Potenziale di sedimentazione - Sedimentation potential

Il potenziale di sedimentazione si verifica quando le particelle disperse si muovono sotto l'influenza della gravità o della centrifugazione in un mezzo. Questo movimento interrompe la simmetria di equilibrio del doppio strato della particella . Mentre la particella si muove, gli ioni nel doppio strato elettrico restano indietro a causa del flusso di liquido. Ciò provoca un leggero spostamento tra la carica superficiale e la carica elettrica dello strato diffuso . Di conseguenza, la particella in movimento crea un momento di dipolo . La somma di tutti i dipoli genera un campo elettrico che prende il nome di potenziale di sedimentazione . Può essere misurato con un circuito elettrico aperto, che è anche chiamato corrente di sedimentazione .

Ci sono descrizioni dettagliate di questo effetto in molti libri sulla scienza dei colloidi e delle interfacce .

Energia di superficie

Contesto relativo al fenomeno

Potenziale di sedimentazione

I fenomeni elettrocinetici sono una famiglia di diversi effetti che si verificano in fluidi eterogenei o in corpi porosi pieni di fluido. La somma di questi fenomeni riguarda l'effetto su una particella da qualche parte esterna risultante in un effetto elettrocinetico netto.

La fonte comune di tutti questi effetti deriva dal "doppio strato" di cariche interfacciali. Le particelle influenzate da una forza esterna generano il movimento tangenziale di un fluido rispetto a una superficie carica adiacente. Questa forza può essere elettrica, gradiente di pressione, gradiente di concentrazione, gravità. Inoltre, la fase mobile potrebbe essere la fase fluida continua o quella dispersa.

Il potenziale di sedimentazione è il campo dei fenomeni elettrocinetici che hanno a che fare con la generazione di un campo elettrico mediante la sedimentazione di particelle colloidali.

Storia dei modelli

Questo fenomeno fu scoperto per la prima volta da Dorn nel 1879. Osservò che un campo elettrico verticale si era sviluppato in una sospensione di perle di vetro nell'acqua, mentre le perline si depositavano. Questa è stata l'origine del potenziale di sedimentazione, che viene spesso definito effetto Dorn.

Smoluchowski costruì i primi modelli per calcolare il potenziale nei primi anni del 1900. Booth ha creato una teoria generale sul potenziale di sedimentazione nel 1954 basata sulla teoria di Overbeek del 1943 sull'elettroforesi. Nel 1980, Stigter estese il modello di Booth per consentire potenziali di superficie più elevati. Ohshima ha creato un modello basato sul modello di O'Brien e White del 1978 utilizzato per analizzare la velocità di sedimentazione di una singola sfera carica e il potenziale di sedimentazione di una sospensione diluita.

Generazione di un potenziale

Quando una particella carica si muove attraverso una forza gravitazionale o una centrifugazione, viene indotto un potenziale elettrico . Mentre la particella si muove, gli ioni nel doppio strato elettrico restano indietro creando un momento di dipolo netto dietro a causa del flusso di liquido. La somma di tutti i dipoli sulla particella è ciò che causa il potenziale di sedimentazione. Il potenziale di sedimentazione ha l'effetto opposto rispetto all'elettroforesi in cui viene applicato un campo elettrico al sistema. La conduttività ionica è spesso indicata quando si tratta di potenziale di sedimentazione.

Diagramma macroscopico della sedementazione

La seguente relazione fornisce una misura del potenziale di sedimentazione dovuto all'assestamento di sfere cariche. Scoperto per la prima volta da Smoluchowski nel 1903 e nel 1921. Questa relazione vale solo per i doppi strati elettrici non sovrapposti e per le sospensioni diluite. Nel 1954, Booth dimostrò che questa idea era vera per la polvere di vetro Pyrex che si depositava in una soluzione di KCl. Da questa relazione, il potenziale di sedimentazione, E _S , è indipendente dal raggio della particella e che E _S → 0, Φ _p → 0 (una singola particella).

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

Il potenziale di sedimentazione di Smoluchowski è definito dove ε ₀ è la permittività dello spazio libero, D la costante dielettrica adimensionale, il potenziale zeta, g l'accelerazione di gravità, la frazione di volume delle particelle, la densità delle particelle, _o la densità media, la conducibilità del volume specifico e la viscosità.

Smoluchowski ha sviluppato l'equazione sotto cinque ipotesi:

1. Le particelle sono sferiche, non conduttrici e monodisperse.
2. Si verifica un flusso laminare attorno alle particelle (numero di Reynolds <1).
3. Le interazioni tra le particelle sono trascurabili.
4. La conduzione superficiale è trascurabile.
5. Lo spessore del doppio strato 1/κ è piccolo rispetto al raggio delle particelle a (κa>>1).

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

Dove D _i è il coefficiente di diffusione _dell'i - esima specie di soluto, e n _i∞ è la concentrazione numerica della soluzione elettrolitica.

La sedimentazione di una singola particella genera un potenziale

Il modello di Ohshima è stato sviluppato nel 1984 ed è stato originariamente utilizzato per analizzare la velocità di sedimentazione di una singola sfera carica e il potenziale di sedimentazione di una sospensione diluita. Il modello fornito di seguito vale per sospensioni diluite a basso potenziale zeta, ovvero e ζ/κ _B T ≤2

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

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Misura

Setup strumentale per misurare il potenziale di sedimentazione

Il potenziale di sedimentazione viene misurato attaccando gli elettrodi a una colonna di vetro riempita con la dispersione di interesse. Un voltmetro è collegato per misurare il potenziale generato dalla sospensione. Per tenere conto delle diverse geometrie dell'elettrodo, la colonna viene tipicamente ruotata di 180 gradi durante la misurazione del potenziale. Questa differenza di potenziale attraverso la rotazione di 180 gradi è il doppio del potenziale di sedimentazione. Il potenziale zeta può essere determinato mediante misurazione mediante potenziale di sedimentazione, poiché sono note la concentrazione, la conduttività della sospensione, la densità della particella e la differenza di potenziale. Ruotando la colonna di 180 gradi, è possibile ignorare la deriva e le differenze di geometria della colonna.

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

Nel caso di sistemi concentrati, il potenziale zeta può essere determinato attraverso la misura del potenziale di sedimentazione , dalla differenza di potenziale relativa alla distanza tra gli elettrodi. Gli altri parametri rappresentano: la viscosità del mezzo; la conduttività di massa; la permittività relativa del mezzo; la permittività dello spazio libero; la densità della particella; la densità del mezzo; è l'accelerazione di gravità; e σ ^∞ è la conduttività elettrica della soluzione elettrolitica sfusa. ${\displaystyle E_{s}}$${\displaystyle\eta}$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle \varepsilon _{r}}$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$${\displaystyle\rho}$${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle g}$

È stata sviluppata una cella di progettazione migliorata per determinare il potenziale di sedimentazione, la conduttività specifica, la frazione volumetrica dei solidi e il pH. In questa configurazione vengono utilizzate due coppie di elettrodi, una per misurare la differenza di potenziale e l'altra per la resistenza. Viene utilizzato un interruttore a levetta per evitare la polarizzazione degli elettrodi di resistenza e l'accumulo di carica alternando la corrente. È stato possibile monitorare il pH del sistema e l'elettrolita è stato aspirato nel tubo utilizzando una pompa a vuoto.

Applicazioni

Applicazioni del frazionamento del flusso di campo di sedimentazione (SFFF)

Il frazionamento del flusso di campo di sedimentazione (SFFF) è una tecnica di separazione non distruttiva che può essere utilizzata sia per la separazione che per la raccolta delle frazioni. Alcune applicazioni di SFFF includono la caratterizzazione della dimensione delle particelle di materiali in lattice per adesivi, rivestimenti e vernici, silice colloidale per leganti, rivestimenti e agenti di composizione, pigmenti di ossido di titanio per vernici, carta e tessuti, emulsione per bibite e materiali biologici come virus e liposomi.

Alcuni aspetti principali di SFFF includono: fornisce possibilità ad alta risoluzione per misurazioni della distribuzione dimensionale con elevata precisione, la risoluzione dipende dalle condizioni sperimentali, il tempo di analisi tipico è da 1 a 2 ore ed è una tecnica non distruttiva che offre il possibilità di raccolta della frazione.

Analisi granulometrica mediante frazionamento del flusso di campo di sedimentazione

Poiché il frazionamento del flusso di campo di sedimentazione (SFFF) è una delle tecniche di separazione del frazionamento del flusso di campo, è appropriato per il frazionamento e la caratterizzazione di materiali particolati e campioni solubili nell'intervallo di dimensioni dei colloidi. Le differenze nell'interazione tra un campo di forza centrifuga e particelle con masse o dimensioni diverse portano alla separazione. Una distribuzione esponenziale di particelle di una certa dimensione o peso è dovuta al moto Browniano. Alcuni dei presupposti per sviluppare le equazioni teoriche includono che non vi è interazione tra le singole particelle e che l'equilibrio può verificarsi ovunque nei canali di separazione.

Guarda anche

Varie combinazioni della forza motrice e della fase in movimento determinano vari effetti elettrocinetici. Seguendo "Fundamentals of Interface and Colloid Science" di Lyklema (1995), la famiglia completa dei fenomeni elettrocinetici comprende:

Riferimenti

• Anand Pappally, Alfred Soboyejo, Norman Fausey, Winston Soboyejo e Larry Brown, " Modellazione stocastica dell'alcalinità del filtrato nei dispositivi di filtrazione dell'acqua: trasporto attraverso materiali ceramici a base di argilla micro/ nanoporosa" J Nat Env Sci 2010 1(2):96-105 .