Потенциал седиментации

Потенциал седиментации возникает, когда дисперсные частицы под действием силы тяжести , центрифугирования или электричества движутся в среде частицы . Это движение нарушает равновесную симметрию двойного слоя . При движении частицы ионы в двойном электрическом слое отстают от потока жидкости. Это вызывает небольшое смещение между поверхностным зарядом и электрическим зарядом диффузного слоя . В результате движущаяся частица создает дипольный момент . Сумма всех диполей создает электрическое поле, которое называется потенциалом седиментации . Его можно измерить с помощью разомкнутой электрической цепи, которую еще называют током седиментации .

Подробные описания этого эффекта есть во многих книгах по коллоидной и межфазной науке . ^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]

Поверхностная энергия

Предыстория явления

Электрокинетические явления — это совокупность нескольких различных эффектов, возникающих в гетерогенных жидкостях или в пористых телах, заполненных жидкостью. Сумма этих явлений связана с воздействием на частицу извне, что приводит к чистому электрокинетическому эффекту.

Общим источником всех этих эффектов является межфазный «двойной слой» зарядов. Частицы под действием внешней силы создают тангенциальное движение жидкости относительно соседней заряженной поверхности. Эта сила может состоять из электрической силы, градиента давления, градиента концентрации, гравитации. Кроме того, движущаяся фаза может представлять собой либо непрерывную текучую, либо дисперсную фазу.

Седиментационный потенциал — это область электрокинетических явлений, связанных с генерацией электрического поля при осаждении коллоидных частиц.

История моделей

Это явление было впервые обнаружено Дорном в 1879 году. Он заметил, что в суспензии стеклянных шариков в воде по мере их осаждения возникало вертикальное электрическое поле. Это послужило причиной возникновения потенциала седиментации, который часто называют эффектом Дорна.

Смолуховский построил первые модели для расчета потенциала в начале 1900-х годов. Бут создал общую теорию потенциала седиментации в 1954 году на основе теории электрофореза Овербека 1943 года. В 1980 году Стигтер расширил модель Бута, включив в нее более высокие поверхностные потенциалы. Ошима создал модель, основанную на модели О'Брайена и Уайта 1978 года, которая использовалась для анализа скорости седиментации одиночной заряженной сферы и потенциала седиментации разбавленной суспензии.

Генерация потенциала

Когда заряженная частица движется под действием гравитационной силы или центрифугирования, электрический потенциал индуцируется . Пока частица движется, ионы в двойном электрическом слое отстают, создавая чистый дипольный момент из-за потока жидкости. Сумма всех диполей на частице является причиной потенциала седиментации. Потенциал седиментации имеет противоположный эффект по сравнению с электрофорезом , когда к системе прикладывается электрическое поле. Ионную проводимость часто называют, когда речь идет о потенциале седиментации.

Следующее соотношение дает меру потенциала седиментации из-за осаждения заряженных сфер. Впервые открыт 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 справедлива для порошка стекла Pyrex, осаждающегося в растворе KCl. Из этого соотношения потенциал седиментации E _S не зависит от радиуса частицы и что E _S → 0, Φ _p → 0 (отдельная частица).

                          $E_{s}=-{\frac {\varepsilon \zeta (\rho -\rho _{0})\phi _{p}g}{\sigma ^{\infty }\eta }}$

Потенциал седиментации Смолуховского определяется где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, D — безразмерная диэлектрическая проницаемость, ξ — дзета-потенциал, g — ускорение свободного падения, Φ — объемная доля частиц, ρ — плотность частиц, ρ _— плотность среды, λ — удельная объемная проводимость, η — вязкость. ^[8]

Смолуховский разработал уравнение при пяти предположениях:

Частицы сферические, непроводящие и монодисперсные.
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]

                                $\sigma ^{\infty }={\frac {e^{2}}{k_{B}T}}\sum z_{i}^{2}D_{i}n_{i\infty }$

Где D _i — коэффициент диффузии i- го вида растворенного вещества, а n _i∞ — числовая концентрация раствора электролита.

Модель Ошимы была разработана в 1984 году и первоначально использовалась для анализа скорости седиментации одиночной заряженной сферы и потенциала седиментации разбавленной суспензии. Представленная ниже модель справедлива для разбавленных суспензий с низким дзета-потенциалом, т.е. e ζ/κ _B T ≤2.

                            $E_{s}=-{\frac {\varepsilon \zeta (\rho -\rho _{0})\phi _{p}}{\sigma ^{\infty }\eta }}gH(\kappa \alpha )+\vartheta (\zeta ^{2})$

Тестирование

Измерение

Потенциал седиментации измеряют путем прикрепления электродов к стеклянной колонке, заполненной интересующей дисперсией. . вольтметр Для измерения потенциала, создаваемого подвеской, прилагается Чтобы учесть различную геометрию электрода, колонку обычно поворачивают на 180 градусов при измерении потенциала. Эта разница потенциалов при вращении на 180 градусов в два раза превышает потенциал седиментации. Дзета -потенциал можно определить путем измерения с помощью потенциала седиментации, поскольку известны концентрация, проводимость суспензии, плотность частиц и разность потенциалов. Повернув колонну на 180 градусов, можно игнорировать дрейф и различия в геометрии колонны. ^[9]

                              $\zeta ={\frac {\eta \lambda E_{s}}{\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}(\rho -\rho _{0})g}}$

В случае концентрированных систем зета-потенциал можно определить путем измерения потенциала седиментации. $E_{s}$ , от разности потенциалов относительно расстояния между электродами. Остальные параметры представляют собой следующее: $\eta$ вязкость среды; $\lambda$ объемная проводимость; $\varepsilon _{r}$ относительная диэлектрическая проницаемость среды; $\varepsilon _{0}$ диэлектрическая проницаемость свободного пространства; $\rho$ плотность частицы; $\rho _{0}$ плотность среды; $g$ – ускорение свободного падения; и σ ^∞ – электропроводность объемного раствора электролита. ^[9]

Была разработана ячейка улучшенной конструкции для определения потенциала седиментации, удельной проводимости, объемной доли твердых веществ, а также pH. В этой установке используются две пары электродов: одна для измерения разности потенциалов, а другая для измерения сопротивления. Перекидной переключатель используется, чтобы избежать поляризации резистивных электродов и накопления заряда при переменном токе. Можно было контролировать pH системы, а электролит всасывали в трубку с помощью вакуумного насоса. ^[10]

Приложения

Применение фракционирования потока в поле седиментации (SFFF)

Фракционирование потока в поле седиментации (SFFF) представляет собой метод неразрушающего разделения, который можно использовать как для разделения, так и для сбора фракций. Некоторые применения SFFF включают определение размера частиц латексных материалов для клеев, покрытий и красок, коллоидного диоксида кремния для связующих веществ, покрытий и компаундов, пигментов оксида титана для красок, бумаги и текстиля, эмульсий для безалкогольных напитков, а также биологических материалов, таких как вирусы и липосомы. ^[11]

Некоторые основные аспекты SFFF включают в себя: он обеспечивает возможности высокого разрешения для измерения распределения по размерам 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 дроби. ^[11]

Анализ размера частиц методом фракционирования потока в поле седиментации

Поскольку седиментационное фракционирование в полевом потоке (SFFF) является одним из методов разделения фракционированием в полевом потоке, оно подходит для фракционирования и определения характеристик сыпучих материалов и растворимых образцов в диапазоне размеров коллоидов. Различия во взаимодействии поля центробежных сил с частицами разной массы или размера приводят к разделению. Экспоненциальное распределение частиц определенного размера или веса является результатом броуновского движения. Некоторые из предположений для разработки теоретических уравнений включают отсутствие взаимодействия между отдельными частицами и равновесие может возникнуть в любом месте каналов разделения. ^[11]

См. также

Различные комбинации движущей силы и движущейся фазы определяют различные электрокинетические эффекты. Согласно «Основам взаимодействия и коллоидной науки» Ликлемы (1995), полное семейство электрокинетических явлений включает:

Электрокинетическое явление	Описание события
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 химического потенциала градиента
Капиллярный осмос	как движение жидкости в пористом теле под действием градиента химического потенциала
Потенциал/текущий стриминг	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 воздействием ультразвука
Электрическая звуковая амплитуда	как ультразвук, генерируемый коллоидными частицами в колеблющемся электрическом поле.

Ссылки

^ Ликлема, Дж. «Основы интерфейса и коллоидной науки», том 2, стр. 3.208, 1995 г.
^ Хантер, Р.Дж. «Основы коллоидной науки», Oxford University Press, 1989.
^ Духин, С.С. и Дерягин, Б.В. «Электрокинетические явления», J.Willey and Sons, 1974.
^ Рассел, В.Б., Сэвилл, Д.А. и Шовальтер, В.Р. «Коллоидные дисперсии», Cambridge University Press, 1989.
^ Круйт, HR "Коллоидная наука", Elsevier: Том 1, Необратимые системы, (1952)
^ Духин А.С. и Гетц П.Дж. Характеристика 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 .
^ Jump up to: ^а ^б Марлоу, Брюс Дж.; Роуэлл, Роберт Л. (1985). «Потенциал седиментации в водных электролитах». Ленгмюр . 1 (1): 83–90. дои : 10.1021/la00061a013 . ISSN 0743-7463 .
^ Jump up to: ^а ^б Одзаки, Масатака; Андо, Томоюки; Мизуно, Кендзи (1999). «Новый метод измерения потенциала седиментации: метод вращающейся колонки». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 159 (2–3): 477–480. дои : 10.1016/S0927-7757(99)00278-2 . ISSN 0927-7757 .
^ Уддин, С.; Мирнезами М. и Финч Дж. А. «Характеристика поверхности одиночных и смешанных минеральных систем с использованием потенциала седиментации». Общество минералов, металлов и материалов 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Меркус, Х.Г.; Мори, Ю.; Скарлетт, Б. (1989). «Анализ размера частиц методом фракционирования потока в поле седиментации. Производительность и применение». Коллоидная и полимерная наука . 267 (12): 1102–1107. дои : 10.1007/BF01496931 . ISSN 0303-402X . S2CID 98181572 .

Ананд Плаппалли, Альфред Собоеджо, Норман Фаузи, Уинстон Собоеджо и Ларри Браун, « Стохастическое моделирование щелочности фильтрата в устройствах для фильтрации воды: транспорт через микро/нано пористые керамические материалы на основе глины » J Nat Env Sci 2010 1 (2): 96-105 .

[lyklema-1] Ликлема, Дж. «Основы интерфейса и коллоидной науки», том 2, стр. 3.208, 1995 г.

[hunter-2] Хантер, Р.Дж. «Основы коллоидной науки», Oxford University Press, 1989.

[dukhin-3] Духин, С.С. и Дерягин, Б.В. «Электрокинетические явления», J.Willey and Sons, 1974.

[russel-4] Рассел, В.Б., Сэвилл, Д.А. и Шовальтер, В.Р. «Коллоидные дисперсии», Cambridge University Press, 1989.

[kruyt-5] Круйт, HR "Коллоидная наука", Elsevier: Том 1, Необратимые системы, (1952)

[dukhin2-6] Духин А.С. и Гетц П.Дж. Характеристика жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука , Elsevier, 2017. ISBN 978-0-444-63908-0

[Kirby-7] Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0 .

[marlow-8] Jump up to: ^а ^б Марлоу, Брюс Дж.; Роуэлл, Роберт Л. (1985). «Потенциал седиментации в водных электролитах». Ленгмюр . 1 (1): 83–90. дои : 10.1021/la00061a013 . ISSN 0743-7463 .

[ozaki-9] Jump up to: ^а ^б Одзаки, Масатака; Андо, Томоюки; Мизуно, Кендзи (1999). «Новый метод измерения потенциала седиментации: метод вращающейся колонки». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 159 (2–3): 477–480. дои : 10.1016/S0927-7757(99)00278-2 . ISSN 0927-7757 .

[Uddin-10] Уддин, С.; Мирнезами М. и Финч Дж. А. «Характеристика поверхности одиночных и смешанных минеральных систем с использованием потенциала седиментации». Общество минералов, металлов и материалов 2010 г.

[merkus-11] Jump up to: ^а ^б ^с Меркус, Х.Г.; Мори, Ю.; Скарлетт, Б. (1989). «Анализ размера частиц методом фракционирования потока в поле седиментации. Производительность и применение». Коллоидная и полимерная наука . 267 (12): 1102–1107. дои : 10.1007/BF01496931 . ISSN 0303-402X . S2CID 98181572 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]