Осмотические свойства

 

Осмос — это движение растворителя через полупроницаемую перего­родку, причиной которого является наличие градиента концентрации. Осмо­тический поток воды навстречу диффузии ионов или коллоидных частиц вызван полупроницаемыми свойствами пористой среды. Если диффундирующие час­тицы благодаря размерам испытывают препятствие для свободного проник­новения через пористую перегородку, а молекулы воды легко проникают че­рез ее поры, то выравнивание концентраций по обе стороны перегородки осуществляется в результате осмоса — притока воды в раствор, обусловлива­ющего его разбавление. При этом в растворе создается избыток давления, которое называется осмотическим (Ржы). Осмотическое давление в равновес­ной системе подчиняется закономерности, установленной Вант-Гоффом:

Р = iRTC,

где Росм — осмотическое давление, МПа; R — газовая постоянная, Т — абсо­лютная температура, "К; С — молярная концентрация раствора, / — коэффи­циент Вант-Гоффа, близкий к 1.

В некоторых работах формула Вант-Гоффа была применена для глинистых систем, но в несколько иной форме. В отличие от коллоидных растворов, в которых и катионы, и анионы участвуют в образовании активных концентра­ций раствора, активность глин в нейтральной водной среде обусловлена лишь активной эффективной концентрацией их обменных катионов Ска в силу не­молекулярных размеров «макроанионов», являющихся зарядами поверхности твердых частиц глины. Если для глин экспериментально определить величину С.\ то формула будет представлена в виде

Р = RTC

где Ска — активная концентрация поверхностных (обменных) катионов (противоионов ДЭС) в поровом растворе, которая может быть найдена, напри­мер, по поверхностной проводимости глин. Осмотическое давление в глини­стых грунтах играет существенную роль при их набухании, однако оно не тождественно давлению набухания.

В грунтах осмос проявляется на микро - и на макроуровне. На микроуровне формируется осмотическая вода в пределах ДЭС. Избыток положительного заряда ДЭС способствует торможению анионов и как следствие — всего диф­фузионного потока, в то время как молекулы воды беспрепятственно диф­фундируют навстречу ему, пытаясь разбавить «более концентрированный ра­створ» в пределах ДЭС. Таким образом, внешняя граница ДЭС играет роль полупроницаемой перегородки. С этим и связано формирование осмотичес­кой воды в грунтах (см. гл. 4).

На макроуровне причиной осмоса в грунтах является возникновение диф­фузионного потенциала по направлению диффузии, причем отрицательный заряд скапливается в начале пути диффузии, поэтому поток воды в массиве направлен навстречу потоку диффузии, т. е. к отрицательному заряду.

Скорость осмотического передвижения влаги в дисперсных грунтах мож­но выразить в форме, аналогичной закону Дарси для фильтрации, используя понятие о коэффициенте осмоса:

V = К - дС/дх,

осм  осм ' '

где дС/дх — градиент концентрации; Кжм — коэффициент осмоса. Из этого уравнения следует, что К определяется скоростью осмотической фильтра­ции при единичном градиенте концентрации (табл. 11.1).

Наличие осмотического потока представляет собой фильтрационную ано­малию, так как осмотический поток в зависимости от направления может ускорять фильтрацию и диффузию или препятствовать им.

До этого речь шла о так называемом нормальном осмосе, когда обыч­ный осмотический поток, вызванный полупроницаемостью пористой среды, направлен навстречу градиенту концентрации. Однако он может менять на­правление на противоположное. Такой осмос называют аномальным. Причина его появления заключается в увлечении массовым потоком диффунди­рующих ионов молекул растворителя за собой — диффундирующие ионы «плывут», окруженные молекулами воды.

Б. В.Рельтов с сотрудниками наблюдал в глинах при перепаде концентра­ции раствора от 1 до 10% аномальный осмос, а при больших концентрациях (30%-й раствор) — нормальный осмос. Основные экспериментальные выво­ды И. А.Брилинг и Б. В.Рельтова сводятся к следующему: в более легких гли­нистых породах осмос имеет обратное направление, т. е. совпадает с направ­лением диффузии и является аномальным, который возрастает с увеличени­ем среднего радиуса пор. Кроме того, осмотический поток может возникнуть и при наличии неравномерного засоления и небольших градиентов концент­раций.

Интенсивность осмотических процессов в дисперсных грунтах зависит от тех же внутренних и внешних (физических) факторов, что и диффузия. В наи­большей степени осмотические процессы в грунтах проявляются при нали­чии в них развитых ДЭС. В соответствии с этим на величину коэффициента осмоса будут влиять те же факторы, которые влияют на параметры ДЭС: минеральный состав, вид обменных катионов и концентрация порового ра­створа электролита и т. д. (см. гл.8). Поэтому при прочих одинаковых условиях коэффициент осмоса выше в незасоленных монтмориллонитовых глинах, чем в каолинитовых. Гидрослюдистые глины занимают промежуточное положе­ние. Поскольку увеличение концентрации электролита порового раствора по­давляет диффузную часть ДЭС, это приводит к снижению коэффициента ос­моса.

Влияние влажности на осмотическую фильтрацию исследовалось Н. П.За­тенацкой, установившей, что интенсивность проявления осмотической филь­трации зависит от содержания всех категорий воды в грунтах. Она установила, что чем больше в грунтах влажность, тем выше скорость осмотической филь­трации, и наоборот, с понижением влажности V снижается. Согласно А. Н.Галкину (1999), зависимость коэффициента осмоса глинистых грунтов от влажности имеет нелинейный характер с максимумом, близким к влажности свободного набухания (рис. 11.22).

Увеличение Кжи с ростом влажности на начальном участке этого графика связано с постепенным ростом толщины водных пленок и ДЭС, степень пе­рекрытия которых при этом также снижается и исчезает при влажности набу­хания. При этой влажности диффузные слои вокруг частиц полностью разви­ты и осмос проявляется в полной мере. Причиной же дальнейшего снижения Косм является «разбавление» 4 системы и снижение роли ДЭС при более высокой влажности.


Таким образом, осмо­тические и диффузионные процессы имеют наиболее важное значение в та­ких грунтах, где подавлены или незначительны другие процессы массопереноса, в частности — фильтрация. В наибольшей мере они проявляются в гли­нистых грунтах.