Sự Keo Tụ Trong Các Hệ Keo Bằng Chất điện Ly - Nghiên Cứu Khoa Học

Sự keo tụ trong hệ keo là hiện tượng các hạt trực tiếp kết dính lại với nhau khi chúng va chạm vào nhau.

Khi các yếu tố làm bền không có hoặc mất đi, hệ bị keo tụ. Các hệ keo bị keo tụ do các yếu tố như thời gian, thay đổi nồng độ của tướng phân tán, thay đổi nhiệt độ, tác động của cơ học, ánh sáng, chất điện ly .... Quan trọng và có ý nghĩa nhất là sự keo tụ bằng chất điện ly.

1. Quá trình keo tụ của các dung dịch keo bằng chất điện ly

Sự keo tụ của các hệ keo khi thêm chất điện ly vào có ý nghĩa lớn về lý thuyết và thực tiễn.

F. Selmi, Th. Graham và I. Borshov đã chỉ ra rằng tất cả các chất điện ly đều có khả năng gây ra sự keo tụ, ngay cả những chất điện ly là chất làm bền cho hệ keo. Tuy nhiên, trong trường hợp này nồng độ chất điện ly phải đủ lớn để ép mỏng lớp điện tích kép của hạt keo và hạ thấp hàng rào năng lượng, tạo điều kiện cho các hạt keo liên kết với nhau khi chúng va chạm vào nhau.

Sự keo tụ dưới tác dụng của chất điện ly tuân theo quy tắc Schulze và Hardy: Chỉ có những ion tích điện ngược dấu với hạt keo mới có khả năng keo tụ. Các cation gây keo tụ các dung dịch keo có hạt keo âm và các anion gây keo tụ các dung dịch keo có hạt keo dương.

Người ta đưa ra một đại lượng gọi là ngưỡng keo tụ (g) để đánh giá khả năng gây keo tụ của các chất điện ly đối với một dung dịch keo cho trước. Ngưỡng keo tụ là nồng độ tối thiểu nào đó của chất điện ly trong sol mà cần phải vượt qua để bắt đầu keo tụ và nó được biểu thị ra đơn vị là mili đương lượng gam cho vào một lít dung dịch keo để gây nên sự keo tụ có thể quan sát được. Sự keo tụ được nhận biết qua các dấu hiệu như: sự đổi màu, sự xuất hiện vẩn đục. Ngưỡng keo tụ càng thấp thì khả năng gây keo tụ càng lớn.

Theo Schulze và Hardy, khả năng gây keo tụ của ion càng lớn khi hoá trị của nó càng cao. Những nghiên cứu tiếp sau còn chỉ ra rằng, đối với một hệ keo cho trước thì khả năng gây keo tụ của các ion cùng hoá trị tăng theo bán kính ion.

Để thấy rõ những quy luật trên đây, chúng ta hãy xét ngưỡng keo tụ đối với keo asen sunfua và keo bạc iođua với các hạt keo tích điện âm (bảng 5.1)

Bảng 1: Ngưỡng keo tụ của các chất điện ly

Keo	Chất điện li	Ngưỡng keo tụ (g) mlđlg/l
As2S3 (keo âm) AgI (keo âm)	NaCl MgCl2 AlCl3 LiNO3 NaNO3 KNO3	51,000 0,710 0,093 600,000 360,000 260,000

Những ion hữu cơ có khả năng gây keo tụ mạnh hơn những ion vô cơ có cùng hoá trị. Sở dĩ như vậy, vì chúng bị phân cực mạnh hơn và có khả năng hấp phụ mạnh lên bề mặt hạt keo.

2. Một số hiện tượng đặc biệt xảy ra trong quá trình keo tụ bằng chất điện ly

* Sự đổi dấu điện tích hạt keo

Khi thêm dần một lượng ion keo tụ hóa trị cao (thường có khả năng hấp phụ mạnh) vào dung dịch keo như Fe3+, Al3+, Th4+ thì lúc đầu sol vẫn bền vững, sau đó sol keo tụ ở một khoảng cách nồng độ nhất định, rồi nếu tiếp tục cho nồng độ ion keo tụ cao hơn nữa, sol lại phục hồi bền vững rồi cuối cùng khi cho thêm ion keo tụ nữa sol lại bị keo tụ. Hiện tượng này gọi là hiện tượng đổi dấu điện của hạt keo.

Thực chất hiện tượng đổi dấu điện của hạt keo không phải do bản thân các cation hóa trị cao gây nên mà do chính sản phẩm thủy phân của chúng.

* Keo tụ bằng hỗn hợp chất điện ly

Trong kỹ thuật thường dùng vài chất điện li để gây keo tụ. Nếu dùng 2 chất điện ly thấy có 3 trường hợp xảy ra:

a. Hai chất điện ly có tác dụng độc lập, khả năng keo tụ của từng chất điện ly không thay đổi trong hỗn hợp và tác dụng keo tụ được xác định bằng tác dụng tổng cộng.

b. Hai chất điện ly phản tác dụng nhau: sự có mặt của chất điện ly này làm giảm tác dụng keo tụ của chất điện ly kia và ngược lại.

c. Hai chất điện ly tăng cường tác dụng của nhau. Đây là tác dụng hỗ trợ.

* Keo tụ dị thể và keo tụ tương hỗ

Sự keo tụ dị thể là quá trình trong đó các hạt của hệ phân tán dính kết vào một bề mặt không cùng loại với chúng. Nguyên nhân của điều này là do chất làm bền bị tách khỏi hạt keo và hấp phụ lên bề mặt lạ. Sở dĩ như vậy là vì giữa chất làm bền và bề mặt lạ có tồn tại lực hấp phụ hóa học hay chúng có điện tích ngược dấu nên hút lẫn nhau.

Sự keo tụ tương hỗ là sự keo tụ xảy ra của hai hạt sol có điện tích ngược dấu gặp nhau. Ở một số trường hợp, hai loại sol cùng dấu điện của hạt cũng gây keo tụ tương hỗ.

* Sự bảo vệ và số bảo vệ

Các hệ keo điển hình thường rất nhạy cảm với tác dụng của chất điện ly. Nhưng nếu trước khi thêm một chất điện ly keo tụ, ta thêm vào hệ một chất cao phân tử lên bề mặt hạt keo là cho độ bền vững của hạt keo được tăng lên.

Hiện tượng này gọi là hiện tượng bảo vệ. Để đánh giá tác dụng bảo vệ của chất cao phân tử, người ta dùng khái niệm “số vàng”. Đó là số nguyên chất cao phân tử cần phải thêm vào 10ml sol vàng để bảo vệ không cho nó biến thành màu xanh khi thêm 1ml dung dịch NaCl 10%.

3. Sự keo tụ bởi các yếu tố vật lý

Trong thực tế nhiều yếu tố thuần tuý vật lý cùng gây ra sự keo tụ các hệ keo, đó là: thời gian, tác động cơ học, sự đun nóng hoặc làm lạnh, sự pha loãng hay làm đậm đặc sol, ánh sáng, tia tử ngoại, tia Roentgen, siêu âm, điện trường, .... Sau đây chúng ta xét một số trường hợp quan trọng nhất.

* Sự keo tụ tự phát: Khi để lâu một hệ keo, do trong hệ có phản ứng xảy ra chậm hoặc do va chạm có hiệu quả của các hạt keo dẫn đến hệ bị phá vỡ. Ví dụ, độ bền của keo thuỷ ngân sunfua giảm nhanh khi để dung dịch trong bình mở, khí hiđro sunfua (chất làm bền) thoát ra khỏi dung dịch. Vì vậy, khi để lâu dung dịch này cần được đổ đầy bình và đậy nút kín.

* Sự keo tụ do có tác động cơ học nhờ khuấy trộn mạnh hoặc vận chuyển các dung dịch keo qua đường ống. Nguyên nhân dẫn đến sự keo tụ là cân bằng hấp phụ của chất làm bền bị phá vỡ. Sự keo tụ cũng có thể xảy ra khi để hệ keo ở nơi có sự rung động hoặc siêu âm. Ví dụ, trong xử lí bằng tác động rung các cấu kiện bê tông; lúc đầu có sự phá vỡ các cấu trúc keo làm tăng cho sự chảy của hỗn hợp tạo thuận lợi cho sự lấp đầy các cấu kiện.

* Sự keo tụ có thể xảy ra dưới tác dụng của điện trường. Tác dụng của điện trường được áp dụng để tách nước khỏi các nhũ tương dầu mỏ, tách tạp chất khỏi dầu khoáng.

* Sự keo tụ còn xảy ra khi pha loãng hoặc cô đặc dung dịch keo. Khi pha loãng dung dịch keo trong nước, các hạt keo bị khử hấp phụ chất điện ly làm bền, dẫn đến làm giảm điện tích hạt keo. Khi cô đặc dung dịch keo, nồng độ hạt keo, nồng độ chất điện ly và nồng độ ion đôi tăng dẫn đến làm giảm độ bền của hạt keo.

* Sự keo tụ cũng có thể xảy ra khi đun nóng hoặc làm lạnh dung dịch keo. Khi đun nóng, chất làm bền bị khử hấp phụ, chuyển động Brown tăng làm cho các hạt keo có cơ liên kết với nhau. Khi làm giảm nhiệt độ của hệ keo, độ tan của các chất giảm tạo ra sự quá bão hoà và dẫn tới sự keo tụ.