Вспомогательные вещества для фильтрования

Вспомогательное вещество либо добавляют к суспензии (0,01-4,0% от ее массы), либо наносят тонким слоем на исполь­зуемый фильтр перед фильтрованием.

Вспомогательные материалы применяют в тех случаях, когда в последующих операциях нужен только фильтрат. Исключение составляют бумажная масса и активированный уголь, предвари­тельно обработанный кислотами. Они при прокаливании осадка сгорают, почти не оставляя золы. В точных аналитических работах и при получении особо чистых веществ вспомогательные материалы при фильтровании не применяют.

Перлит - стекловидная порода вулканического происхожде­ния ("вулканическое стекло"), состоящая в основном из Si02 и Al₂0з- Перед применением перлит прокаливают при 900 °С, при этом из него выделяются газы и вода, он увеличивается в объе­ме примерно в 20 раз, образуя неправильные зерна белого цве­та, включающие большое число полых ячеек. Поэтому его по­ристость достигает 85-90%. После прокаливания перлит обраба­тывают при нагревании хлороводородной кислотой, разбавлен­ной водой в отношении 1:5. Применяют перлит для фильтрова­ния только кислых или нейтральных суспензий.

Диатомит (кизельгур, трепел, инфузорная земля) - светло-желтая мягкая горная порода, образованная из силикатных панцирей отмерших водорослей-инфузорий или диатомей, отложившихся когда-то в морских и пресных водах. Лучшие сорта диатомита состоят на 94% из Si0₂ и имеют пористость, дости­гающую 93%.

Перед использованием диатомит просеивают и крупные час­тицы обжигают. Диатомит слабо взаимодействует с сильными кислотами, но неустойчив в водных растворах щелочей. В про­цессе фильтрования он может загрязнять фильтрат коллоидной глиной и некоторыми солями.

[С₆Н₇0₂(ОН)₃-_х(ONO2)_n]. Коллодий - это 4%-й раствор нитроцеллюлозы в смеси этанола и этилового эфира.

Одной из лучших мембран являются мембраны из ацетата Целлюлозы, предложенные Лоэбом и Сурираяном. Ацетат целлю­лозы - сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты с фор­мульной единицей [С₆Н₇02(ОН)_з-x(ОСОСНз)_х]_n. Он представля­ет собой серый порошок, нерастворимый в воде, спиртах, бен­золе и бензине.

Чтобы получить нитроцеллюлозную мембрану, на стеклянную пластинку кладут влажную фильтровальную бумагу и заливают раствором коллодия. Из­быток коллодия сливают, а пленке дают высохнуть, после чего наливают новую порцию коллодия, избыток которой также сливают. Когда второй слой^; несколько подсохнет, но еще будет пахнуть спиртом и эфиром, фильтр погружают в воду, чтобы пленка отделилась от фильтровальной бумаги.

Можно отливать мембрану прямо на стекле. Для этого на стеклянную плас­тинку толщиной 5-7 мм кладут другую пластинку такой же толщины, но с овальным отверстием. Пластинки устанавливают строго в горизонтальной плоскости по уровню. Через овальное отверстие наливают коллодий, который растекается между пластинками равномерным тонким слоем. После испарения растворителя пластинки погружают в воду для отделения пленки. Пленку хра­нят в чашках Коха (см. рис. 61) под водой или в 30%-м этаноле.

Для увеличения размеров пор и скорости фильтрования к коллодию добав­ляют 100%-ю СНзСООН до получения 0,5%-го раствора.

Нитроцеллюлозные фильтры с блестящей гладкой поверхностью и порами размером 0,10-0,25 мкм получают, нанося на фильтровальную бумагу раствор, содержащий 5% нитроцеллюлозы, 3% диэтилового эфира и 2% изоамилового спирта в 98-100%-й СН₃СООН.

Увеличения размера пор до 0,30-0,32 мкм достигают применением раствора состава: 75% СНзСООН, 5% нитроцеллюлозы, 15% этанола, 4% диэтилового эфира и 1% К₂С0₃.

Нитроцеллюлозные фильтры устойчивы к действию разбав­ленных кислот и водных растворов щелочей, бензола, толуола, хлороформа, дисульфида углерода и тетрахлорида углерода. Диэтиловый эфир, ацетон, уксусная кислота, этилацетат разру­шают нитроцеллюлозные мембраны.

Чтобы изготовить ацетатцеллюлозную мембрану, порошок ацетата раство­ряют (22%) в смеси, содержащей 66,7% ацетона, 10% воды и 1,1% MgClO₄ (для порообразования). Полученный раствор выливают на гладкую охлаждаемую стеклянную пластинку при температуре от -5 до -10 ^СС и дают возможность растворителю испаряться при этой температуре. После испарения стеклянную пластинку с пленкой погружают в ледяную воду на 1 ч для вымывания MgClO₄ и гелеобразования, при этом пленка отслаивается от стекла и затвердевает. Для улучшения механической прочности пленки и уменьшения размеров пор ее на 5 мин помещают в нагретую до 65-85 °С воду.

Мелкопористую пленку можно получить, выливая на гладкое чистое стекло при комнатной температуре раствор ацетата целлюлозы (25%) в смеси диметилформамида (30%) и ацетона (45%). После испарения растворителя стекло с пленкой погружают в воду или еще лучше в изопропанол для формирования структуры мембраны.

Полученная тем или иным способом ацетатцеллюлозная мембрана устойчива в спиртах до 70 °С, разбавленных водных растворах кислот, но разрушается в 0,1 М растворах КОН и NaOH уже при обычных температурах. Более подробную ин­формацию о химической и механической устойчивости можно получить из технической документации, прилагаемой фирмами к мембранам.

Лоэб Джек (1859-1924) - немецкий химик-физиолог, изучал коллоидные . растворы.
Для приготовления мембран на основе желатины фильтровальную бумагу погружают на 10-15 мин в 5-10%-й водный раствор желатины, нагретый до 40 °С. Вынутую из раствора бумагу некоторое время оставляют на воздухе, а затем еще влажной погружают в охлаждаемый льдом 4%-й раствор формальде­гида на 30-45 мин. Пропитанную таким образом бумагу промывают в течение суток чистой проточной водой и хранят до применения в чашках Коха (см. рис. 61) под водой, содержащей 3-4 капли хлороформа. Вместо хлороформа во избежание появления плесени на дно чашки Коха кладут медную пластинку или свернутую в круг медную проволоку.

Полиамидные мембраны готовят из раствора ε-капролактама (найлон-6) в НСООН, содержащей о-хлорфенол. Раствор выли­вают на нагретое до 80-90 °С стекло и дают в течение 3-4 мин испариться растворителю, а затем пленку обрабатывают водя­ным паром. Такие мембраны устойчивы до 120 °С, не разру­шаются в средах с рН = 212, но очень чувствительны к дей­ствию окислителей.

Предложены растворимые мембраны из алъгината алюминия для последующего использования собранного на них твердого остатка. Альгинат алюминия - соль альгиновой кислоты - поли­сахарида, линейные цепи которого состоят из фрагментов

[-OC₅H₅0(COOH)(OH)₂0-]_n.

Для получения такой мембраны фильтровальную бумагу пропитывают 1 М водным раствором А1С1з, а затем ее обливают 1%-м водным раствором альгината натрия и тщательно разглаживают полученную массу алюминиевым бруском для того, чтобы слой стал тонким и равномерным. Примерно через 30 мин фильтр с желеобразной пленкой помещают в чистую воду для хранения и отмывки хлорида натрия.

После фильтрации мембрану отделяют от бумажной основы и вместе с осадком помещают в 3,8%-й водный раствор цитрата натрия. В течение 1-2 мин мембрана полностью растворяется, оставляя в растворе собранный на ней твердый остаток.

В 1877 г. Пфеффер получил первую неорганическую мембрану. Он залил в стакан из необожженной глины водный раствор-CuSO₄ и затем погрузил этот стакан в сосуд с водным раствором K4[Fe(CN)6]. В порах глины в результате химической реакции

2CuS0₄ + K4[Fe(CN)₆] = Cu₂[Fe(CN)₆] + 2K₂S0₄

образуется тонкая пленка гексацианоферрата(Н) меди. Вместо сульфата меди можно использовать сульфаты никеля, кадмия и других элементов.

Неорганическую мембрану можно получить также путем продавливания суспензии Zr0₂ в воде (30-60%) через пористую керамику (см. разд. 1.2) до обра­зования слоя из оксида циркония массой 0,005-0,05 г/см^?. Полученный слой вместе с подложкой высушивают при 20-25 ^СС и прокаливают при 900-1400 ^СС в течение 1-5 ч. Пористость такой мембраны составляет около 65 л/(м²-ч) при Давлении 6 МПа.

Вместо суспензии ZrO₂ используют водные суспензии метагидроксидов железа или хрома. Проницаемость слоя, состоя­щего из частичек FeO(OH), составляет 88 л/(м²-ч) при давлении 6 МПа.

Пфеффер Вильгельм (1845-1920) - немецкий ботаник.
1.6. Резина и каучуки (пробки и шланги)

Резина - продукт вулканизации каучука, обладающий способ­ностью к большим обратимым деформациям. Температура экс­плуатации обычной резины колеблется в интервале от -50 до 150 °С. Теплостойкие резины выдерживают температуру до 200 °С, а морозоустойчивые до -150 °С.

Термическая деструкция резины сильно ускоряется в при­сутствии кислорода и других окислителей. При температуре ниже -20 °С обычная резина становится хрупкой. При темпера­туре ниже +70 °С на нее не действуют концентрированные вод­ные растворы оснований и кислот, кроме серной и азотной. Разрушают резину такие окислители, как пероксид водорода, галогены, водные растворы дихроматов и перманганатов щелоч­ных металлов.

Резина набухает в органических растворителях и способна растворять в заметных количествах газы, особенно такие как S0₂₎ NH₃, H₂S, C0₂, N₂0, CH₄, 0₂, СО и N₂, в меньшей степе­ни Н₂ и Не. Эти газы медленно проникают через резину. Она проницаема также для пара воды, поэтому применение ее в ва­куумной технике (см. разд. 10.8) ограничено.

Резина стареет в атмосфере 0₂ и на свету, при этом ее по­верхность сначала становится клейкой, а затем хрупкой, после чего резина растрескивается.

Силоксановый каучук устойчив в среде большинства кислот, кроме фтороводородной и концентрированных азотной и сер­ной. Полимер постепенно разрушается концентрированными водными растворами КОН и NaOH, набухает и растворяется в СС1₄,СНС1з, простых и сложных эфирах, углеводородах.

Кремнийорганический каучук устойчив к воздействию кис­лорода воздуха, а при сгорании выделяет Si0₂ и большое коли­чество энергии в форме теплоты. При температуре ниже -50 °С полимер становится хрупким.

Вайтон-А (флуорель) - сополимер винилиденфторида с перфторпропиленом - является одним из самых термостойких каучуков, работающих в интервале температур от -44 до +315 °С. Даже при 315 °С он сохраняет эластичность в течение суток, а при 200 °С - в течение 2400 ч. Вайтон стоек к действию масел и органических растворителей. Все эти материалы, но в основном резину, используют для изготовления шлангов, пробок, перча­ток, фартуков и др.

Перед употреблением новые резиновые пробки нагревают в 2-5%-м водном растворе КОН или NaOH, а затем в чистой воде и хранят в закрытом сосуде из темного стекла.

Для предохранения пробок от затвердевания и растрескива­ния в процессе длительной эксплуатации при температурах 80-100 °С их пропитывают парафином. В расплавленный парафин (100 °С) пробки опускают на 30-60 с, а затем помещают в фарфоровой чашке в нагретый до 100-105 °С сушильный шкаф. Парафин постепенно растворяется в резине и сохраняет ее элас­тичность.

Кроме обычных резиновых пробок некоторые фирмы выпус­кают пустотелые пробки с внутренними карманами. В част­ности, фирма "Aldrich" (США) производит резиновые пробки с двумя карманами (рис. 5, а). Такими пробками закрывают ампу­лы, трубки и пробирки. Перегородка служит для отбора проб при помощи шприца без вскрытия сосуда. Верхний карман для герметичности может быть закрыт стеклянной или полимерной пробкой. Подобные пробки используют и для соединения стек­лянных трубок разного диаметра, предварительно вырезав перегородку или просверлив ее. В последнем случае она будет вы­полнять функции диафрагмы.

Для более надежного и герметичного закрепления резиновой пробки 3 (рис. 5, б) со стеклянной трубкой в горле 4 сосуда применяют отрезок резинового шланга 2, прижимаемого в верх­ней и нижней частях к трубке и горлу сосуда медной или алю­миниевой проволокой 1.

Разрушительное действие пара некоторых веществ на резино­вую пробку / предотвращают при помощи тонкой пленки из Фторопласта или полиэтилена 2 (рис. 5, в), изолирующего пробку одновременно и от стенок сосуда.

Пленку предварительно нагревают в кипящей воде, затем вставляют в горло сосуда и прижимают осторожно пробкой.

Резиновую трубку, по которой будет перемещаться ртуть, следует предварительно обработать в течение 1 ч нагретым до 70 °С 20%-м водным раствором NaOH, а затем теплой чистой водой. Такая обработка позволяет удалить из поверхностного слоя резиновой трубки серу, которая взаимодействует с ртутью. В очищенном шланге ртуть остается блестящей даже при ис­пользовании его в течение года.

При надевании резиновой трубки на стеклянную следует по­следнюю слегка смочить водой или глицерином. Смазывать ре­зиновую трубку какими-либо маслами нельзя, так как от этого резина разбухает и становится менее эластичной.

Перед надеванием на стеклянную трубку конец шланга из полиэтилена или полихлорвинила (см. разд. 1.3) погружают в горячую воду, при этом он становится более эластичным и лег­ко надевается на стеклянную трубку. При работе с вакуумом или под давлением стеклянные трубки следует присоединять друг к другу по возможности встык. Толстостенный вакуумный шланг должен по размеру строго подходить к стеклянной труб­ке, снабженной на конце рядом сужений и расширений ("оливой", см. рис. 52, г). Вакуумный шланг нужно натягивать на трубку не менее чем на 2-3 см, предварительно смазав конец трубки тонким слоем силиконового масла или безводным гли­церином, к которому добавляют до 30% талька. Тем самым предотвращается прилипание шланга к трубке.

При использовании шлангов из полимерных материалов не надо забывать, что органические растворители вымывают из них пластификаторы (исключение - фторопластовые шланги) и шланги со временем становятся твердыми и хрупкими. Пре­имущество таких шлангов по сравнению с резиновыми - их прозрачность и более высокая химическая устойчивость.

Резиновые трубки следует хранить в темном прохладном мес­те и во влажной атмосфере. На свету они легче окисляются, особенно если находятся в ящиках из смолистого дерева, выде­ляющего следы озона. В таких ящиках резиновые трубки через месяц приходят в полную негодность. Лучше всего резиновые шланги хранить в водном растворе глицерина (100 мл глицерина в 1 л воды) или в растворе Са(ОН)г, в крайнем случае в чистой воде.

Помимо резиновых химические сосуды закрывают стеклянными пробками и пробками из полимерных материалов.

Стеклянные пробки (см. рис. 5, г) являются составной частью сосуда и всегда пришлифованы к его горлу (см. разд. 2.5). Чтобы не путать пробки, на них и на сосудах надо проставлять одина­ковые номера. Когда сосуд ничем не заполнен, между пробкой и горлом сосуда прокладывают полоску фильтровальной бумаги, чтобы пробку не заело, а при хранении летучих веществ при­шлифованную часть пробки смазывают вазелином или силико­новым маслом.

При продолжительном хранении сосуда с тем или иным ве­ществом стеклянные пробки часто заедает. Чтобы вынуть такую пробку, ее следует прежде всего постараться повернуть вокруг оси или раскачать, нажимая на нее сбоку то вправо, то влево, осторожно постукивая каким-либо деревянным предметом. Так почти всегда удается извлечь застрявшие пробки. Если этот прием не дает результатов, следует осторожно нагреть горло сосуда на небольшом коптящем пламени горелки, свечи, спички или под струей горячей воды, вращая сосуд. (Если в сосуде пая ходится огнеопасное вещество, то горло нагревают только горячей водой.) Нагревание должно быть кратковременным, чтобы нагрелось только горло сосуда, а не сама пробка. После такого нагрева горло несколько расширяется, и при боковом постуки­вании пробку удается вынуть.

Когда в шлифе закристаллизовалось вещество, сосуд ставят пробкой вниз в теплую воду на час-другой. После такой обра­ботки пробка обычно легко извлекается. Извлечь пробку, кото­рую сильно заело, можно только при достаточном запасе терпе­ния.

Нельзя хранить в сосудах со стеклянными пробками щелочи и их водные растворы. Пробки из таких сосудов часто не извле­каются ни одним из указанных выше приемов (см. разд. 2.5, "шлифы").

Некоторые фторопластовые пробки для удобства извлечения из горла сосуда снабжают стержнем с резьбой и круглой с на­сечкой гайкой (см. рис. 5, д). Закручивая гайку, опирающуюся на верхнюю кромку горла сосуда, можно спокойно, не взбалты­вая содержимого сосуда, извлечь пробку.

Для герметичной долговременной изоляции вещества от воз­действия кислорода и влаги воздуха применяют составные по­лимерные пробки, конструкция которых показана на рис. 5, е.

Сверление резиновых пробок производят при помощи набора ручных сверл (рис. 6, а), представляющих собой металлические тонкостенные трубки с ручкой или отверстием на одном конце, в которое вставляют стержень. Другой конец трубки заточен. Для заточки трубки ее надевают плотно на коническую часть специального ножа (рис. 6, б), нож прижимают большим паль­цем левой руки к сверлу, а правой рукой поворачивают трубку сверла вокруг конуса (рис. 6, в), не нажимая сильно на нож, в противном случае возможно образование на сверле зазубрин. Для точки сверла можно использовать также брусок или на­пильник с мелкой насечкой. Во всех случаях затачивается толь­ко внешняя часть сверла.

Сверлят пробку со стороны ее меньшего основания, приме­няя как смазку глицерин или водный раствор аммиака, вазели­новое масло или обычный мыльный раствор. При сверлении сверло следует чаще вынимать из пробки и повторно смазывать. Сверло при сверлении поворачивают в пробке с небольшим нажимом, поддерживая его в направлении, перпендикулярном к просверливаемому основанию пробки.

Диаметр вырезанного отверстия должен быть чуть меньше диаметра вставляемой трубки. Просверленную пробку промы­вают тщательно чистой водой, а затем этанолом и высушивают. Расширяют отверстие в пробке только при помощи круглого напильника. Применять для этой цели сверло большего диамет­ра нельзя - оно будет не сверлить, а растягивать и крошить пробку. Перед вставлением трубок полученные отверстия сма­зывают глицерином или вазелиновым маслом, а то и просто водой, трубки захватывают пальцами в непосредственной бли­зости от отверстия в пробке.

Смазывать в лабораториях приходится прежде всего шлифы (см. Разд. 2.5). Обычные стеклянные шлифы в сухом состоянии не являются герметичными даже при весьма тщательном изго­товлении и без смазки при поворачивании одной пришлифо­ванной поверхности относительно другой на них появляются задиры, выводящие шлиф из строя. (У шлифов, поверхности которых неточно прилегают друг к другу, никакой смазкой нельзя добиться герметичности.)

Замазки и уплотняющие средства предназначены для фиксирования уже имеющегося надежного механического контак поверхностей деталей и частей установки.

К смазкам предъявляют довольно высокие требования: они должны обладать химической стойкостью, нерастворимостью хранящейся или протекающей жидкости, выдерживать нагрев до 100 °С, а при работе с вакуумом - обладать низким давлением пара. Вязкость смазки должна обеспечивать возможность поворачивания пришлифованных поверхностей друг относительно друга без потери герметичности, но не должна при этом выда­вливаться из шлифа.

В природе нет универсальных смазок и замазок, устойчивых, ко всем химическим и температурным воздействиям. Поэтому в любой рекомендации трудно предвидеть все обстоятельства, с которыми может столкнуться экспериментатор.

Выбор смазки и замазки зависит во многом от опыта его работы.

Ниже приведены лишь наиболее часто употребляемые смазки и замазки, многие из которых можно приготовить в химическолаборатории.

Жировая смазка Рамзая используется при работе с вакуумом. Она представляет собой раствор сырого каучука в вазелине парафине. Для ее получения смешивают сырой каучук, вазелин и парафин в соотношениях от 7:3:1 до 16:8:1.

Сначала в химический стакан (см. разд. 2.1) помещают вазелин и ставят на паровую баню (см. разд. 6.1), затем добавляют кусочки каучука, после чего стакан закрывают часовым стеклом и оставляют стоять на бане до тех пор, пока весь каучук не перейдет в раствор. Только тогда в раствор добавляют кусочки парафина до полного их растворения.

Давление пара смазки Рамзая при 20 °С не превышает 0,013 Па.

Рамзай Уильям (1852-1916) - английский химик и физик, открывший несколько благородных газов, лауреат Нобелевской премии.