Диффузиофорез - это спонтанное движение коллоидных частиц или молекул в жидкости , вызванное градиентом концентрации другого вещества. [1] [2] [3] Другими словами, это движение одного вида A в ответ на градиент концентрации другого вида B. Обычно A - это коллоидные частицы, которые находятся в водном растворе, в котором B представляет собой растворенная соль, такая как хлорид натрия, и поэтому частицы A намного больше, чем ионы B. Но и A, и B могут быть молекулами полимера, а B может быть небольшой молекулой. Например, градиенты концентрации в растворах этанола в воде перемещают коллоидные частицы диаметром 1 мкм с диффузиофоретическими скоростями.порядка 0,1–1 мкм / с, движение идет к областям раствора с более низкой концентрацией этанола (и, следовательно, с более высокой концентрацией воды). [4] Оба вида A и B обычно диффундируют, но диффузиофорез отличается от простой диффузии : при простой диффузии вид A движется вниз по градиенту своей собственной концентрации.
Диффузиоосмос, также называемый капиллярным осмосом, представляет собой течение раствора относительно неподвижной стенки или поверхности пор, где поток управляется градиентом концентрации в растворе. Это отличается от потока относительно поверхности, управляемого градиентом гидростатического давления в жидкости. При диффузиоосмосе гидростатическое давление равномерно, а поток обусловлен градиентом концентрации.
Диффузиоосмос и диффузиофорез - это, по сути, одно и то же явление. Они оба представляют собой относительное движение поверхности и раствора, вызванное градиентом концентрации в растворе. Это движение называется диффузиофорезом, когда раствор считается статическим, а частицы движутся в нем из-за относительного движения жидкости на поверхности этих частиц. Термин диффузиоосмос используется, когда поверхность рассматривается как статическая, а раствор течет.
Хорошо изученным примером диффузиофореза является движение коллоидных частиц в водном растворе раствора электролита , где градиент концентрации электролита вызывает движение коллоидных частиц. [4] [5] Коллоидные частицы могут быть сотнями нанометров или больше в диаметре, в то время как область межфазного двойного слоя на поверхности коллоидной частицы будет иметь ширину порядка дебаевской длины , а обычно она составляет всего нанометры. Таким образом, здесь межфазная ширина намного меньше, чем размер частицы, а затем градиент в более мелких частицах вызывает диффузиофоретическое движение коллоидных частиц в основном за счет движения в межфазном двойном слое . [1]
Диффузиофорез был впервые изучен Дерягиным с сотрудниками в 1947 году [6].
Применение диффузиофореза
Диффузиофорез, по определению, перемещает коллоидные частицы, поэтому диффузиофорез применяется в ситуациях, когда мы хотим перемещать коллоидные частицы. Коллоидные частицы обычно имеют размер от 10 нанометров до нескольких микрометров. Простая диффузия коллоидов происходит быстро на масштабах длины в несколько микрометров, поэтому диффузиофорез не будет полезен, тогда как на масштабах длин больше миллиметров диффузиофорез может быть медленным, поскольку его скорость уменьшается с уменьшением размера градиента концентрации растворенного вещества. Таким образом, обычно диффузиофорез применяется на шкале длины приблизительно в диапазоне от микрометра до миллиметра. Применения включают перемещение частиц в поры такого размера или из них [5], а также содействие или предотвращение смешивания коллоидных частиц. [7]
Кроме того, твердые поверхности, которые медленно растворяются, будут создавать рядом с ними градиенты концентрации, и эти градиенты могут стимулировать движение коллоидных частиц к поверхности или от нее. Это было изучено Приве [8] на примере частиц латекса, которые притягиваются к растворяющейся стальной поверхности и покрывают ее.
Связь между дифузиофорезом / диффузиоосмосом и термофорезом, многокомпонентной диффузией и эффектом Марангони
Диффузиофорез - явление, аналогичное термофорезу , когда разновидность А перемещается в ответ на температурный градиент. И диффузиофорез, и термофорез регулируются взаимными отношениями Онзагера . Проще говоря, градиент любой термодинамической величины, такой как концентрация любого вещества или температура, будет управлять движением всех термодинамических величин, то есть движением всех присутствующих веществ, и температурным потоком. Каждый градиент обеспечивает термодинамическую силу, которая перемещает присутствующие виды, а взаимные отношения Онзагера определяют соотношение между силами и движениями.
Диффузиофорез - частный случай многокомпонентной диффузии . Многокомпонентная диффузия - это диффузия в смесях, а диффузиофорез - это особый случай, когда нас интересует движение одного вида, который обычно представляет собой коллоидную частицу, в градиенте гораздо меньших частиц, таких как растворенная соль, такая как хлорид натрия в воде. или смешивающаяся жидкость, такая как этанол в воде. Таким образом, диффузиофорез всегда происходит в смеси, обычно в трехкомпонентной смеси воды, соли и коллоидных частиц, и нас интересует перекрестное взаимодействие между солью и коллоидной частицей.
Это очень большая разница в размере между коллоидной частицей, которая может составлять 1 мкм в диаметре, и размером ионов или молекул, которые имеют диаметр менее 1 нм, что делает диффузиофорез тесно связанным с диффузиооосомозом на плоской поверхности. В обоих случаях силы, приводящие в движение, в основном локализованы в межфазной области, которая составляет несколько молекул в поперечнике и, как правило, порядка нанометра. На расстояниях порядка нанометра разница между поверхностью коллоидной частицы диаметром 1 мкм и плоской поверхностью незначительна.
Диффузиоосмос - это течение жидкости на твердой поверхности, или, другими словами, течение на границе раздела твердое тело / жидкость. Эффект Марангони - это течение на границе раздела жидкость / жидкость. Таким образом, эти два явления аналогичны с той разницей, что при диффузиоосмосе одна из фаз является твердой. И диффузиоосмос, и эффект Марангони вызваны градиентами межфазной свободной энергии, т. Е. В обоих случаях индуцированные скорости равны нулю, если межфазная свободная энергия однородна в пространстве, и в обоих случаях, если есть градиенты, скорости направлены вдоль направление увеличения межфазной свободной энергии. [9]
Теория диффузиоосмотического течения раствора.
При диффузиоосмосе для покоящейся поверхности скорость увеличивается от нуля на поверхности до диффузиоосмотической скорости по ширине границы раздела между поверхностью и раствором. За пределами этого расстояния диффузионноосмотическая скорость не меняется с расстоянием от поверхности. Движущая сила диффузииоосмоса является термодинамической, то есть она действует, уменьшая свободную энергию в системе, и поэтому направление потока направлено от поверхностных областей с низкой поверхностной свободной энергией к областям с высокой поверхностной свободной энергией. Для растворенного вещества, которое адсорбируется на поверхности, диффузионноосмотический поток находится вдали от областей с высокой концентрацией растворенного вещества, в то время как для растворенных веществ, которые отталкиваются поверхностью, поток находится вдали от областей с низкой концентрацией растворенного вещества.
Для не слишком больших градиентов скорость диффузионноосмотического скольжения, т. Е. Относительная скорость потока вдали от поверхности, будет пропорциональна градиенту градиента концентрации [1] [10]
где - коэффициент диффузиоосмотичности, а - концентрация растворенного вещества. Когда растворенное вещество является идеальным и взаимодействует с поверхностью в самолет в через потенциальную , коэффициент дается [1]
где - постоянная Больцмана , - абсолютная температура, а - вязкость в межфазной области, которая считается постоянной на границе раздела. Это выражение предполагает, что скорость жидкости, контактирующей с поверхностью, принудительно равна нулю из-за взаимодействия между жидкостью и стенкой. Это называется условием прилипания .
Чтобы лучше понять эти выражения, мы можем рассмотреть очень простую модель, в которой поверхность просто исключает идеальное растворенное вещество из границы раздела шириной , это будет модель Асакуры-Осавы идеального полимера на твердой стене. [11] Тогда интеграл просто а скорость диффузиоосмотического скольжения
Обратите внимание, что скорость скольжения направлена в сторону увеличения концентрации растворенного вещества.
Частица намного больше, чем движется с диффузиофоретической скоростью относительно окружающего раствора. Таким образом, диффузиофорез в данном случае перемещает частицы в сторону более низких концентраций растворенных веществ.
Вывод диффузиоосмотической скорости из потока Стокса
В этой простой модели также может быть получено непосредственно из выражения для потока жидкости [10] [1] [11] в пределе Стокса для несжимаемой жидкости , который равен
для скорость потока жидкости и давление. Рассмотрим бесконечную поверхность в самолет в , и обеспечьте соблюдение там граничных условий, т. е. . Возьмем градиент концентрации вдоль ось, т. е. . Тогда единственная ненулевая составляющая скорости потока находится вдоль x, , а это зависит только от высоты . Таким образом, единственный ненулевой компонент уравнения Стокса - это
При диффузииоосмосе в объеме жидкости (т.е. вне границы раздела) предполагается, что гидростатическое давление является однородным (поскольку мы ожидаем, что любые градиенты релаксируют потоком жидкости) и, следовательно, в объеме [11] [10 ]
для вклад растворителя в гидростатическое давление, и вклад растворенного вещества, называемый осмотическим давлением . Таким образом, в объеме градиенты подчиняются
Как мы и предполагали, растворенное вещество идеально, , и другие
Наше растворенное вещество исключено из области шириной (межфазная область) от поверхности, и так в интерфейсе , и так там . Предполагая непрерывность вклада растворителя в границу раздела, мы имеем градиент гидростатического давления на границе раздела.
т.е. на границе раздела существует градиент гидростатического давления, равный отрицательному объему градиента осмотического давления. Именно этот градиент на границе раздела гидростатического давлениячто создает диффузионоосмотический поток. Теперь, когда у нас есть, мы можем подставить в уравнение Стокса и дважды проинтегрировать, тогда
где , , а также - константы интегрирования. Вдали от поверхности скорость потока должна быть постоянной, поэтому. Мы установили нулевую скорость потока при, так . Затем наложение непрерывности там, где поверхность соприкасается с основной частью, т. Е. Вынуждая а также быть непрерывным в мы определяем а также , и так получить
Что дает, как и следовало бы, то же выражение для скорости скольжения, что и выше. Этот результат относится к конкретной и очень простой модели, но он действительно иллюстрирует общие особенности диффузиоосмообразования: 1) гидростатическое давление, по определению ( поток, вызванный градиентами давления в объеме, является обычным, но отдельным физическим явлением), однородным в объеме. , но существует градиент давления на границе раздела 2) этот градиент давления на границе раздела вызывает изменение скорости в направлении, перпендикулярном поверхности, и это приводит к скорости скольжения, т. е. для основной части жидкости двигаться относительно поверхности; 3) вдали от границы раздела скорость постоянна, этот тип потока иногда называют поршневым потоком .
Диффузиофорез в солевых растворах
Во многих приложениях диффузиофореза движение обусловлено градиентами концентрации соли (электролита) [2] [3], например хлорида натрия в воде. Коллоидные частицы в воде обычно заряжены, и на их поверхности существует электростатический потенциал, называемый дзета-потенциалом . Эта заряженная поверхность коллоидной частицы взаимодействует с градиентом концентрации соли, и это приводит к диффузиофоретической скоростидано [3] [5]
где это диэлектрическая проницаемость воды, вязкость воды, - дзета-потенциал коллоидной частицы в солевом растворе,- приведенная разница между константой диффузии положительно заряженного иона, , а константа диффузии отрицательно заряженного иона , а также - концентрация соли. - это градиент, то есть скорость изменения с положением логарифма концентрации соли, которая эквивалентна скорости изменения концентрации соли, деленной на концентрацию соли - это фактически единица на расстоянии, на котором концентрация уменьшается в e раз. Приведенное выше уравнение является приблизительным и действительно только для электролитов 1: 1, таких как хлорид натрия.
Обратите внимание, что есть два вклада в диффузиофорез заряженной частицы в солевом градиенте, которые приводят к двум членам в приведенном выше уравнении для . Первый из-за того, что всякий раз, когда есть градиент концентрации соли, тогда, если константы диффузии положительных и отрицательных ионов точно не равны друг другу, возникает электрическое поле, т. Е. Градиент действует как конденсатор. . Это электрическое поле, создаваемое солевым градиентом, запускает электрофорез заряженной частицы точно так же, как и внешнее электрическое поле. Это приводит к возникновению первого члена в приведенном выше уравнении, т. Е. Диффузиофореза со скоростью.
Вторая часть связана с поверхностной свободной энергией поверхности заряженной частицы, уменьшающейся с увеличением концентрации соли, это аналогичный механизм, обнаруженный при диффузиофорезе в градиентах нейтриальных веществ. Это приводит к возникновению второй части диффузиофоретической скорости. Обратите внимание, что эта простая теория предсказывает, что этот вклад в диффузиофоретическое движение всегда выше градиента концентрации соли, он всегда перемещает частицы в сторону более высокой концентрации соли. Напротив, знак вклада электрического поля в диффузиофорез зависит от знака. Так, например, для отрицательно заряженной частицы, и если положительно заряженные ионы диффундируют быстрее, чем отрицательно заряженные, то этот член толкает частицы вниз по солевому градиенту, но если отрицательно заряженные ионы диффундируют быстрее, то этот член толкает частицы вверх по солевому градиенту.
Практическое применение
Группа из Принстонского университета [12] сообщила о применении диффузиофореза для очистки воды. Загрязненная вода обрабатывается CO 2 для создания угольной кислоты и разделения воды на поток сточных вод и поток питьевой воды. [13] Это позволяет легко разделить взвешенные частицы ионами. Это дает огромные затраты на электроэнергию и возможность экономии времени, чтобы сделать питьевую воду безопасной по сравнению с традиционными методами фильтрации воды для источников грязной воды.
Смотрите также
- Эффект Марангони - аналог диффузиоосмоса на границе раздела жидкость / жидкость
- Электрофорез
- Термофорез
- Электрокинетические явления
Рекомендации
- ^ а б в г д Андерсон, JL (1989-01-01). «Коллоидный транспорт межфазными силами». Ежегодный обзор гидромеханики . 21 (1): 61–99. Bibcode : 1989AnRFM..21 ... 61А . DOI : 10.1146 / annurev.fl.21.010189.000425 .
- ^ а б Андерсон, Джон Л. (1986-05-01). «Транспортные механизмы биологических коллоидов». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 469 (1): 166–177. Bibcode : 1986NYASA.469..166A . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1986.tb26495.x .
- ^ а б в Велегол, Даррелл; Гарг, Астха; Гуха, Раджарши; Кар, Абхишек; Кумар, Маниш (25 мая 2016 г.). «Происхождение концентрационных градиентов для диффузиофореза». Мягкая материя . 12 (21): 4686–4703. Bibcode : 2016SMat ... 12.4686V . DOI : 10.1039 / c6sm00052e . PMID 27174044 .
- ^ а б Paustian, Joel S .; Angulo, Craig D .; Нери-Азеведо, Родриго; Ши, Нан; Абдель-Фаттах, Амр I .; Сквайрс, Тодд М. (21 апреля 2015 г.). «Прямые измерения коллоидного сольвофореза при наложенных растворителях и градиентах растворенных веществ» . Ленгмюра . 31 (15): 4402–4410. DOI : 10.1021 / acs.langmuir.5b00300 . PMID 25821916 .
- ^ а б в Шин, Сангу; Эм, Юджин; Сабасс, Бенедикт; Олт, Джесси Т .; Рахими, Мохаммад; Уоррен, Патрик Б.; Стоун, Ховард А. (12 января 2016 г.). «Зависимый от размера контроль переноса коллоидов через градиенты растворенных веществ в тупиковых каналах» . Труды Национальной академии наук . 113 (2): 257–261. Bibcode : 2016PNAS..113..257S . DOI : 10.1073 / pnas.1511484112 . PMC 4720330 . PMID 26715753 .
- ^ Дерягин, Б.В., Сидоренко, Г.П., Зубашенко, Е.А., Киселева, Е.Б., Коллоид Ж. , vol.9, # 5, 335–348 (1947).
- ^ Дезень, Жюльен; Коттен-Бизон, Сесиль; Stroock, Abraham D .; Боке, Лидерик; Иберт, Кристоф (18.06.2014). «Как« щепотка соли »может настроить хаотическое перемешивание коллоидных суспензий». Мягкая материя . 10 (27): 4795–9. arXiv : 1403,6390 . Bibcode : 2014SMat ... 10.4795D . DOI : 10.1039 / c4sm00455h . PMID 24909866 .
- ^ Приве, Деннис К. (1982). «Миграция коллоидной частицы в градиенте концентрации электролита». Достижения в коллоидной и интерфейсной науке . 16 (1): 321–335. DOI : 10.1016 / 0001-8686 (82) 85022-7 .
- ^ Рукенштейн, Эли (1981). «Можно ли рассматривать форетические движения как явление, вызванное градиентом межфазного натяжения?». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 83 (1): 77–81. Bibcode : 1981JCIS ... 83 ... 77R . DOI : 10.1016 / 0021-9797 (81) 90011-4 .
- ^ а б в Брэди, Джон Ф. (2011). «Движение частиц, управляемое градиентами растворенных веществ, применительно к автономному движению: континуум и коллоидные перспективы» (PDF) . Журнал гидромеханики . 667 : 216–259. Bibcode : 2011JFM ... 667..216B . DOI : 10.1017 / s0022112010004404 .
- ^ а б в Sear, Ричард П .; Уоррен, Патрик Б. (2017). «Диффузиофорез в растворах неадсорбирующихся полимеров: модель Асакура-Осава и стратификация при сушке пленок». Physical Review E . 96 (6): 062602. arXiv : 1709.00704 . Bibcode : 2017PhRvE..96f2602S . DOI : 10.1103 / physreve.96.062602 . PMID 29347396 .
- ^ Шин, Сангу; Шардт, Орест; Уоррен, Патрик Б.; Стоун, Ховард А. (2017-05-02). «Безмембранная фильтрация воды с использованием CO 2 » . Nature Communications . 8 : 15181. Bibcode : 2017NatCo ... 815181S . DOI : 10.1038 / ncomms15181 . PMC 5418569 . PMID 28462929 .
- ^ «Способ сделать воду пригодной для питья с помощью углекислого газа» . Экономист . 2017-05-18 . Проверено 29 апреля 2018 .
дальнейшее чтение
- Андерсон, Джон Л .; Приве, Деннис С. (2006). «Диффузиофорез: миграция коллоидных частиц в градиентах концентрации растворенного вещества». Обзоры разделения и очистки . 13 (1): 67–103. DOI : 10.1080 / 03602548408068407 .