Электроосмосом называют перемещение дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля. Движение дисперсионной среды обусловлено притяжением разноименных зарядов. Оно происходит зачастую в капиллярах и в каналах пористых тел. Когда x-потенциал отрицательный, то положительно заряженные противоионы диффузного слоя притягиваются к отрицательному электроду. Противоионы увлекают за собой жидкость, составляющую дисперсионную среду. В результате этого происходит движение жидкости, причем перемещение жидкой дисперсионной среды относительно частиц дисперсной фазы, как и в случае электрофореза, происходит по границе скольжения.
Электрофорез используют, например, для обезвоживания древесины и других пористых материалов: строительных, грунта, продуктов питания, сырья для пищевой промышленности и др. Влажную массу помещают между электродами, а вода в зависимости от структуры ДЭС движется к одному из них и собирается в специальной емкости.
Для осуществления электрофореза или электроосмоса необходимо внешнее электрическое поле, т. е. движение частиц при электрофорезе или среды при электроосмосе является следствием воздействия этого поля.
Для потенциала седиментации и потенциала течения первичным является движение дисперсной фазы или дисперсионной среды, а вторичным – возникновение электрического потенциала.
Потенциал седиментации возникает при седиментации (оседании) частиц дисперсной фазы за счет избыточного заряда частиц, определяемого x-потенциалом.
Частицы дисперсной фазы оседают под действием гравитации. Процесс оседания частиц называют седиментацией. При оседании частиц дисперсионная среда практически остается неподвижной. Частицы движутся совместно с потенциалобразующим слоем ионов и адсорбционным слоем противоионов. Их перемещение относительно жидкой дисперсионной среды происходит по границе скольжения.
Потенциал седиментации обратен электрофорезу. И в том и в другом случае происходит движение частиц. Но при электрофорезе перемещение происходит в результате взаимодействия электрического поля с избыточным зарядом частиц, а при потенциале седиментации в процессе оседания частиц возникает разность потенциалов.
Потенциал течения возникает при перемещении жидкой дисперсионной среды. Жидкость движется под влиянием внешнего воздействия: насоса, давления воздуха или какого-либо другого источника. При движении жидкости увлекаются противоионы диффузного слоя. В этом случае, как и в других электрокинетических явлениях, перемещение жидкой дисперсионной среды относительно твердой дисперсной фазы происходит по границе скольжения и приводит к появлению разности потенциалов.
Потенциал течения обратен электроосмосу – в обоих случаях происходит движение дисперсионной среды: для потенциала течения – в результате внешнего воздействия, а для электроосмоса – под действием электрического поля.
Электрокинетические явления зависят от формы и материала частиц, структуры ДЭС, энергетической и геометрической неоднородности поверхности твердых тел, наличия в жидкости примесей, условий приложений электрического поля, конструкции электродов и других факторов. Следует отметить, что явление электрофореза характерно главным образом для коллоидных растворов (золей), т. е. для систем, у которых размеры частиц дисперсной фазы не превышают 0,1 мкм. Электроосмос и потенциал могут наблюдаться не только в отношении коллоидных растворов, которые являются высокодисперсными системами, но и в отношении средне - и грубодисперсных систем. Потенциал седиментации проявляется для седиментационно-неустойчивых систем, т. е. средне - и грубодисперсных. Электрофорез и электроосмос используют в производственных целях в ряде отраслей промышленности (табл. 1).
Таблица 1.
Применение электрофореза и электроосмоса
Наименование | Цель применения |
Электрофорез | Нанесение покрытий; разделение и извлечение компонентов коллоидного раствора, масляных эмульсий и белков; очистка глины; извлечение мелких частиц из раствора, не поддающегося фильтрации. |
Электроосмос | Удаление избыточной влаги из капиллярно-пористых тел; дубление кожи; очистка дисперсионной среды коллоидных растворов, а также воды, глицерина, сахарных сиропов, желатина и др., в электрокинетических датчиках, преобразователях, усилителях и др. приборах. |
Электрофоретическая подвижность
Все электрокинетические явления связаны с относительным перемещением дисперсной фазы и дисперсионной среды, осуществляемой по границе скольжения. Их интенсивность определяется значением x-потенциала. Поэтому данную величину используют для оценки электрокинетических явлений.
Двойной электрический слой можно рассматривать в качестве своеобразного конденсатора (рис. 6).
Рис. 6. Схема возникновения электрокинетических явлений: 1 – потенциалобразующий слой ионов; 2, 3 – противоионы в адсорбционном (2) и диффузном (3) слоях; нижняя стрелка показывает направление движение жидкости.
Относительность движения дисперсной фазы и дисперсионной среды определяется силами f1 и f2. Сила f1 возникает в результате взаимодействия избытка зарядов потенциалобразующего слоя по отношению к адсорбционному слою; она характеризует заряд диффузного слоя и направлена параллельно границе скольжения (линия ББ), противодействуя силе трения. Сила f1 определяется по формуле (1)
f1 =ЕqВ, (1)
где Е – напряженность или градиент внешнего поля; qВ – плотность заряда поверхности.
Сила f2 определяет трение жидкости при ее перемещении:
f2=h(v/h), (2)
где h – коэффициент трения (см. приложение, таблица 4); v – скорость движения жидкости; h – расстояние между поверхностями.
При установившемся движении эти силы равны f1=f2, т. е.
ЕqВ=h(v/h), или v =(qВh/h)Е. (3)
Формула (3) определяет скорость взаимного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды. Удельный заряд qВ можно связать с x-потенциалом.
x=qВh/eа ; qВ=(eа/h)x, (4)
где eа – абсолютная диэлектрическая проницаемость.
Подставляя равенство (4) в формулу (3), получим
v =(eаx/h)Е. (5)
Скорость движения в расчете на единицу напряженности электрического поля называют электрофоретической подвижностью, которая определяется по формуле
vЕ =v/Е (6а)
vЕ =eаx/h (6б)
С учетом формы частиц дисперсной фазы уравнение (5) и (6б) принимает следующий вид:
, (7)
, (8)
где v – скорость, м/с; vЕ – электрофоретическая подвижность, м2/(с×В); ψ – коэффициент, зависящий от формы частиц; x - дзета –потенциал, В; Е – напряженность или градиент внешнего электрического поля, В/м.
Коэффициент ψ учитывает форму частиц и их ориентацию в электрическом поле. Для шарообразных частиц коэффициент ψ равен 0,66, а для цилиндрических, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля – 1.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды eа=e·e0, где e - относительная диэлектрическая проницаемость; e0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, или электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 К2/Н·м2 (8,85·10-12 Ф/м) (см. приложение, таблица 5).
С учетом значения абсолютной диэлектрической проницаемости формулу (7) можно представить в виде
, или . (9)
По формуле (9) находим x-потенциал:
, или . (10)
Согласно формуле (9) величины, которые определяют интенсивность электрофореза и электроосмоса, зависят от свойств среды (h, e), формы частиц (ψ), напряженности внешнего электрического поля (Е) и электрокинетического потенциала (x), определяемого структурой ДЭС.
Электрофоретическую подвижность и электрокинетический потенциал довольно просто определить экспериментально по скорости перемещения дисперсной фазы; электрофоретическая подвижность обычно не превышает 5,0×10-8 м2/(с×В), а электрокинетический потенциал – 100 мВ.
В формулах (7) и (9) не учитывается ряд особенностей дисперсных систем, например электропроводность частиц дисперсной фазы, специфические свойства дисперсной системы в случае ее нахождения в щелях, каналах и капиллярах. Тем не менее, эти формулы являются основными для количественной характеристики электрокинетических явлений.
Определение электрокинетического потенциала
Причиной электрофореза, как и других электрокинетических явлений, служит наличие двойного ионного слоя на поверхности раздела фаз. При положительно заряженной дисперсной фазе коллоидные частицы вместе с адсорбированными на них положительными потенциалопределяющими ионами движутся к катоду, отрицательно заряженные противоионы диффузного слоя - к аноду. В случае отрицательного заряда частиц движение происходит в обратных направлениях. Дисперсная фаза смещается относительно дисперсионной среды по поверхности скольжения. Поэтому, измерив скорость электрофореза, находят потенциал коллоидной частицы, т. е. электро-кинетический или x-потенциал. Величина x-потенциала характеризует агрегативную устойчивость золя и зависит от толщины диффузного слоя, концентрации и заряда противоионов. Скорость электрофореза определяют методом подвижной границы – наблюдают за передвижением границы между окрашенным коллоидным раствором и бесцветной контактной жидкостью. Сущность метода состоит в определении времени t, за которое граница окрашенного золя переместится на заданное расстояние S. По полученным данным рассчитывают скорость электрофореза:
(11)
где S - путь, пройденный частицей за время t, м; t - время, с.
Затем определяют напряженность Е
Е=V/L (12)
где V - напряжение, В; L - расстояние между электродами, м.
Электрофоретическую подвижность vЕ и величину x-потенциала вычисляют по формулам (6а) и (10), соответственно.
Например, если V=100В, L=0,2м, S=0,015м, t=900с, t=20оС, h=1,0020×10-3 Па×с, то v=0,015/900=1,66·10-5 м/с; Е=100/0,2=500 В/м;
vЕ=1,66·10-5/500=3,33×10-8 м2/(с×В);
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)