Седиментационный потенциал - Sedimentation potential

Седиментационный потенциал происходит когда дисперсные частицы двигаться под влиянием сила тяжести или же центрифугирование в среде. Это движение нарушает равновесную симметрию частицы двухслойный. Во время движения частицы ионы в двойном электрическом слое отстают из-за потока жидкости. Это вызывает небольшое смещение между поверхностный заряд и электрический заряд из диффузный слой. В результате движущаяся частица создает дипольный момент. Сумма всех диполей создает электрическое поле, которое называется седиментационный потенциал. Его можно измерить при разомкнутой электрической цепи, которую еще называют седиментационный ток.

Этот эффект подробно описан во многих книгах по коллоидная наука и наука о интерфейсах.^{[1][2][3][4][5][6][7]}

Поверхностная энергия

Предпосылки, связанные с явлением

Седиментационный потенциал

Электрокинетические явления представляют собой семейство нескольких различных эффектов, которые возникают в гетерогенных жидкостях или в пористых телах, заполненных жидкостью. Сумма этих явлений имеет дело с воздействием на частицу извне, приводящим к чистому электрокинетическому эффекту.

Общий источник всех этих эффектов проистекает из межфазного «двойного слоя» зарядов. Частицы, находящиеся под действием 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 непрерывной жидкой или 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 Дорн в 1879 г. 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, электрический потенциал индуцируется. Во время движения частицы ионы в двойном электрическом слое отстают, создавая общий дипольный момент за счет потока жидкости. Сумма всех диполей на частице - это то, что вызывает седиментационный потенциал. Седиментационный потенциал имеет противоположный эффект по сравнению с электрофорез где к системе приложено электрическое поле. Ионная проводимость часто упоминается, когда речь идет о седиментационном потенциале.

Макроскопическая диаграмма сегментации

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 что E_S → 0, Φ _п → 0 (одиночная частица).

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

Седиментационный потенциал Смолуховского определяется где ε₀ - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, D - безразмерная диэлектрическая проницаемость, ξ - дзета-потенциал, g - ускорение свободного падения, Φ - объемная доля частиц, ρ - плотность частиц, ρ_о плотность среды, λ - удельная объемная проводимость и η - вязкость.^[8]

Смолуховский разработал уравнение при пяти предположениях:

1. Частицы бывают сферическими, непроводящими и монодисперсными.
2. Возникает ламинарное обтекание частиц (число Рейнольдса <1).
3. Межчастичные взаимодействия незначительны.
4. Поверхностная проводимость незначительна.
5. Толщина двойного слоя 1 / κ мала по сравнению с радиусом частицы a (κa >> 1).^[8]

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

Где D_я - коэффициент диффузии я растворенные вещества и п_i∞ - числовая концентрация раствора электролита.

Осаждение отдельной частицы создает потенциал

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. еζ / κ_BТ ≤2

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

Тестирование

Измерение

Инструментальная установка для измерения потенциала седиментации

Седиментационный потенциал измеряется путем прикрепления электроды в стеклянную колонку, заполненную интересующей дисперсией. А вольтметр прилагается для измерения потенциала, генерируемого подвеской. 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. В дзета-потенциал может быть определен путем измерения потенциала седиментации, поскольку известны концентрация, проводимость суспензии, плотность частицы и разность потенциалов. Поворачивая колонку на 180 градусов, можно не учитывать отклонения и геометрические различия колонны.^[9]

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

В случае концентрированных систем дзета-потенциал может быть определен путем измерения седиментационного потенциала. ${displaystyle E_{s}}$, от разности потенциалов относительно расстояния между электродами. Остальные параметры представляют собой следующее: ${displaystyle eta }$ вязкость среды; ${displaystyle lambda }$ объемная проводимость; ${displaystyle varepsilon _{r}}$ то относительная диэлектрическая проницаемость среды; ${displaystyle varepsilon _{0}}$ то диэлектрическая проницаемость свободного места; ${displaystyle ho }$ плотность частицы; ${displaystyle ho _{0}}$ плотность среды; ${displaystyle g}$ ускорение свободного падения; и 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. За pH системы можно было следить, 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, коллоидный диоксид кремния для связующих, покрытий и компаундов, пигменты 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: 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 взаимодействия 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 химический потенциал градиент
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 УЗИ
Электрическая акустическая амплитуда	как ультразвук, создаваемый коллоидными частицами в колеблющемся электрическом поле.

Рекомендации

1. Ликлема, Дж. "Основы науки о взаимодействии и коллоидах", том 2, стр. 3.208, 1995 г.
2. Хантер, Р.Дж. "Основы коллоидной науки", Oxford University Press, 1989
3. Духин, С.С., Дерягин, Б.В. "Электрокинетические явления", J.Willey and Sons, 1974
4. Рассел, У.Б., Сэвилл, Д.А. и Schowalter, W.R. "Коллоидные дисперсии", Cambridge University Press, 1989.
5. Kruyt, H.R. "Colloid Science", Elsevier: Volume 1, Необратимые системы, (1952)
6. Духин А.С., Гетц П.Дж. Определение характеристик жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука, Эльзевир, 2017 ISBN  978-0-444-63908-0
7. Кирби, Б.Дж. (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: перенос в микрофлюидных устройствах. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-11903-0.
8. Марлоу, Брюс Дж .; Роуэлл, Роберт Л. (1985). «Седиментационный потенциал в водных электролитах». Langmuir. 1 (1): 83–90. Дои:10.1021 / la00061a013. ISSN  0743-7463.
9. Одзаки, Масатака; Андо, Томоюки; Мизуно, Кенджи (1999). «Новый метод измерения седиментационного потенциала: метод вращающейся колонки». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты. 159 (2–3): 477–480. Дои:10.1016 / S0927-7757 (99) 00278-2. ISSN  0927-7757.
10. Уддин, С .; Мирнезами М., Финч Дж. А. «Характеристика поверхности одиночных и смешанных минеральных систем с использованием седиментационного потенциала». Общество минералов, металлов и материалов 2010
11. Merkus, H.G .; Mori, Y .; Скарлетт Б. (1989). «Анализ размера частиц путем фракционирования потока в поле седиментации. Характеристики и применение». Коллоидная и полимерная наука. 267 (12): 1102–1107. Дои:10.1007 / BF01496931. ISSN  0303-402X. S2CID  98181572.

• Ананд Плаппалли, Альфред Собойехо, Норман Фоси, Уинстон Собойджо 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.