Методы очистки: диализ, электродиализ, ультрафильтрация, центрифугирование.

Диализ – самый важный из них. Сущность метода: В два сосуда разделённых полупроницаемой мембраной (коллодий, целлофан, пергамент, полихлорвинил, полиэтилен) помещают очищаемый коллоидный раствор и чистый растворитель. За счет диффузии все ионы из коллоидного раствора, способные пройти через отверстия мембраны, будут переходить в растворитель, а более крупные коллоидные частицы останутся в растворе. Достоинство метода: простота и дешевизна. Недостаток: время диализа - несколько суток. Скорость можно увеличить за счёт температуры, но очень незначительно.

Но скорость можно увеличить за счёт направленного движения ионов в электрическом поле. Диализатор оборудован дополнительной камерой с электродами (постоянное напряжение). Время диализа составит несколько часов или даже минут. Электродиализ широко применяется в биохимии, фармации, медицине, при очистке воды и производстве продуктов питания.

Часто используют и еще одну разновидность диализа – компенсационный.Сущность метода компенсационного диализа состоит в том, что дисперсная система омывается не чистым растворителем, а растворами с различной концентрацией определенного вещества (или веществ). На этом виде диализа основана работа искусственной почки ( гемодиализ). Искусственную почку используют для освобождения крови от продуктов обмена, коррекции электролитно-водного и кислотно-щелочного балансов при острой и хронической почечной недостаточности, а также для выведения токсических веществ при отравлениях и избытка воды при отёках.

Одной из самых перспективных областей применения диализа является пролонгация действия лекарственных препаратов. Срок действия контролируемого выделения находится в интервале от 2-х дней до нескольких лет, обеспечивая равномерное поступление препарата. Обычный способ применения лекарств – инъекции или в виде таблеток – резко увеличивает их концентрацию в организме, что может вызвать нежелательные побочные эффекты. Так, лекарства, содержащие гормоны, при традиционном “импульсном” вводе могут вызвать эндокринные нарушения. Поэтому применяют лекарства, покрытые мембранным слоем. Через короткое время после приема скорость поступления лекарства в организм становится постоянной и может быть задана толщиной мембраны, которая покрывает таблетку.

Ультрафильтрация -это баромембранный процесс, заключающийся в том, что жидкость не фильтруется самопроизвольно, а под давлением «продавливается» через полупроницаемую перегородку. Этот метод называют иногда сухим диализом, в том смысле, что с другой стороны мембраны нет растворителя. Размер отверстий у таких мембран лежит в пределах 10^-9 – 19^-7. В промышленности ультрафильтрацией чистят сточные воды, отделяют продукты микробиологического синтеза, концентрируют биологически активные вещества. В последнее время ультрафильтрацию применяют для очистки крови от токсинов и выведения избытка жидкости из организма.

Ультрацентрифугирование - метод разделения и исследования частиц размером менее 100 нм в поле центробежных сил, т.е. при быстром движении по окружности. Он позволяет разделять смеси частиц на фракции или индивидуальные компоненты, находить их молекулярную массу и др. Осуществляется с помощью ультрацентрифуг. Различают так называемое аналитическое центрифугирование (применяется при анализе растворов), исследуемые объемы - от 0,01 до 2 мл при массе частиц от нескольких мкг до мг; и препаративное центрифугирование (используют для выделения компонентов из сложных смесей), объем жидкости и масса исследуемого образца м. б. на несколько порядков больше, чем при аналитическом ультра центрифугировании. Центробежные ускорения в ультрацентрифугах достигают 500 000 g. Первая аналитическая ультрацентрифуга была создана Т. Сведбергом (1923; 5000g).

3. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем принципиально не отличаются от свойств истинных растворов. Для них тоже свойственны диффузия, осмос и т.д., но все эти явления имеют особенности. Диффузия – т.к. коллоидные частицы по размерам и массе значительно больше молекул и ионов, то скорость их теплового движения меньше, следовательно, скорость диффузии тоже во много раз меньше. На 1 см коллоидная частица продвигается за сутки, иногда - недели; в истинных растворах – за часы.

Осмотическое давление. Известно, что P=CRT. Но концентрация частиц в коллоидных растворах маленькая даже при высокой массовой доле растворенного вещества, поэтому осмотическое давление в коллоидных растворах низкое. (В 1%-ом растворе сахара – 79, 46 кПа, в 1%-ом растворе желатина – 1 кПа, а в коллоидном растворе сульфида мышьяка всего 0,0034 кПа.) Не удивительно, что такое осмотическое давление трудно обнаружить.

· К тому же оно не постоянно. На осмотическое давление биополимеров существенно влияет температура и рН раствора. Температура – т. к. усиливается диссоциация, следовательно, увеличивается число частиц в растворе. Влияние рН связано с изменением соотношения между положительно и отрицательно заряженными группами. В изоэлектрической точке (ИЭТ) осмотическое давление будет минимальным, при смещении рН в кислую или щелочную сторону от ИЭТ оно будет увеличиваться. Осмотическое давление крови вычисляют криоскопическим методом с помощью определения депрессии (точки замерзания раствора), которая для крови составляет 0,56—0,58°С наже нуля. Осмотическое давление крови равно приблизительно 7,6 атм. Осмотическое давление крови зависит в основном от растворенных в ней низкомолекулярных соединений, главным образом солей. Около 60% этого давления создается NaCl. Осмотическое давление в крови, лимфе, тканевой жидкости, тканях приблизительно одинаково и отличается постоянством. Даже в случаях, когда в кровь поступает значительное количество воды или соли, осмотическое давление не претерпевает существенных изменений. При избыточном поступлении в кровь вода быстро выводится почками и переходит в ткани и клетки, что восстанавливает исходную величину осмотического давления. Если же в крови повышается концентрация солей, то в сосудистое русло переходит вода из тканевой жидкости, а почки начинают усиленно выводить соли. Продукты переваривания белков, жиров и углеводов, всасывающиеся в кровь и лимфу, а также низкомолекулярные продукты клеточного метаболизма могут изменять осмотическое давление в небольших пределах. Поддержание постоянства осмотического давления играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности клеток.

· Часть осмотического давления крови, которая зависит от содержания крупномолекулярных соединений (белков) в растворе, называется онкотическим давлением. Хотя концентрация белков в плазме довольно велика, общее количество молекул из-за их большой молекулярной массы относительно мало. Поэтому онкотическое давление не превышает 30 мм рт.ст. Онкотическое давление в большей степени зависит от альбуминов (80% онкотического давления создают альбумины), что связано с их относительно малой молекулярной массой и большим количеством молекул в плазме. Онкотическое давление играет важную роль в регуляции водного обмена. Белки хорошо гидратируются и удерживают воду в кровяном русле. Чем больше величина онкотического давления, тем больше воды удерживается в сосудистом русле и тем меньше ее переходит в ткани и наоборот. Онкотическое давление влияет на образование тканевой жидкости, лимфы, мочи и всасывание воды в кишечнике. Поэтому кровезамещающие растворы должны содержать в своем составе биополимеры, способные удерживать воду. При снижении концентрации белка в плазме развиваются отеки, так как вода перестает удерживаться в сосудистом русле и переходит в ткани.

Седиментация – т.к. на маленькие частицы действует не только диффузия, но и гравитационное поле, под действием силы тяжести частицы с достаточной массой могут оседать (седиментировать). Скорость оседания частиц зависит от их массы (при прочих равных условиях).

· При анализе крови определяют суспензионную устойчивость крови (скорость оседания эритроцитов — СОЭ). Кровь представляет собой суспензию, или взвесь, так как форменные элементы ее находятся в плазме во взвешенном состоянии. Взвесь эритроцитов в плазме поддерживается гидрофильной природой их поверхности, а также тем, что эритроциты (как и другие форменные элементы) несут отрицательный заряд, благодаря чему отталкиваются друг от друга. Если отрицательный заряд форменных элементов уменьшается, что может быть обусловлено адсорбцией таких положительно заряженных белков, как фибриноген, γ-глобулины, парапротеины и др., то снижается электростатический «распор» между эритроцитами. При этом эритроциты, склеиваясь друг с другом, образуют так называемые монетные столбики. Такие «монетные столбики», застревая в капиллярах, препятствуют нормальному кровоснабжению тканей и органов. Если кровь поместить в пробирку, предварительно добавив в нее вещества, препятствующие свертыванию, то через некоторое время можно увидеть, что кровь разделилась на два слоя: верхний состоит из плазмы, а нижний представляет собой форменные элементы, главным образом эритроциты.

4. Особые свойства коллоидных систем. Для коллоидных систем характерным оптическим свойством является рассеивание света и этим они существенно отличаются от свойств истинных растворов. Явление рассеивания света (опалесценции) обнаружено Фарадеем (1857) и Тиндалем (1864). Они наблюдали образование светящегося конуса при пропускании луча света через коллоидный раствор при боковом освещении. Согласно теории светорассеяния Релея, при прохождении световой волны через коллоидные системы электромагнитное поле вызывает поляризацию дисперсных частиц. Возникающие диполи являются источниками нового излучения.

* Уравнение Релея:

Где: I_o –интенсивность падающего света, V- объем частиц, K- отношение показателей преломления дисперсной фазы и дисперсной среды, - концентрация дисперсной фазы - длина волны.

Т.к. интенсивность света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, значит, при прохождении луча белого света преимущественно должны рассеиваться наиболее короткие волны (т.е. синие и фиолетовые). Поэтому для систем с неокрашенным веществом дисперсной фазы при боковом освещении характерна голубая опалесценция. Этим объясняется голубой цвет горящего газа, табачного дыма, неба, снятого молока. Наоборот, в проходящем свете мы наблюдаем красные оттенки, связанные с потерей синей части спектра. Именно потому красный цвет выбран как сигнал опасности – он не рассеивается и поэтому далеко виден. Коллоидные растворы также могут поглощать определенную часть спектра. Например, высокодисперсные золи золота поглощают зеленую часть спектра и окрашены в красный цвет. С увеличением размера частиц окраска раствора смещается в холодную область. С явлениями поглощения и рассеяния света связана окраска ряда минералов, драгоценных камней и самоцветов (аметист, сапфир, рубин).

Нефелометрия – метод анализа коллоидных растворов основанный на явлении светорассеяния. Приборы, предназначенные для определения концентрации и размера частиц (по уравнению Релея), называются нефелометры. Обычно в этих приборах сравнивают интенсивность света, проходящего через стандартный и исследуемый растворы. Нефелометрами чаще всего определяют «мутность», т.е. концентрацию коллоидных частиц, в различных растворах при очистке воды или производстве лекарственных препаратов, соков и вина…

Ультрамикроскопия – метод анализа коллоидных систем с помощью ультрамикроскопа. В обычном микроскопе коллоидные частицы невидимы. Но если осветить коллоидные системы боковым светом на темном фоне, то можно увидеть светящиеся точки, т.к. каждая частица становиться источником рассеянного света. Прибор, позволяющий видеть коллоидные частицы на темном фоне при боковом освещении, называется ультрамикроскоп. Видны частицы размером до нескольких нм. Такой микроскоп был сконструирован в 1903 г Зидентопфом и Зигмонди. Именно с его помощью подтвердили теорию броуновского движения и определили число Авогадро. Но надо понимать, что мы видим не сами частицы, а отсветы от них на экране. Поэтому можно определить концентрацию частиц, но нельзя определить их размеры или форму.

Электрокинетические явления в коллоидных системах – это группа свойств, которые отражают связь, существующую между движением частиц дисперсной системы относительно друг друга и электрическими свойствами границы раздела двух фаз. Различают четыре вида электрокинетических явлений: электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания (седиментации).

Электроосмос – это перемещение жидкой фазы относительно неподвижной твердой фазы под действием электрического тока (1808 г, МГУ, Рейсе). При пропускании постоянного тока через U-образную трубку, заполненную кварцевым песком и водой, в колене с отрицательным электродом (катодом) вода поднималась выше, а в другом опускалась. Т.е. жидкая фаза двигалась под действием электрического тока.

Электрофорез – перемещение твердой фазы относительно неподвижной жидкой фазы под действием электрического тока. При пропускании постоянного тока (100В) через прибор, состоящий из двух наполненных водой стеклянных трубок, погруженных в мокрую глину, Рейсе обнаружил, что частицы глины, отрываются от поверхности глины и двигаются вверх (против силы тяжести!) к положительному полюсу (аноду). Т.е. твердая фаза двигалась под действием электрического поля.

Потенциал течения – явление обратное электроосмосу. Квинке в 1859г обнаружил, что при фильтрации воды через пористую мембрану возникает разность потенциалов между двумя ее сторонами. Квинке предположил, что поверхность твердого тела заряжается одним знаком, а прилегающий слой жидкости - другим. В дальнейшем эта идея привела к открытию удивительного явления на поверхности раздела фаз - двойного электрического слоя. Потенциал оседания – явление обратное электрофорезу. В высокий цилиндр с водой сыпали кварцевый песок. При оседании частиц кварца в воде регистрировалась разность потенциалов между электродами, расположенными на разной высоте.

*Открытый профессором Рейссом электрофорез, а также другие электрокинетические явления послужили основой для создания методов изучения двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц изучения строения коллоидных частиц вообще. Согласно современным представлениям, на поверхности любого тела в результате протекания ОРВ, процессов диссоциации, избирательной ионной адсорбции и т.д. образуется двойной электрический слой (ДЭС) – два слоя противоположно заряженных ионов, расположенных в пространствев непосредственной близости друг от друга. ДЭС состоит из двух частей: внутренней - плотной и внешней - диффузной. Плотный слой составляют потенциалопределяющие ионы, прочно связанные с твердой поверхностью и часть противоионов, притянутая благодаря электростатическому притяжению и силам специфической адсорбции. Этот внутренняя часть ДЭС называется адсорбционным слоем. Сумма зарядов потенциалопределяющих ионов и протиоионов в адсорбционном слое не равна нулю, противоионов обычно меньше. Некоторое количество противоионов, недостающее для компенсации зарядов потенциалопределяющих ионов, располагается во внешнем, диффузном слое. Диффузный слой образован противоионами, которые притянулись к поверхности из раствора, благодаря электростатическому взаимодействию, но с поверхность связаны очень слабо.При движении частиц происходит разрыв между адсорбционным слоем (прочно закрепленным на поверхности частицы) и диффузным слоем (ионами находящимися в слое раствора). У нас появляется направленное движение заряженных частиц – электрический ток. И наоборот,в электрическом поле гранулы (твердая фаза) двигаются в одну сторону, а противоионы диффузного слоя (жидкая фаза) – в другую, т.е. происходит движение фаз коллоидных систем.

Например: Если к раствору иодида калия (т.е. он в избытке) добавлять по каплям раствор нитрата серебра, то осадок иодида серебра не выпадает; в растворе мало ионов серебра, нужных для роста кристалла. И соединяться маленькие кристаллы тоже не будут, потому что на них есть одинаковый заряд. Т.е. начавшийся процесс кристаллизации не приводит к образованию осадка, если в растворе есть электролит-стабилизатор. Образуется коллоидный раствор иодида серебра с частицами, строение которых принято выражать особыми «мицелярными» формулами.:

{[AgI]_mnI^-(n-x)K⁺}^x^-xK⁺, где [AgI]_m – ядро, т.е. маленький кристалл малорастворимого иодида серебра;

_mnI^-(n-x)K⁺ - адсорбционный слой, состоящий из потенциалопределяющих ионов иода, которые избирательно адсорбировались на кристалле (они находились в растворе в избытке) и некоторого количества противоионов калия, прочно связаных с ионами иода; xK⁺ - подвижный диффузионный слой ионов калия; {[AgI]_mnI^-(n-x)K⁺}^x^- - гранула коллоидной частицы, которая будет самостоятельно двигаться в электрическом поле. Заряд гранулы определяет величину и заряд (дзета)- потенциала (электро-кинетического потенциала) на поверхности коллоидной частицы.

В биосистемах ДЭС может возникать тоже за счет избирательной адсорбции или ионизации поверхностных функциональных групп. Адсорбция происходит в основном на полисахаридах, липидах, холестерине, а на белках ДЭС возникает обычно вследствие диссоциации карбоксильной и амминогруппы. Известно, что аминокислоты в зависимости от рН среды существуют в растворах в виде нейтральных би-ионов, катионной либо анионной формы белка.

- потенциал уменьшается по мере увеличения числа противоионов в адсорбционном слое и может стать равен нулю, если общий заряд противоионов станет равен заряду потенциалопределяющих ионов (изоэлектрическое состояние). Это может произойти при повышенииконцентрации противоионов в растворе. Чем больше - потенциал, тем более устойчивой является КС, т.к. наличие заряда препятствует слипанию частиц.

Величину - потенциала нельзя измерить, его можно рассчитать по уравнению Гельгольца- Смолуховского:

,где - вязкость среды, - диэлектрическая проницаемость среды, - расстояние между электродами, U – скорость электрофореза, E- разность потенциалов.

Применение электрокинетических явлений. Через семьдесят лет, после того как Рейсе открыл электрокинетические явления (еще в 19 веке), электроосмос был применен на практике для сушки торфа, а затем и для сушки древесины. С 60-х годов 20 века электроосмос используют для сушки и укрепления грунтов при постройке зданий, для борьбы с оползнями при строительстве плотин, для понижения уровня грунтовых вод, для ремонта железнодорожного полотна и осушки зданий после наводнений.

В земной коре через грунты и горные породы текут подземные воды, а им сопутствуют так называемые потенциалы течения, которыми пользуются геофизики для поиска полезных ископаемых, картографии подземных вод и отыскания путей просачивания воды через плотины. Потенциалы течения возникают при транспортировке жидкого топлива, при заполнении резервуаров, цистерн, нефтеналивных судов, бензобаков самолетов. Когда по трубам течет топливо, на концах трубопроводов возникают достаточно высокие разности потенциалов, из-за которых на нефтеналивных судах случались грандиозные пожары. Есть еще потенциалы оседания (это тоже течение, т.е. движение) капелек воды в облаках - причина грозовых разрядов в атмосфере.

Широко пользуются Электрокинетическими свойствами коллоидных систем медицина. Когда кровь течет через капилляры кровеносной системы, возникают потенциалы течения, являющиеся одним из источников биопотенциалов. Установлено, к примеру, что один из пиков электрокардиограммы обусловлен возникновением потенциалов течения крови в коронарных сосудах сердца. Эти потенциалы измеряют в кардиологических клиниках и лабораториях.

Электрофорез используют как метод определения и разделения белков (и др. электрически заряженных частиц)) в растворе путем пропускания через этот раствор электрического тока. Скорость движения коллоидных частиц в электрическом поле зависит от их заряда и массы, поэтому они постепенно разделяются, отходя к различным полюсам электрода. С помощью электрофореза можно получать лекарственные препараты и БАВ высокой степени чистоты.

Электрофорез можно использовать и для анализа состава коллоидных систем. Электрофорез, как и хроматографию, можно выполнять на бумаге. Электрофореграммы белков плазмы крови для всех здоровых людей почти одинаковы. При патологии они приобретают характерный, причем специфический для каждого заболевания вид. Электрофорез широко используется для исследований химического состава тканей организма. Например, для анализа различных белков и липопротеинов в сыворотке крови, анализа состава белков в моче и т.д.

Электрофорез очень часто используют и для терапевтических целей. Например: для введение лекарственных препаратов через кожу (многие лекарства представляют из себя коллоидные растворы); ускорение миграции лейкоцитов к очагу воспаления (при воспалениях происходит разрушение клеточных структур с образованием продуктов кислотного характера, в этом случае поверхность тканей приобретает положительный заряд); или ускорения движения эритроцитов к страдающим от гипоксии тканям (потенциал эритроцитов человека величина стабильная и равна -16,3мВ).

Большее распространение в клинике терапевтической стоматологии получил электрофорез как один из методов обезболивания. С этой целью применяются 5 - 10%-ные растворы новокаина, дикаина, тримекаина, никотиновой кислоты.

5. Проблема устойчивости КС – одна из основных в коллоидной химии. Растворы ВМС и некоторые лиофильные коллоиды (глины, мыла) являются термодинамически устойчивыми, они образуются самопроизвольно. При образовании лиофобных КС диспергирование (измельчение) происходит за счет механической или другой работы, у этих процессов G> 0, т.е. образуются системы, обладающие избытком энергии, а значит термодинамически неустойчивые. Но, тем не менее, такие системы могут существовать достаточно длительное время.

Различают кинетическую и агрегативную устойчивость коллоидных систем. Под кинетической устойчивостью понимают способность дисперсной фазы находиться во взвешенном состоянии и не выпадать в осадок. Кинетически более устойчивы высокодисперсные системы, т.е. чем меньше частица, тем быстрее она двигается, и тем меньше на нее действует сила тяжести. Поэтому гидрозоли кинетически более устойчивы, чем классические эмульсии и суспензии. На кинетическую устойчивость влияет также плотность и вязкость среды. В вязких жидкостях оседание даже крупных частиц происходит медленно. В газообразной среде плотность и вязкость очень малы, поэтому в газовых средах могут существовать системы только с очень маленькими частицами – аэрозоли.

Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять определенную степень дисперсности, т.е. способность не объединять маленькие частицы в более крупные. Агрегативная неустойчивость – это естественное свойство всех гетерогенных дисперсных систем, связанное с избытком поверхностной энергии и стремлением системы ее уменьшить за счет слияния частиц.

Что способствует агрегативной устойчивости КС? Или: Что может препятствовать слипанию частиц?

- Наличие одноименного заряда у частиц. Заряд появляется на частицах в результате избирательной ионной адсорбции. (см. строение коллоидных частиц, двойной электрический слой). Это происходит обычно в водных растворах электролитов.

- Адсорбция на частицах ПАВ. Этот процесс приводит к уменьшению поверхностного натяжения и уменьшая общую энергию системы, делает ее более стабильной. Но это тоже происходит в основном в растворах.

- Гидратация коллоидных частиц. Это явление наблюдается в водных растворах, и только у лиофильных коллоидов, например, в растворах белков.