Седиментационный потенциал возникает, когда диспергированные частицы движутся в среде под действием силы тяжести или центрифугирования . Это движение нарушает равновесную симметрию двойного слоя частицы . Во время движения частицы ионы в двойном электрическом слое отстают из-за потока жидкости. Это вызывает небольшое смещение между поверхностным зарядом и электрическим зарядом от диффузного слоя . В результате движущаяся частица создает дипольный момент . Сумма всех диполей создает электрическое поле, которое называется седиментационным потенциалом.. Его можно измерить при разомкнутой электрической цепи, что также называется током седиментации .
Этот эффект подробно описан во многих книгах по науке о коллоидах и интерфейсах . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Поверхностная энергия
Электрокинетические явления - это семейство нескольких различных эффектов, которые происходят в гетерогенных жидкостях или в пористых телах, заполненных жидкостью. Сумма этих явлений связана с воздействием на частицу извне, что приводит к чистому электрокинетическому эффекту.
Общий источник всех этих эффектов проистекает из межфазного «двойного слоя» зарядов. Частицы, находящиеся под воздействием внешней силы, создают тангенциальное движение жидкости по отношению к соседней заряженной поверхности. Эта сила может состоять из электричества, градиента давления, градиента концентрации, силы тяжести. Кроме того, движущаяся фаза может быть либо непрерывной текучей, либо дисперсной фазой.
Седиментационный потенциал - это область электрокинетических явлений, связанных с генерацией электрического поля за счет осаждения коллоидных частиц.
История моделей
Это явление было впервые обнаружено Дорном в 1879 году. Он заметил, что вертикальное электрическое поле возникло в суспензии стеклянных шариков в воде, когда шарики оседали. Это было источником седиментационного потенциала, который часто называют эффектом Дорна.
Смолуховский построил первые модели для расчета потенциала в начале 1900-х годов. Бут создал общую теорию седиментационного потенциала в 1954 году, основанную на теории электрофореза Овербика 1943 года. В 1980 году Стигтер расширил модель Бута, чтобы учесть более высокие поверхностные потенциалы. Охшима создал модель, основанную на модели О'Брайена и Уайта 1978 года, которая использовалась для анализа скорости седиментации одной заряженной сферы и седиментационного потенциала разбавленной суспензии.
Создание потенциала
Когда заряженная частица движется под действием силы тяжести или центрифугирования, индуцируется электрический потенциал . Пока частица движется, ионы в двойном электрическом слое отстают, создавая общий дипольный момент из-за потока жидкости. Сумма всех диполей на частице - это то, что вызывает седиментационный потенциал. Седиментационный потенциал имеет противоположный эффект по сравнению с электрофорезом, когда к системе прикладывается электрическое поле. Ионная проводимость часто упоминается, когда речь идет о седиментационном потенциале.
Следующее соотношение обеспечивает меру потенциала седиментации из-за оседания заряженных сфер. Впервые обнаружен Смолуховским в 1903 и 1921 годах. Это соотношение справедливо только для неперекрывающихся двойных электрических слоев и для разбавленных суспензий. В 1954 году Бут доказал, что эта идея верна для стеклянного порошка Pyrex, оседающего в растворе KCl. Из этого соотношения, седиментационный потенциал E S не зависит от радиуса частицы и от того, что E S → 0, Φ p → 0 (отдельная частица).
Седиментационный потенциал Смолуховского определяется , где ε 0 является проницаемость свободного пространства, D безразмерная диэлектрическая проницаемость, ξ дзета - потенциал, г ускорение силы тяжести, Φ частица объемная доля, ρ плотность частиц, ρ о плотности среды, λ - удельная объемная проводимость и η - вязкость. [8]
Смолуховский разработал уравнение при пяти предположениях:
- Частицы бывают сферическими, непроводящими и монодисперсными.
- Возникает ламинарное обтекание частиц (число Рейнольдса <1).
- Межчастичные взаимодействия незначительны.
- Поверхностная проводимость незначительна.
- Толщина двойного слоя 1 / κ мала по сравнению с радиусом частицы a (κa >> 1). [8]
Где D i - коэффициент диффузии i-го растворенного вещества, а n i∞ - числовая концентрация раствора электролита.
Модель Охимы была разработана в 1984 году и первоначально использовалась для анализа скорости седиментации одиночной заряженной сферы и седиментационного потенциала разбавленной суспензии. Представленная ниже модель верна для разбавленных суспензий с низким дзета-потенциалом, т.е. e ζ / κ B T ≤2
Тестирование
Измерение
Потенциал седиментации измеряется путем прикрепления электродов к стеклянной колонке, заполненной интересующей дисперсией. Для измерения потенциала, генерируемого подвеской, прилагается вольтметр . Чтобы учесть различную геометрию электрода, колонку обычно поворачивают на 180 градусов при измерении потенциала. Эта разница потенциалов при повороте на 180 градусов вдвое превышает потенциал седиментации. Дзета - потенциал может быть определен путем измерения с помощью седиментационного потенциала, как концентрация, проводимость суспензии, плотность частицы, и разность потенциалов известно. Поворачивая колонку на 180 градусов, можно не учитывать отклонения и геометрические различия колонны. [9]
В случае концентрированных систем дзета-потенциал может быть определен путем измерения седиментационного потенциала. , от разности потенциалов относительно расстояния между электродами. Остальные параметры представляют собой следующее: вязкость среды; объемная проводимость; относительная диэлектрическая проницаемость среды;диэлектрическая проницаемость свободного пространства; плотность частицы; плотность среды; ускорение свободного падения; σ ∞ - электрическая проводимость объемного раствора электролита. [9]
Ячейка улучшенной конструкции была разработана для определения седиментационного потенциала, удельной проводимости, объемной доли твердых веществ, а также pH. В этой установке используются две пары электродов: одна для измерения разности потенциалов, а другая - для сопротивления. Перекидной переключатель используется, чтобы избежать поляризации электродов сопротивления и накопления заряда за счет переменного тока. PH системы можно было контролировать, а электролит втягивали в трубку с помощью вакуумного насоса. [10]
Приложения
Применение фракционирования потока в поле седиментации (SFFF)
Фракционирование потока в поле седиментации (SFFF) - это метод неразрушающего разделения, который может использоваться как для разделения, так и для сбора фракций. Некоторые области применения SFFF включают определение размера частиц латексных материалов для клеев, покрытий и красок, коллоидного кремнезема для связующих, покрытий и компаундов, пигментов оксида титана для красок, бумаги и текстиля, эмульсии для безалкогольных напитков и биологических материалов, таких как вирусы и другие материалы. липосомы. [11]
Некоторые основные аспекты SFFF включают в себя: он обеспечивает возможности высокого разрешения для измерений распределения размеров с высокой точностью, разрешение зависит от условий эксперимента, типичное время анализа составляет от 1 до 2 часов, и это неразрушающий метод, который предлагает возможность сбора фракции. [11]
Анализ размера частиц путем фракционирования потока в поле седиментации
Поскольку фракционирование в полевом потоке (SFFF) является одним из методов разделения фракционированием в полевом потоке, оно подходит для фракционирования и определения характеристик твердых частиц и растворимых образцов в диапазоне размеров коллоидов. Различия во взаимодействии поля центробежной силы с частицами разной массы или размера приводят к разделению. Экспоненциальное распределение частиц определенного размера или веса является результатом броуновского движения. Некоторые из допущений для разработки теоретических уравнений включают в себя отсутствие взаимодействия между отдельными частицами и равновесие может возникнуть где угодно в разделительных каналах. [11]
Смотрите также
Различные комбинации движущей силы и фазы движения определяют различные электрокинетические эффекты. Следуя «Основам интерфейса и коллоидной науки» Ликлема (1995), полное семейство электрокинетических явлений включает:
Электрокинетическое явление | Описание мероприятия |
---|---|
Электрофорез | как движение частиц под действием электрического поля |
Электроосмос | как движение жидкости в пористом теле под действием электрического поля |
Диффузиофорез | как движение частиц под действием градиента химического потенциала |
Капиллярный осмос | как движение жидкости в пористом теле под действием градиента химического потенциала |
Потоковый потенциал / ток | как электрический потенциал или ток, генерируемый жидкостью, движущейся через пористое тело, или относительно плоской поверхности |
Коллоидный вибрационный ток | как электрический ток, генерируемый частицами, движущимися в жидкости под действием ультразвука |
Электрическая акустическая амплитуда | как ультразвук, создаваемый коллоидными частицами в колеблющемся электрическом поле. |
Рекомендации
- ^ Lyklema, J. "Основы интерфейсной и коллоидной науки", том 2, стр. 3.208, 1995
- ^ Хантер, RJ "Основы коллоидной науки", Oxford University Press, 1989
- ^ Духин, SS & Дерягин Б.В. "Электрокинетическое Явление", J.Willey и Sons, 1974
- Перейти ↑ Russel, WB, Saville, DA и Schowalter, WR «Коллоидные дисперсии», Cambridge University Press, 1989
- ^ Kruyt, HR "Colloid Science", Elsevier: Volume 1, Необратимые системы, (1952)
- ^ Духин, А.С. и Гетц, П.Дж. Определение характеристик жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука , Elsevier, 2017 ISBN 978-0-444-63908-0
- ^ Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0.
- ^ а б Марлоу, Брюс Дж .; Роуэлл, Роберт Л. (1985). «Седиментационный потенциал в водных электролитах». Ленгмюра . 1 (1): 83–90. DOI : 10.1021 / la00061a013 . ISSN 0743-7463 .
- ^ а б Одзаки, Масатака; Андо, Томоюки; Мизуно, Кендзи (1999). «Новый метод измерения седиментационного потенциала: метод вращающейся колонки». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты . 159 (2–3): 477–480. DOI : 10.1016 / S0927-7757 (99) 00278-2 . ISSN 0927-7757 .
- ^ Уддин, S .; Мирнезами, М., Финч, Дж. А. «Характеристика поверхности одиночных и смешанных минеральных систем с использованием седиментационного потенциала». Общество минералов, металлов и материалов 2010
- ^ а б в Merkus, HG; Mori, Y .; Скарлетт Б. (1989). «Гранулометрический анализ путем фракционирования потока в поле седиментации. Производительность и применение». Коллоидная и полимерная наука . 267 (12): 1102–1107. DOI : 10.1007 / BF01496931 . ISSN 0303-402X . S2CID 98181572 .
- Ананд Плаппалли, Альфред Собойехо, Норман Фоси, Уинстон Собойеджо и Ларри Браун, « Стохастическое моделирование щелочности фильтрата в устройствах для фильтрации воды: перенос через керамические материалы на основе микро / нанопористой глины » J Nat Env Sci 2010 1 (2): 96-105 .