Осаждение частиц

Осаждение частиц — это спонтанное прикрепление частиц к поверхностям. Рассматриваемые частицы обычно представляют собой коллоидные частицы , тогда как задействованные поверхности могут быть плоскими, изогнутыми или могут представлять собой частицы, значительно большие по размеру, чем осаждающиеся (например, песчинки). Процессы осаждения могут быть инициированы соответствующими гидродинамическими условиями потока и благоприятным взаимодействием частиц с поверхностью. Осаждающиеся частицы могут просто образовывать монослой, который дополнительно ингибирует дополнительное осаждение частиц, и, таким образом, речь идет о блокировании поверхности . Первоначально прикрепленные частицы могут также служить затравками для дальнейшего осаждения частиц, что приводит к образованию более толстых отложений частиц, и этот процесс называется поверхностным созреванием или загрязнением . Хотя процессы осаждения обычно необратимы, первоначально осажденные частицы также могут отделяться. Последний процесс известен как высвобождение частиц и часто запускается добавлением соответствующих химикатов или изменением условий потока.

Микроорганизмы могут откладываться на поверхности аналогично коллоидным частицам. Когда макромолекулы, такие как белки , полимеры или полиэлектролиты, прикрепляются к поверхностям, этот процесс скорее называют адсорбцией . Хотя адсорбция макромолекул во многом напоминает осаждение частиц, макромолекулы могут существенно деформироваться во время адсорбции. В настоящей статье речь идет в основном об осаждении частиц из жидкостей, но аналогичный процесс происходит и при осаждении аэрозолей или пыли из газовой фазы.

Начальные этапы

Частица может диффундировать к поверхности в условиях покоя, но этот процесс неэффективен по мере развития толстого обедненного слоя, что приводит к постепенному замедлению осаждения. Когда осаждение частиц эффективно, оно происходит почти исключительно в проточной системе. В таких условиях гидродинамический поток будет переносить частицы близко к поверхности. Как только частица окажется близко к поверхности, она прикрепится самопроизвольно, когда взаимодействие частицы с поверхностью станет притягивающим. В этой ситуации говорят о благоприятных условиях осаждения . Когда взаимодействие является отталкивающим на больших расстояниях и притягивающим на более коротких, осаждение все равно будет происходить, но оно будет замедлено. Здесь речь идет о неблагоприятных условиях осаждения . Начальные стадии процесса осаждения можно описать уравнением скорости ^[1]

{d\Gamma  \over dt}=kc

где $\Gamma$ ; – плотность осажденных частиц, $t$ это время, $c$ числовая концентрация частиц и $k$ коэффициент скорости осаждения. Коэффициент скорости зависит от скорости потока, геометрии потока и потенциала взаимодействия осаждаемой частицы с подложкой. Во многих ситуациях этот потенциал может быть аппроксимирован суперпозицией сил притяжения Ван-дер-Ваальса и сил отталкивания двойного электрического слоя и может быть описан теорией ДЛФО . Когда заряд частиц имеет тот же знак, что и подложка, осаждение будет благоприятным при высоких уровнях соли и неблагоприятным при более низких уровнях соли. Когда заряд частиц имеет противоположный знак, что и подложка, осаждение благоприятно для всех уровней соли, и наблюдается небольшое увеличение скорости осаждения с уменьшением уровня соли из-за сил притяжения электростатического двойного слоя. Начальные стадии процесса осаждения относительно похожи на ранние стадии гетероагрегации частиц , при этом одна из частиц намного больше другой.

Блокировка

Когда осаждающиеся частицы отталкиваются друг от друга, осаждение прекращается к тому времени, когда осаждается достаточное количество частиц. В какой-то момент такой поверхностный слой будет отталкивать любые частицы, которые все еще могут пытаться осаждаться. Говорят, что поверхность насыщена или заблокирована осажденными частицами. Процесс блокировки можно описать следующим уравнением ^[2]

{d\Gamma  \over dt}=kcB(\Gamma )

где $B(\Gamma )$ — функция блокировки поверхности. Когда осажденных частиц нет, $\Gamma =0$ и $B(0)=1$ . С увеличением плотности осаждаемых частиц функция блокировки снижается. Поверхность насыщается при $\Gamma =\Gamma _{0}$ и $B(\Gamma _{0})=0$ . Простейшая функция блокировки ^[3]

B(\Gamma )=1-\Gamma /\Gamma _{0}

и ее называют блокирующей функцией Ленгмюра, поскольку она связана с изотермой Ленгмюра .

Процесс блокирования подробно изучен в рамках модели случайной последовательной адсорбции (RSA). ^[4] Простейшая модель RSA, связанная с осаждением сферических частиц, рассматривает необратимую адсорбцию круглых дисков. Один диск за другим случайным образом размещается на поверхности. После установки диска он прилипает к тому же месту и не может быть удален. Если попытка разместить диск приведет к перекрытию уже размещенного диска, эта попытка отклоняется. В рамках этой модели поверхность изначально заполняется быстро, но чем больше приближается к насыщению, тем медленнее заполняется поверхность. В модели RSA насыщение называется помехами. У круглых дисков застревание происходит при охвате 0,547. Когда осаждаемые частицы являются полидисперсными, можно достичь гораздо более высокого покрытия поверхности, поскольку мелкие частицы смогут осаждаться в отверстия между более крупными осаждаемыми частицами. С другой стороны, стержнеобразные частицы могут привести к гораздо меньшему покрытию, поскольку несколько смещенных стержней могут блокировать большую часть поверхности.

Поскольку отталкивание между частицами в водных суспензиях происходит за счет сил двойного электрического слоя, присутствие соли оказывает важное влияние на блокирование поверхности. Для мелких частиц и с низким содержанием соли диффузный слой будет простираться далеко за пределы частицы и, таким образом, создавать вокруг нее зону отчуждения. Таким образом, поверхность будет заблокирована при гораздо меньшем покрытии, чем можно было бы ожидать на основе модели RSA. ^[5] При более высоком уровне соли и более крупных частицах этот эффект менее важен, и осаждение может быть хорошо описано моделью RSA.

Созревание

Когда осаждающиеся частицы притягиваются друг к другу, они осаждаются и агрегируются одновременно. Эта ситуация приведет к образованию пористого слоя, состоящего из агрегатов частиц на поверхности, и это называется созреванием. Пористость этого слоя будет зависеть от того, будет ли процесс агрегации частиц быстрым или медленным. Медленная агрегация приведет к более компактному слою, а быстрая – к более пористому. Структура слоя будет напоминать структуру агрегатов, образующихся на более поздних стадиях процесса агрегации.

Экспериментальные методы

Осаждение частиц можно отслеживать с помощью различных экспериментальных методов. Непосредственное наблюдение за осажденными частицами возможно с помощью оптического микроскопа , сканирующего электронного микроскопа или атомно-силового микроскопа . Преимущество оптической микроскопии состоит в том, что за осаждением частиц можно следить в режиме реального времени с помощью видеотехники, а последовательность изображений можно анализировать количественно. ^[6] С другой стороны, разрешение оптической микроскопии требует, чтобы размер исследуемых частиц превышал как минимум 100 нм.

Альтернативой является использование методов поверхностной чувствительности для отслеживания осаждения частиц, таких как отражательная способность , эллипсометрия , поверхностный плазмонный резонанс или микробаланс кристалла кварца . ^[5] Эти методы могут с хорошей точностью предоставить информацию о количестве осажденных частиц в зависимости от времени, но они не позволяют получить информацию о латеральном расположении частиц.

Другой подход к изучению осаждения частиц заключается в исследовании их транспорта в хроматографической колонке. Колонка заполнена крупными частицами или пористой средой, подлежащей исследованию. Затем колонку промывают исследуемым растворителем, и суспензию мелких частиц вводят на вход в колонку. Частицы обнаруживаются на выходе стандартным хроматографическим детектором. Когда частицы осаждаются в пористой среде, они не достигают выхода, и по наблюдаемой разнице можно сделать вывод о коэффициенте скорости осаждения.

Актуальность

Осаждение частиц происходит во многих природных и промышленных системах. Ниже приведены несколько примеров.

Покрытия и функционализация поверхности . Краски и клеи часто представляют собой концентрированные суспензии коллоидных частиц, и для того, чтобы хорошо приклеиться к поверхности, частицы должны осесть на рассматриваемой поверхности. Отложения монослоя коллоидных частиц можно использовать для создания рисунка на поверхности в масштабе микрона или нанометра - процесс, называемый коллоидной литографией . ^[7]
Фильтры и фильтрующие мембраны . мембраны Когда частицы оседают на фильтрах или фильтрующих мембранах, они приводят к закупорке пор и загрязнению . ^[8] При проектировании хорошо функционирующих мембран необходимо избегать осаждения частиц, и необходима правильная функционализация мембран.
Отложение микроорганизмов . Микроорганизмы могут откладываться аналогично коллоидным частицам. Такое отложение является желательным явлением в подземных водах, поскольку водоносный горизонт отфильтровывает в конечном итоге занесенные микроорганизмы во время пополнения водоносных горизонтов. ^[9] С другой стороны, такое отложение на поверхности зубов человека крайне нежелательно, поскольку оно является источником зубных бляшек . Отложение микроорганизмов также имеет значение для образования биопленок .

См. также

Ссылки

^ В. Б. Рассел, Д. А. Сэвилл, В. Р. Шовальтер, Коллоидные дисперсии , издательство Кембриджского университета, 1989.
^ М. Элимелех, Дж. Грегори, К. Цзя, Р. Уильямс, Осаждение и агрегация частиц: измерение, моделирование и моделирование , Баттерворт-Хайнеманн, 1998.
^ З. Адамчик, Adv. Коллоидный интерфейс. 2003, 100, 267–347.
^ Дж. В. Эванс, преподобный Мод. Физ. 65 (1993) 1281-1329.
^ Jump up to: ^а ^б М.Р. Бомер, Э.А. ван дер Зеув, Г.Дж.М. Копер, J. Colloid Interface Sci. 197 (1998) 242-250.
^ Ю. Люти, Дж. Рика, J. Colloid Interface Sci. 206 (1998) 302-313.
^ Р. Мишель, И. Ревиакин, Д. С. Сазерленд, Г. Фокас, Г. Чукс, Г. Данузер, Н. Д. Спенсер, М. Текстор, Langmuir 18 (2002) 8580-8586.
^ X. Чжу, М. Элимелех, Environ. наук. Технологический. 31 (1997) 3654-3662.
^ С. Ф. Симони, Х. Хармс, TNP Bosma, AJB Zehnder, Environ. наук. Технол. 32 (1998) 2100-2105

[russel-1] В. Б. Рассел, Д. А. Сэвилл, В. Р. Шовальтер, Коллоидные дисперсии , издательство Кембриджского университета, 1989.

[gregory-2] М. Элимелех, Дж. Грегори, К. Цзя, Р. Уильямс, Осаждение и агрегация частиц: измерение, моделирование и моделирование , Баттерворт-Хайнеманн, 1998.

[adamczyk-3] З. Адамчик, Adv. Коллоидный интерфейс. 2003, 100, 267–347.

[evans-4] Дж. В. Эванс, преподобный Мод. Физ. 65 (1993) 1281-1329.

[bohmer-5] Jump up to: ^а ^б М.Р. Бомер, Э.А. ван дер Зеув, Г.Дж.М. Копер, J. Colloid Interface Sci. 197 (1998) 242-250.

[6] Ю. Люти, Дж. Рика, J. Colloid Interface Sci. 206 (1998) 302-313.

[7] Р. Мишель, И. Ревиакин, Д. С. Сазерленд, Г. Фокас, Г. Чукс, Г. Данузер, Н. Д. Спенсер, М. Текстор, Langmuir 18 (2002) 8580-8586.

[zhu-8] X. Чжу, М. Элимелех, Environ. наук. Технологический. 31 (1997) 3654-3662.

[9] С. Ф. Симони, Х. Хармс, TNP Bosma, AJB Zehnder, Environ. наук. Технол. 32 (1998) 2100-2105

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]