В процессе ультрафильтрации мембраной задерживаются частицы дисперсной фазы или макромолекулы, а дисперсионная среда с нежелательными низкомолекулярными примесями проходит через мембрану. Ультрафильтрация относится к баромембранным процессам, в отличие от диализа ее проводят под давлением. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золей при одновременном их концентрировании. Иногда говорят, что ультрафильтрация – это диализ, проводимый под давлением, хотя это и не совсем верно (особо любознательные из Вас могут подумать почему).
Применение мембран с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов. Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных систем, но и может быть использована как способ дисперсионного анализа и для препаративного разделения дисперсных систем.
Интересным примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат «искусственная почка», предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Он воспроизводит такие функции почек, как выделение отработанных продуктов из крови, регулирование кровяного давления и водно-электролитного баланса. В искусственной почке из плазмы (плазма – жидкая часть крови) удаляются мочевина, мочевая кислота, креатинин, ионы калия, токсины и другие вещества Аппарат оперативным путем подключается к системе кровообращения больного. Кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце»), протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором (физиологические растворы – это водные растворы, близкие по солевому составу, величине рН и другим свойствам к крови здорового человека, например, раствор, содержащий 0,9 % NaCl и 4,5 % глюкозы). Благодаря большой площади мембран (~15000 см2) из крови за 3-4 часа удаляются все вышеперечисленные «шлаки».
Размер пор мембран для ультрафильтрации составляет величину от 1 до 10 нм. Если использовать мембраны с более тонкими порами (менее 1 нм), то происходит задержка не только дисперсных частиц, но и относительно крупных молекул и даже ионов (размер ионов в водном растворе довольно значителен благодаря образованию гидратной оболочки). Правда для проведения такого процесса требуется рабочее давление большее, чем в случае ультрафильтрации. Этот баромембранный процесс называется гиперфильтрацией или обратным осмосом.
Интересно отметить, что метод гиперфильтрации наряду с методом перегонки применяется в быту и промышленности для очистки и деионизации воды.
Укажите различия между физическими явлениями, лежащими в основе диализа и ультрафильтрации?
В результате диализа и ультрафильтрации из золей за счет избирательного переноса частиц через мембрану удаляются электролиты. Различия между этими процессами заключаются в механизме и движущей силе переноса вещества. В случае диализа очистка осуществляется за счет диффузии ионов или молекул, которые преимущественно имеют размер, существенно меньший, чем размер коллоидных частиц, а в случае ультрафильтрации разделение ионов, молекул и коллоидных частиц происходит по принципу сита. Движущая сила ультрафильтрации – градиент давления, а не градиент концентрации, как в случае диализа. В процессе очистки диализом золь разбавляется, а при ультрафильтрации – концентрируется.
Вопросы и задания для самоконтроля знаний по материалу 4-й лекции
1. Охарактеризуйте способы получения золей путем конденсации.
2. Какие условия необходимы для осуществления химической конденсации?
3. Что Вам известно о методе получения золей, предложенном Рогинским и Шальниковым?
4. При действии на ионы Ca2+, Sr2+ и Ba2+ ионами C2O42- и SO42- в разбавленных растворах на холоде образуются плохо оседающие мелкие кристаллы, а в концентрированных растворах при нагревании образуются быстрорастущие крупные кристаллы. Объясните причину такого различия. Напишите формулы мицелл и укажите знак электрических зарядов коллоидных частиц получающихся взвесей. Какими еще способами можно ускорить выпадение осадка в этих растворах?
5. В каком порядке следует сливать растворы:
а) H3AsO3 и (NH4)2S;
б) CdCl2 и Na2S;
в) H3AsO4 и (NH4)2S;
г) AgNO3 и KI,
чтобы получить коллоидную систему с частицами, несущими:
а) положительные электрические заряды;
б) отрицательные электрические заряды?
Напишите формулы мицелл образующихся в каждом случае золей.
6. При растворении некоторых веществ в воде происходит гидролиз, который при разбавлении раствора углубляется и приводит к образованию золя. Изобразите схематично структуру мицеллы и запишите ее формулу для следующих процессов:
а) FeCl3 
FeO+ + 2 H+ + 3 Cl- 
Fe(OH)3↓ + 3 HCl
б) Al(CH3COO)3 + 3 H2O → Al(OH)3↓ + 3 CH3COOH
в) Sn(CH3COO)2 + 2 H2O → H2SnO3↓ + 2 CH3COOH
7. При нагревании воды (особенно озерной или речной) до 90-95 °С происходит интенсивное образование бурых хлопьев. Объясните это явление. Почему такое явление не наблюдается при нагревании дистиллированной воды?
8. В основе производства помадных конфетных масс лежит резкое охлаждение сиропа, а в основе сахарного производства – резкое охлаждение пересыщенного раствора сахарозы. В результате какого процесса в этих случаях происходит образование частиц дисперсной фазы?
9. Облака относятся к дисперсным системам Т,Ж/Г и представляют собой взвешенные в воздушной среде капли и кристаллы воды. Какие процессы происходят в атмосфере при образовании облаков?
10. От чего и для чего очищают коллоидные системы?
11. Что такое диализ? Изобразите схему аппарата для проведения диализа.
12. Как можно ускорить диализ?
13. Что такое ультрафильтрация и чем она отличается от диализа? Дайте определение мембраны.
14. Что общего и в чем заключается особенность таких мембранных процессов, как диализ и ультрафильтрация?
ЛЕКЦИЯ 5
«Такие свойства истинных растворов, как диффузия, осмотическое давление, изменение давления пара и температур замерзания и кипения обусловлены самопроизвольным движением молекул. Обладают ли этими свойствами коллоидные частицы, занимающие промежуточное положение между практически неподвижными крупными телами и вечно движущимися молекулами?»
П.М. Кругляков
Итак, мы рассмотрели методы получения и очистки коллоидных систем. Далее, для того, чтобы более четко представлять процессы, которые лежат в основе, например, вышеописанных мембранных процессов – диализа и ультрафильтрации, целесообразно рассмотреть молекулярно-кинетические свойства растворов, которые обусловлены хаотическим тепловым движением молекул и атомов. Законы этого самопроизвольного движения изучает молекулярно-кинетическая теория. Некоторые свойства растворов обусловлены этим движением, т. е. определяются не составом, а числом кинетических единиц – молекул в единице объема или массы. К ним относятся свойства, которые называются коллигативными: диффузия, осмотическое давление, различия в давлении пара и температур замерзания и кипения в случае чистого растворителя и раствора. Естественно возникает вопрос, обладают ли этими свойствами коллоидные частицы, занимающие промежуточное положение между неподвижными макроскопическими телами и вечно движущимися молекулами?
Ученые доказали, что коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, к которым относятся диффузия, броуновское движение и осмос.
Броуновское движение – это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающие во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды.
