Электрофорез второго ряда ионитов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ коллоидной химии и химии вода

ИМ. А.В.ДУМАНСКОГО

На правах рукописи

БАБИЧ Яна Анатольевна

УДК 541.183; 541.13

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ ВТОРОГО РОДА ИОНЙТОВ

02.00.11 - коллоидная и мембранная химия

Автор е ф врат

диссертации на соисканиэ ученой степени кандидата химических наук

Киев - 1990

Работа выполнена в Институте коллоидной химии и химии воды им. А.В.Думанского АН УССР

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор химических наук Баран А.А.

кандидат физико-математических наук Мишук Н.А.

Официальные оппоненты: профессор, доктор химических

наук Дейнега Ю.Ф.

доцент, кандидат физико-математических наук Горбачук И.Т.

Ведущая организация:

Институт физической химии АН СССР

Запита состоится 28 сентября 1990 г. в 14 часов на заседании специализированного Совета Д 016.55.01 по золите диссертаций при Институте коллоидной химии и химии воды им. А;В.Думанского АН УССР.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке института.

Автореферат разослан "

1990 г.

Замечания и отзывы по данной работе в двух экземплярах

просим направлять по адресу: 252180, Киев 180,

пр. Вернадского 42, ИКХХВ АН УССР, ученому секретарю Совета.

Учений секретарь Специализированного Совета доктор химических наук, прфепсор

АЛ

В.Ю.Третинник

_ т _

Актуальность работы. Со времени открытия электрофореза Рейссом изучению этого явления были посвящены многочисленные работы. Исследовалось движение в постоянном электрическом поле частиц разнообразной природы, различной формы и размера, в полях напряженностью от нескольких до сотен и тысяч вольт на сантиметр. Была разработана теория концентрационной поляризации и электрофореза проводящих и непроводящих частиц как в линейном, так и в нелинейном режимах. Результаты экспериментальных исследований находятся в хорошем согласии с теорией и, казалось, ничего принципиально нового от электрофореза дисперсных частиц ожидать нельзя. И действительно, класс электрокинетических явлений, связанных с двойным электрическим слоем ( ДС ) дисперсной частицы, изучен достаточно полно.

В появившихся в 1987 г. работах было положено начало теоретических ( Духин С.С., Мшцук H.A. ) и экспериментальных ( Духин С.С. Мищук H.A., Таровский A.A., Баран A.A. ) исследований принципиально нового класса электрокинетических явлений. До этого электрофорез связывали исключительно с нарушением электронейтральности в двойном электрическом слое и даже не предполагалась возможность иного механизма возникновения движения частиц в постоянном электрическом поле. Однако, оказалось, что при определенных условиях у поверхности частицы ~с униполярной проводимостью может образовываться объемный заряд совершенно иной, чем в ДС, природы, причем независящий от существования двойного слоя. И с этим зарядом так же связано движение частица в постоянном электрическом поле, т.е. электрофорез. В результате происходит расширение класса явлений, попадающих под название "электрофорез". Мы сталкиваемся с ситуа-цзей, когда в рамках одного понятия необходимо различать два класса электрокинетических явлений. С.С.Духиным было предложено назвать новое явление электрофорезом второго рода ( электрофорез - 2 ) и, соответственно, для ранее известного класса электрокинетических явлений, связанных с диффузной частью ДС, ввести уточнение -электрофорез первого рода ( электрофорез - I ).

Первые экспериментальные исследования электрофореза - 2 выявили зависимость подвижности частиц ионита КУ-2*8 от их размера и напряженности внешнего поля. Причем наиболее ярко особенности нового явления ( по сравнению с ранее известными режимами электрофореза ) проявлялись при увеличении размера дисперсных частиц и при повышении напряженности электрического поля, где исгледовшпе

электрофореза в водных средах осложнено целым рядом сопутствующих явлений ( газовыделение на электродах, термоконвекция, быстрая седиментация частиц ). Ватсно было преодолеть оти трудности и исследовать электрофорез - 2 именно доя крупных частиц в сильных электрических полях. Так как изучение движения частиц в этих наиболее интересных режимах ранее не проводилось, направления дальнейшего исследования нового электрокинетического явления могли быть самые разнообразные. Важно было изучить влияние на скорость электрофореза различных внешних факторов, внутренних характеристик системы. Наша задача состояла в экспериментальном исследовании закономерностей, позволяющих выявить особенности нового явления и раскрыть механизм его возникновения.

Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании закономерностей электрофореза второго рода на примере системы синтетические ионообменные смолы - водный раствор электролита. Поставленная цель предполагает ранение следующих задач : определение зависимости скорости электрофореза ионитов от напряженности электрического поля, от природы ионитов, от форш и размера частиц, выяснение влияния типа и концентрации равновесного электролита на электрофо-ретическую подвижность различных типов синтетических ионитов. Для реализации поставленной цели было необходимо разработать ряд новых экспериментальных методик определения скорости электрофореза крупных частиц ионита в сильных электрических полях.

Научная новизна. Впервые установлены закономерности движения частиц различных ионитов в широком интервале значений напряженности электрического поля и-размера частицы, что позволило подтвердить существование нового электрокинетического явления - электрофореза второго рода, предсказанного теоретически.

Установлено, что эффективный электрокинетический потенциал, характеризующий электрофорез крупных частиц ионитов в сильных электрических полях, существенно превышает электрокинетический .потенциал этих ионитов микронных размеров, а также в десятки раз выше эффективного электрокинетического потенциала, характеризующего движение непроводящих частиц в широком интервале изменения их размера и на-нрптанности электрического поля.

Показано, что характер зависимости скорости электрофореза от типа и концентрации равновесного электролита определяется не состоянием поверхности, а характером изменения электропроводности объема игштт в ряг>личнчх средах.

Предложены новые методики измерения скорости электрофореза крупных частиц ионита в сильных электрических полях. Впервые измерена скорость электрофореза частиц с помощью электрофоретической ячейки проточного типа. Для гранул КУ-2*8 с диаметром около 0,5 мм зафиксировано сверхбыстрое движение ( 12 см/сек ) в электрическом поле напряженностью около I кВ/см.

Практическое значение работы. Установленные в диссертационной работе закономерности электрофореза второго рода могут служить основой для решения различных практических задач. Так, зависимости, выявленные для скорости движения частиц в сильных электрических полях, могут быть использованы для разделения частиц с различными свойствами : - по размеру,основываясь на зависимости скорости электрофореза второго рода от размера частицы;

- по характеру и величине электропроводности, основанные на том, что скорость движения проводящей'частицы в сильном электрическом поле может в десятки раз превышать скорость движения частицы с низкой электропроводностью;

- по различной зависимости скорости электрофореза - 2 от типа равновесного раствора, его концентрации, заряда противоиона,

для разных типов объектов.

Высокие скорости движения частиц в режиме электрофореза - 2 могут быть использованы для интенсификации различных технологических процессов.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на конференциях молодых исследователей ИКХХВ АН УССР ( 19Э7, 1988, 1989 гг. ), всесоюзном семинаре по электроповерхностным явлениям ( Киев, 1988 г. ), всесоюзном семинаре по электромеыбранным процессам ( Краснодар, 1990 г. ).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей, тезисы конференции.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав текста, заключения, выводов и списка литературы из наименований.

Положения, выносимые на защиту.

Закономерности движения частиц ионита КУ-2»8 размером от I ыкм до Г ш в электрических полях напряженностью от I В/см до I кВ/см.

Методики измерения скорости электрофореза крупных частиц ионитов в сильных электрических полях.

Зависимость олектрофоретичоской подвижности ионитов КВ-4, 1С/-2 8, ПА-1 от типа и концентрации равновесного электролита.

Принципиальное отличие основных закономерностей движения частиц в режиме электрофореза второго рода от электрофореза первого рода.

В первой главе ( " Электрофорез в классическом и поляризационном режиме " ) представлен краткий обзор литературы по теории электрофореза дисперсных частиц, обусловленного существованием ДС, начиная с классической теории Смолуховского-Гюккеля-Генри и кончая основами поляризационной теории электрофореза. В режиме малых чисел Пекле рассмотрены особенности теории электрофореза частиц ионита как в линейном, так и в нелинейном по полю приближении.

Во второй главе ( " Теория электроосмоса и электрофореза второго рода " ) проанализированы основы теории электрокинетических явлений второго рода, развиваемой С.С.Духинъш и Н.А.Мищук.

В режиме предельного тока для случая- плоской границы раздела ионит - электролит й&жду квазиравновесным диффузным и электронейтральным диффузионным слоем со стороны принимающей противоионы возникает протяженная область пространственного объемного заряда. Объемный заряд возникает ~~~ и при прохождении тока через искривленную границу раздела, например, через гранулу ионита. Воздействие тангенциальной составляющей поля на этог объемный заряд вызывает электроосмотическое скольжение второго рода. Скорость скольжения, жидкости может быть оценена по формуле йюлуховского, однако в эту формулу следует подставлять не скачек потенциала по диффузному слои а значительно большую величину - скачек потенциала по зоне объемного заряда, который для гранулы ионита радиуса О. . может быть оценен как 2Ел ( Е - напряженность внешнего электрического поля ). В результате скорость электроосмоса второго рода квадратично зависит от напряженности поля и линейно возрастает с увеличением разме-

Исхсдл из того, что скорость электрофореза второго рода является интегральной по отношению к электроосмосу - 2 величиной, с. учетом прения потенциала на самой грануле получена формула для СКорОСТИ электрофореза ятптюгп ппптта

КРАТКОЕ СОДЕШАНИЕ РАБОТЫ

ра частицы

1Гсо ~ £ а

г

где (? - означает знак противоиона, З'/^пЕ - учитывает направление поля, оС - коэффициент, отражающий долю поверхности частицы, охваченную интенсивным злектроосмотическим скольжением, Л^ К а -электропроводность частицы и равновесного электролита, £ - диэлектрическая проницаемость раствора.

В третьей главе I "Синтетические ионообменные смолы - объект исследования закономерностей электрофореза второго рода " ) даны краткие характеристики систем, в которых возможна реализация режима электрофореза - 2.

Выбор ионообменных смол в качестве объектов исследования нового электрокинетического явления обусловлен прежде всего ионным характером проводимости этих веществ, что обеспечивает прохождение тока в системе раствор электролита - ионит без переходных процессов на границе раздела; возможностью варьировать свойства ионитов, . прежде всего их электропроводность; правильной сферической формой смол поликонденсационного типа для широкого интервала размеров частиц и , наконец, широким практическим применением ионитов.

Даны краткие сведения о структуре и свойствах ионитов. Объектами исследования служили сильнокислотный катионит КУ-2*8, слабокислотный катионит НБ-4, сильноосновный анионит АВ-17, полифункциональные низкоосновные аниониты ЭДЭ-Ю-П и АН-1, амфотерный ионит ПА-1. Были проведены также исследования подвижности ионообменных волокон: катионообменного ФИБАН К-1 и анионообменного ПАН. В качестве модели непроводящих частиц использовали сферические гранулы полисорба 15/100 и волокна из полифенилинизофталамида.

Рассмотрены схемы подготовки объектов, включаюЕцие выделение частиц определенного размера, приведение объекта в равновесие с заданным электролитом.

В четвертой главе I " Методы измерения скорости электрофореза' " ) описаны экспериментальные методики, разработанные и использованные нами для исследования закономерюстей электрофореза - 2.

Открытие нового явления влечет за собой как правило, необходимость совершенствования существующих методик, а часто и создание принципиально новых методов исследования,способных раскрыть закономерности, присущие этому явлению.

Теория электрофореза второго рода предсказывает нелинайшй характер зависимости скорости от напряженности электрического поля и возрастание скорости по мере роста размера дисперсной частицы; это определило необходимость исследования закономерностей электрофореза - 2 в широком интервале изменения размера частиц и напрттен

НОСТИ ПОЛЯ.

Нами показана возможность применения известной методики микроэлектрофореза, основанной на использовании плоской электрофо-ратической ячейки закрытого типа, для определения подвижности частиц ионита размером I - 10 мкм в полях напряженностью вплоть до 100 В/см I обл.1, рис.1 ).

Далее описан метод . исследования электрофореза - 2 крупных частиц при помощи открытой ячейки вертикального типа. Точность определения скорости с помощью такой ячейки зависит от многих причин, которые часто ограничивают применение данного метода лишь для определенных значений напряженности электрического поля и размера частиц. Прежде .всего для корректного определения скорости электрофореза необходимо выполнение условия

где эффективный электрокинетический потенциал частицы ¡тони-

те, Z - максимальный размер частицы, - электрокинетический потенциал, характеризующий стенки измерительной камеры.

Друг™ втаным моментом при изучении электрофореза крупных ччгпщ является соотношение скоростей седиментации и электрофоре-

за, так как значительное превышение скорости седиментации над скоростью электрофореза приводит к понижению точности определения последней. Для определения скорости электрофореза крупных частиц ионита в относительно слабых электрических полях мы использовали в качестве объекта исследований волокна из ионообменного материала I 26, рис.1 воспользовавшись тем, что скорость седиментации час-тип^ цилиндрической формы меньше скорости седиментации сферической частицы при совпадении радиуса гранулы и длины волокна.

Особый интерес представляет изучение электрофореза в сильных электрических полях, поскольку с ростом поля возрастает отклонение скорости электрофореза - 2 от скорости электрофореза в режиме малых чисел Пекле. Для уменьшения влияния на движение частицы факторов, сопровождающих протекание сильных электрических токов I газовыделение на электродах, термоконвекция ), мы определяли смещение частипу за короткое время включения поля. Длительность этого импульса напряжения фиксировалась при помощи электронного секундомера, связанного с ключом высокого напряжения.

Описана методика определения скорости электрофореза - 2 в сильных электрических полях при помощи ячейки проточного типа. В условиях гидродинамического течения резко ослабляптся эффекты, накладывающиеся на электрофорез. Рабочая камера ячейки наклонена под некоторым небольшим углом к вертикали I рис.2 ) и все частицы, седиментирующие на нижнюю грань ячейки, начинают движение в элек-

Рис-2..Схема работы элек-трофорзтичзскоЯ ячейки проточного типа.

трическом поле у одной точки - у торца низшего электрода. Тогда для вычисления скорости электрофореза частицы достаточно фиксировать место ее осаждения на другом электроде

vif = и

где U - усредненная по сечению ячейки скорость потока ; ^ - смещение частицы по вертикали от места старта на первом электроде до места финиша на втором; fl - расстояние между электродами. Использование для определения скорости движения частиц проточной ячейки позволило значительно расширить пределы исследования электрофореза-? в направлении увеличения напряженности электрического поля ( обл.З, рисЛ ).

Для визуализации траектории движущейся частицы нами разработана фотографическая методика, в которой для освещения объекта использован импульсный источник света ( стробоскоп СШ-2 ). Результирующий снимок представляет собой сумму изображений, каждое из которых соответствует отдельной световой вспышке. Дня контрастного изображения каждого положения частицы мы воспользовались схемой освещения объекта по методу темного поля.

Заверлает глазу анализ основных источников ошибок, которые могут сказываться на точности определения скорости электрофореза при различных значениях напряженности электрического поля и размера частицы. Так, в области I ( рис.1 ) для частиц крупных размеров большая скорость седиментации существенно осложняет точность определения скорости электрофореза. Факторы иного плана ( термоконвекция, газовыделение на электродах ) могут исказить картину электрофореза в области П, где высока напряженность электрического поля. Несколько иная картина имеет место в области Ш, где влияние скорости седиментации и факторов, связанных с прохождением высоких токов, может • оказаться несущественным на фоне больших абсолютных значений скорости электрофореза частиц ионита ( 1/if~ 10 см/сек ). Проведение даль-ноЛпих исследований в этой области возможно с помощью проточной ■элр.ктрофоретическо'й ячейки.

В датой главе ("Закономерности электрофореза второго рода " ) представлены основные результаты, полученные при исследовании нового члрктровинетического явления. Особое внимание уделено изучению зависимости скорости электрофореза частиц ионита от их размера и напряженности электрического поля - величин, которые явно входят в форму-улч ечоро"ти электрофореза второго рода.

И дой"тлитйлыю, окапаюсь, что в электрических полях наирч-

Согласно теории, если селективность ионита близка к единице, а электропроводность вше электропроводности равновесного электролита ( именно такая ситуация реализуется в рассмотренных нами случаях ), никакие другие характеристики системы ионит-раствор электролита не должны существенным образом сказываться на закономерностях электрофореза - 2. И действительно, оказалось, что в электрических полях напряженностью от 25 до 250 В/см скорости электрофореза различных ионитов заданного размера близки по величине. Некоторый разброс значений скорости изученных объектов связан, вероятно, с их различной формой, что несколько изменяет картину концентрационной поляризации' частиц и вызывает разное гидродинамическое сопротивление движению частиц сферической ( АВ-Г7 ) и пластинчатой ( ЭДЭ-Ю-П ) формы.

Наиболее подробно были изучены зависимости скорости электрофореза от размера частицы и напряженности внешнего поля для сильнокислотного катионита КУ-2 8 в дистиллированной воде. Результаты этих исследований хорошо согласуются с теоретическими представлениями о характере зависимости электрофореза - 2 от размера и формы частицы, от напряженности электрического поля. Мелкие частицы иони-

_ „ "455 ' 800 В/да ™c.d Зависимость скорости электрофореза частиц катионита КУ-2 8 от напряженности электрического поля для частиц различного размера : I - £00, 2 - 225, 3 - 125, 4-50 мкм.

Е, В/см

Рис.4 Зависимость электрофорети-ческой подвижности частиц катионита IV-2 8 от напряженности электрического поля для частиц различного размера : I - 500, 2 - 250, 3 - 100Г 4 - 50, 5 -25, б - 10, 7 - 5, 8 - I мкм,

та ( I - 10 ыкм ) двинутся в полях напряженностью до 10 В/см с постоянной скоростью. При напряженности 50 В/см электрофоретичес-кая подвижность десятимикронных частиц несколько выше, чем частиц диаметром около одного микрона. Отклонение от постоянного значения подвижности далее увеличивается как по мере роста напряженности электрического шля, так и с увеличением диаметра гранулы. Для полей напряженностью 50, 100, 250 В/см угловой коэффициент ^9^/digE ( рис.4 ) близок к единице"при изменении диаметра гранулы от 25 до 200 мкм, что свидетельствует о квадратичной зависимости скорости электрофореза от напряженности поля. С увеличением размера частиц темп роста их скорости несколько заменяется, что по-видимому связано с тем, что распределение объемного заряда у поверхности движущейся частицы отлично от.такового у поверхности неподвижной частица. Чем крупнее гранула и чем выше скорость ее движения, тем в большей степени начинает действовать уменьшение объемного заряда за счет усиления тангенциальных потоков,в тем большей степени скорость электрофореза - 2 будет отличаться от теоретически рассчитанной величины. Из рисунков 3 и 4 видно, следствием- нелинейного возрастания скорости движения частиц ионита по мере роста поля являются высокие абсолютные значения скорости электрофореза частиц ионита в сильных электрических полях, в десятки и сотни раз превосходящие соответствующие значения, характерные для классического режима.

Нами в полях напряженностью от 5 до 150 В/см исследовано движение ионообменных волокон. Оказалось, что характер зависимости скорости электрофореза частиц цилиндрической формы от напряженности поля и длины волокна подобен аналогичным зависимостям для сферических ионообменных частиц. Так, в малых электрических полях от 5 до 10 В/см подвижности волокон одинаковой длины постоянны в пределах 'погрешности измерения скорости ( рис.5 и б ). Кэгда падение потенциала на волокне составляет около 200 мВ, электрофоретическая подвижность начинает увеличиваться по мере роста напряженности поля. Поэтому в зависимости от длины волокна переход к росту подвижности происходит при различных, критических полях ( рис. 6 ). Величина показателя степени зависимости скорости электрофореза от напряженности поля, определенная по тангенсу угла наклона кривой ( рис. 5 ) составляет 1,9 - 2,2 в полях от 25 до 100 В/см для ка-тионообменных волокон.

Результаты исследования движения непроводящих волокон в электрическом поле прежде всего свидетельствуют о корректности определе-

- Ii: _

та

/

/О

/I

-л-

10 100 Е,В/см

Рис.5 Зависимость электрофоретичес-коИ подвижности катионообменных волокон ( I - 5 ; и волокон из непроводящего материала ( 6 ) от напряженности электрического поля для волокон различной длины : I - 1200, 2 -750. 3 - 500, 4 - 200, 5 - 100, Д -. 1000, □ - 500, о - 250 мкм.

-д-

~£е-

31/

0,25 0.5 0.75^, т Рис.6 Зависимость скорости электрофореза волокон из ионообменного и. непроводя-

9 его материала от длины, онообменные волокна : I - 50, 2 - 25, 3 - 10 В/см. Непроводящие волокна : Г - 150, 2'- 100, 3-40 В/см.

ния скорости электрофореза ионитов в сильных электрических полях с помощью предложенных методик. Наблюдаемые для непроводящих волокон скорости электрофореза оказались в десятки раз меньше скорости движения проводящих частиц того же размера. Это говорит о том, что побочные факторы, накладывающиеся на электрофорез в изученных ре -жимах существенным образом не влияли на скорость движения частиц, в режиме электрофореза - 2. Скорость движения частицы фенилона линейно возрастала с увеличением поля и практически не зависала от длины волокна, что характерно для классического режима электрофореза.

Для исследования зависимости электрофоретической подвижности ионитов от рН равновесного электролита мы выбрали четыре объекта: иониты КВ-4, 1СУ-2«8, ПА-1 и полисорб 15/100. Измерения проводились для частиц размером 750 мкм при напряженности электрического поля

150 В/ем. Были проведены аналогичные исследования для этих объектов в режиме электрофореза - I ( £~ —Ь В/см, 5 мкм ). В режиме классического электрофореза наблюдается общая тенденция к росту подвижности всех изученных частиц с увеличением рН равновесного раствора. Такой ход зависимости обусловлен, по-видимому, увеличением степени диссоциации ионогенных груш, а значит и увеличением заряда поверхности частицы. Это подтверждается тем, что наибольший рост подвижности наблюдается для КБ-4, слабокислотные группы которого наиболее активны в щелочных средах. Для амфотерного ионита в интервале рН = 3-4 имеет место переход через точку нулевого заряда. Как и следовало ожидать, при больших значениях рН частица амфотерного ионита заряжена отрицательно, а в более кислых средах -положительно.

Совершенно иная картина имеет место в этих же условиях в режиме электрофореза - 2 ( рис.7 ). Прежде всего видно, что подвижности для всех типов ионитов, начиная с рН = 5 и выше, в десятки раз больше подвижности частиц в режиме классического электрофореза, и значительно отличаются от подвижности частиц полисорба, взятого как модель непроводящей частицы. Для сильнокислотного катионита КУ-2*8, электропроводность которого в рассматриваемом интервале остается постоянной, скорость электрофореза втрого рода также почти не изменяется. И лишь для точек с рН =2,12 наблюдается некоторое уменьшение подвижности, что может быть обусловлено повышением на порядок

электропроводности среды при этих значениях %

мм/d'

16 -

Д /

д' /

, /

._©—о'

л\2

\ V

3 ЧД

©

J

F ф' 4

,-АО—/О—О—0--Я- -о--о—о—

Рис.7 Зависимость элек-трофоретической подвижности от рН равновесного электролита для различных ионитов : 1 - КУ-2 8, 2 - КБ-4, 3 - ПА-1. 4 - полисорб ( d ~ 750 мкм, £ = 150 В/см .

10 рн

/

/

У амфотерного ионита в области с рН => 2-3 преимущественно диссоциированы основные группы. В качестве противоионов выступают положительно заряженные ионы, частица ведет себя как анионит. С увеличением рН равновесного электролита растет степень диссоциации кислотных групп. Носителями тока внутри гранулы становятся катионы. Этим объясняется ход кривой 3 на рис.7.

Интересно сопоставить полученные данные с теоретической оценкой скорости движения частиц. На основе теории электрофореза второго рода получена формула для соотношения электрофоретических под-вижностей ионита, приведенного в равновесие с различными электро-

и3 1*2 т^

где (¿»("¿¿а) - подвижность частицы в системе характеризуемой электропроводность!) среды Ке^Кеи)и электропроводностью гранулы Ки(Кп) соответственно. Хорошее согласив экспериментальных данных с ходом теоретической зависимости I рис. 8 I свидетельствует об адекватности модели, предложенной для описания нового электрокинетического явления, применительно к изучаемым реальным системам.

Для ионитов КУ-2'8, КБ-4, ПА-1 исследована зависимость электрофоретической подвижности от концентрами равновесного раствора электролита, содержащего однозарядный противоион I КС£ ) и со-

Рис.8 Зависимость электрофоретической подвижности катионита НБ-4 от рН равновесного электролита I £ » 150 В/см, Л - 750 мкм

Д- экспериментальные значения, —«—теоретически рассчитанная кривая.

4-0

40 -20 "

-20 -

-I

о—

v—▼*'

■1. -¿„-V

о

/ S

/ Ъ.

/ V

О '

/

r/U

A—

v—

/

у

--V

#

Рис.9 Зависимость электро-форетической подвижности ионитов t А - ЮГ-2 8, © - КБ-4, V - ПА-1 ) от концентрации равновесного раствора

а - Е = 150 В/см, ~ 750 мкм; б - е = 5 В/см, ct- 5 мкм.

I

держащего трехзарядный противоион (SmCt3). Исследования проводились в двух режимах: в первом, соответствующем режиму электрофореза - 1, изучалась подвижность частиц диаметором около 5 мкм при напряженности электрического поля 5 В/см; во втором исследовалась подвижность частиц диаметором 750 мкм в поле 150 В/см, что соответствовало режиму электрофореза второго рода.

Согласно теоретическим представлениям зависимость скорости электрофореза - 2 от концентрации электролита прежде всего определяется электропроводностью частицы. Поэтому несмотря на изменение параметров ДС (. о чем можно судить по характеру зависимости скорости движения частиц ионита от концентрации электролита в'режиме электрофореза - 1 ), скорость движения частиц ионита в режиме электрофореза - 2 от концентрации электролита, как правило, на зависит пока электропроводность частицы существенно ваше электропроводности сроды.

В электролитах, содержащих трехзарядный противоион происходит пэрззарядка поверхности ионита. При этом скорость электрофореза сильнокислотного катионита КУ-2*8, электропровдность которого в рассмотренных условиях выше электропроводности равновесного электролита, практически постоянна { рис.9а ). Для ионитов КБ-4, ПА-1, характеризующихся сильным взаимодействием матрицы с

ыногозарядным противоионом, скорость электрофореза изменяется за счет уменьшения электропроводности.

ВЫВОДЫ

1. Установлены основные закономерности движения частиц различных ионитов в сильных электрических полях, позволяющие экспериментально обнаружить предсказанное теоретически новое электрокинетическое явление - электрофорез второго рода.

2. Предложены новые экспериментальные методики определения скорости электрофореза в сильных электрических полях. Установлено, тго осложнения, возникающие при исследовании электрофореза в водных средах ( газовыделение, на электродах, термоконвекция, большая скорость седиментации ) в сильных электрических полях, преодолимы благодаря высоким абсолютным значениям скорости электрофореза частиц ионита в этих режимах.

3. Исследована зависимость скорости, электрофореза сферических гранул ионита Kf-2*8 от их диаметра К di' 1-1000 мкм ) и от напряженности электрического поля { £'• 1-1000 В/см ). Проведены аналогичные исследования для катионообменных и анионообменных волокон ( 2 100 - 150 мкм, £: 5-150 В/см Установлено, что элек-трофоретическая подвижность сферических частиц, и частиц цилиндрической симметрии в широкой области изменений указанных параметров является линейной функцией как напряженности внешнего электрического поля, так и размера частицы.

4. Показано, что эффективный электрокинетичзский потенциал, характеризующий электрофорез крупных частиц ионитов в сильных электрических полях, существенно превышает электрокинетический потенциал этих ионитов микронных размеров, и в десятки раз выше элвк-трокинетического потенциала, характеризующего движение' непроводящих частиц.

5. Установлено, что'скорость электрофореза второго рода зависит от соотношения электропроводностей частицыы и дисперсионной среды, а не от параметров двойного электрического слоя, как при электрофорезе в классичоском режиме. Соответственно зависимость скорости электрофореза - 2 от типа и концентрации равновесного электролита определяется не столько их влиянием на структуру двойного слоя, сколько изменением электропроводности частиц в различ-

ньх£ электролитах.

6. В слабых электрических полях по мере роста концентрации электролита, содержащего трехзарядный противоион, скорость дви-аения ионитов уменьшается до нуля и меняет знак. Скорость se движения частиц ионита в режиме электрофореза - 2 от концентрации электролита, как правило, не зависит пока электропроводность частицы существенно выше электропроводности среды. Исключение составляют иониты, характеризующиеся сильным взаимодействием матрицы с многозарядными противоионами I карбоксильные катиониты, амфолить^, скорость электрофореза которых изменяется при изменении характера электропроводности этих ионитов в растворах электролитов с трехзарядным противоионом.

7. Показано, что зависимость скорости электрофореза - 2 от равновесного электролита определяется кислотностью функциональных групп: для слабокислотного катионита КБ-4 и аыфолита ПА-1 наблюдается сильная зависимость от pH среды, в то время, как скорость электрофореза сильнокислотного катионита КУ-2*8 при изменении pH . от 2 до 12 единиц почти не изменяется.

Обнаружено хорошее согласие экспериментальной кривой зависимости электрофоретической подвижности катионита КБ-4 от pH равновесного электролита с соответствующей кривой,рассчитанной теоретически.

ЛИТЕРАТУРА 1.Д/хин С.С., Бабич Я.А., Баран A.A. Электрофорез второго рода в гидродинамическом потоке// Коллоид.журн.-1988.-Т.50,№5.-C.I04I-

2.Бабич Я.А., Духин С.С., Таровский A.A. Электрофорез второго рода в сильных полях// Докл.АН УССР.Сер.Б.-19Ш.-»7.-С.30-33. ■З.Ыищук H.A., Бабич Я.А., Баран A.A. Электрофорез второго рода ионообменных волокон//Укр.хим.иурн.-1988. -Т. 54,f?I2.-С. 1273-1277. 4.Мищук H.A., Бабич Я.А., Таровский А.А.Электрофорез второго рода ионообменных дисперсных частиц//Коллоидн.журн.-19Ш.-Т.51 ,№>2.-С. 284-29g.

Б.Бабич Я.А., Духин С.С. Электрофорез второго рода дисперсных настиц ионита//Тезисы докл.семинара по хим.пов.дисперсн.тв.тел, 1989 г., Славско0,-С.7.

6. Духии С.С..Таровский A.A., Мшцук Н.А, Бабич Я.А., Баран A.A., Байченко A.A. A.c. СССР ff 484681634/31-03

1042

Поди, к печ. $01-9 О Фориат(г> Бумага

Печ. офс. Усл. печ. л. О, 93 Уч.-изд. л. С, К Тираж /СО Зак.С-ЧСЧ .Бесплатно.

Киевская книжная типография научной книги. Киев, Репина, 4.