 = permitivita vakua, p i, p j = molekulární dipólové momenty, k B = Boltzmannova konstanta, T = teplota, á 0i a á 0j = elektrické polarizovatelnosti, h P = Planckova konstanta, í i a í j = absorpční frekvence

11 van der Waalsovy síly makroskopické útvary kvantifikace vdw interakcí Hamaker mikroskopický přístup X Lifshitz makroskopický přístup Hamaker: přitažlivá síla mezi dvěma částicemi je suma interakcí mezi každými dvěma atomy v těchto částicích E a ( h) A =- ph interakce mezi rovinnými povrchy E( h) =- A 6h a E æ aa h) =-ç èa+ a ( öa ø 6h E( h) =- A a h E( h) =- A 6h aa

12 van der Waalsovy síly makroskopické útvary A = p N A = p NN A = ( A ) a a A A, A = Hamakerova konstanta pro interakci dvou stejných materiálů ve vakuu A = Hamakerova konstanta pro interakci dvou různých materiálů ve vakuu N a N = počet molekul na jednotku objemu ve dvou různých materiálech á = Londonova konstanta pro interakci molekul z materiálů a interakce dvou rozdílných fází (materiálů a ) v kapalině (vodě) (3) A = A + A -A A3 interakce dvou identických fází () v kapalině (vodě) (3) ( / / A ) A - 3» A33

13 Lifshitz: atomová struktura koloidů není uvažována; pevné látky a kapaliny jsou brány jako kontinuální media interakce dvou různých, resp. stejných, materiálů (,) ve vakuu A A A» ( ) ( ) 3/ n n n n h T k A A A e P B ø ö ç ç è æ + - = + = > = n e e e e n n k B = Boltzmannova konstanta T = absolutní teplota pokud ν ~ ν => A = geometrický průměr A a A interakce dvou pevných látek (,) v daném mediu (3) zjednodušeně: å,3 = permitivita pevné fáze a oddělujícího media í e = absorpční frekvence atomu (frekvence oběhu elektronu) n,,3 = indexy lomu pevných fází a oddělujícího media ( ) ø ö ç ç è æ + - ø ö ç ç è æ = 3 7 n n n n h A P n n nn 64 7 ø ö ç ç è æ + - = n n h A Pn van der Waalsovy síly makroskopické útvary

14 Elektrická dvojvrstva

15 DLVO teorie Derjaguin a Landau (94) + Verwey a Overbeek (948) popisuje koagulaci (destabilizaci) nabitých koloidních částic stabilizovaných elektrickou dvojvrstvou pomocí elektrolytů opačného náboje = bilance vzájemného působení přitažlivých van der Waalsových a odpudivých elektrostatických sil E= E + (-EvdW ) el mezi kulovitými částicemi E el Interakční energie E vdw mezi rovinnými povrchy ez æ hö A a ez æ hö A E = expç - - E = expç l 44 è 43 l ø { ph 4 l 44 è 43 l ø ph3 E el E vdw

16 Solvatační (strukturní) interakce velké vzdálenosti částic => rozpouštědlo = kontinuum => vdw a elektrostatické interakce malé vzdálenosti částic => diskrétní charakter kapaliny => tvorba vrstev paralelních s povrchem (různá struktura kapaliny na povrchu částice a ve volném prostoru) a) Strukturování molekul rozpouštědla v okolí částice (interakce povrch rozpouštědlo) b) Oscilující hustotní profil rozpouštědla v závislosti na vzdálenosti od povrchu

17 Solvatační (strukturní) interakce Solvatační interakce závisí na: o chemických a fyzikálních vlastnostech povrchů (hydrofilní x hydrofobní, amorfní x krystalické, pevné x tekuté) o vlastnostech rozpouštědla (voda x org. rozp.)

18 Hydrofobní interakce hydrofobní částice ve vodě (neposkytují vazebné místo pro vodíkovou vazbu) => brání tvorbě strukturního uspořádání vody => entropicky nevýhodné snížení celkové volné energie systému migrace molekul vody z blízkosti hydrofobních částic do volného objemu (neomezené možnosti pro vznik vodíkových vazeb + nižší volná energie) => vznik přitažlivá síla mezi hydrofobními povrchy SEM snímky nanokrychliček stříbra s různým počtem hydrofobních stěn

19 Hydrofilní interakce Hydratace proteinů Copyright UC Berkeley, Teresa Head-Gordon's Lab

20 Hydrofilní vs. hydrofobní interakce

21 Interakce s polymery adsorbující se polymery Stérické interakce Polymerní můstky (polymer bridging)

22 Interakce s polymery neadsorbující se polymery Depleční interakce

23 Mechanismy destabilizace stabilizovaný systém převažují odpudivé síly (např. elektrická dvojvrstva, stérické interakce, hydratace) destabilizace = taková změna systému, kdy se začnou projevovat (převládat) přitažlivé síly (např. vdw síly, hydrofobní efekty, tvorba polymerních můstků)!!! nutné určit správnou dávku činidla!!! jar test Destabilizační činidla: ü síran železnatý FeSO 4. 7H O ü chlorid železitý FeCl 3. 6H O ü chlorsíran železitý FeClSO 4 ü síran železitý Fe (SO 4 ) 3. 9H O ü síran hlinitý Al (SO 4 ) 3. 8H O ü hlinitan sodný NaAlO ü polyaluminium chlorid PACl Fe H O monohydroxokomplexy polyhydroxokomplexy Fe(OH) 3 + 3H +

24 Mechanismy destabilizace MECHANISMY: o potlačení elektrické dvojvrstvy o adsorpce a nábojová neutralizace o zachycování částic nečistot ve sraženině (enmeshment) o destabilizace polymery

25 Mechanismy destabilizace vliv ph

26 Mechanismy destabilizace vliv ph

27 Mechanismy destabilizace vliv ph úpravna vody Podolí

28 Mechanismy destabilizace vliv ph úpravna vody Podolí

29 Mechanismy destabilizace vliv dávky Jar test - úzké optimum D o - optimální dávka D p - provozní dávka

30 Mechanismy destabilizace vliv dávky Jar test - široké optimum D o - optimální dávka D p - provozní dávka D min - minimální účinná dávka D max - maximální účinná dávka

31 Mechanismy destabilizace vliv dávky úpravna vody Podolí

Podobné dokumenty

Elektrická dvojvrstva

1 Elektrická dvojvrstva o povrchový náboj (především hydrofobních) částic vyrovnáván ekvivalentním množstvím opačně nabitých iontů (protiiontů) o náboj koloidní částice + obal protiiontů = tzv. elektrická