Электрофоретическая подвижность

Все электрокинетические явления связаны с относительным перемещением дисперсной фазы и дисперсионной среды, осу­ществляемой по границе скольжения. Их интенсивность опре­деляется значением ^-потенциала. Поэтому данную величину используют для оценки электрокинетических явлений.

Двойной электрический слой можно рассматривать в качестве своеобразного конденсатора (рис. 7.9). Относительность движе­ния дисперсной фазы и дисперсионной среды определяется сила­ми /j и/₂. Сила/j возникает в результате взаимодействия избытка-зарядов потенциалобразующего слоя по отношению к адсорбци­онному слою; она характеризует заряд диффузного слоя и направ-лена параллельно границе скольжения (линия АА), противодей­ствуя силе трения. Сила/j определяется по формуле

где Е — напряженность или градиент внешнего поля; q_B — плотность заряда | поверхности.

Сила f₂ определяет трение жидкости при ее перемещении:

/₂=Л(я/А), (7.10)1

где г| — коэффициент трения; ш — скорость движения жидкости; h— расстоя- | ние между поверхностями (см. рис.7.9).

При установившемся движении эти силы равны, т.е.

Eq_B = ф/h), или v = (q/*A)E. (7.11)

Формула (7.11) определяет скорость взаимного перемещения! дисперсной фазы и дисперсионной среды. Удельный заряд д_мщ можно связать с ф-потенциалом:

C, = qJi/E_t;q_B=(E/hK, (7.12)1

где е_а — абсолютная диэлектрическая проницаемость.

Подставляя равенство (7.12) в формулу (7.11), получим

Рис. 7.9. Схема возникновения электрокинетических явлений:

1-3 — см. рис. 7.5, нижняя

Стрелка показывает направление

Движения жидкости

Скорость движения в рас­чете на единицу напряженно­сти электрического поля на­зывают электрофоретической подвижностью, которая определя­ется по формуле

\)_£ = i)/£=e_a£/n. (7.14)

С учетом формы частиц дисперсной фазы уравнения (7.13) и 7.14) принимают следующий вид:

(7.16)

VW

(7.15)

W

где v — скорость, м/с; \>_Е — электрофоретическая подвижность, м²/с • В, \|/ — коэффициент, зависящий от формы частиц; £ — дзета-потенциал, В; Е — на­пряженность или градиент внешнего электрического поля, В/м.

Коэффициент \|/ учитывает форму частиц и их ориентацию в электрическом поле. Для шарообразных частиц коэффициент \|/ равен 0,66, а для цилиндрических, ориентированных вдоль си­ловых линий электрического поля — 1.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды е_а= е • е^ где е — относительная диэлектрическая проницаемость; е₀ — аб­солютная диэлектрическая проницаемость вакуума, или электри­ческая постоянная, равная 8,8510~¹²К²/Нм² (8,8510~¹² Ф/м).

С учетом значения абсолютной диэлектрической проницае­мости формулу (7.15) можно представить в виде

£

(7.17)

v -

или _7| _

W

W

Согласно формуле (7.17) величины, которые определяют интенсивность электрофореза и электроосмоса, зависят от свойств среды (tj, е), формы частиц (\|/), напряженности внешнего элек­трического поля (Е) и электрокинетического потенциала (Q, 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 (7.15) и (7.17) не учитывается ряд особенностей дисперсных систем, например электропроводность частиц дис-

персной фазы, специфические свойства дисперсной системы»| случае ее нахождения в щелях, каналах и капиллярах. Тем не| менее эти формулы являются основными для количественной! характеристики электрокинетических явлений.

Для расчета потенциала течения Е_т который осуществляется под внешни*! \ воздействием Р₁ (см. рис. 7.8), можно воспользоваться следующей формулой;;

 

_ 2,5

0,09В =

13,510 -0,66

8,85 10"¹² -69,4-400

3. Найдите значения потенциала течения, если через мембрану продавлива­ется 42,4%-й раствор спирта при следующих условиях: АР = 20- 10~³Па, удельная электропроводность % = 1,3- 1&-³ См • мг¹, относительная диэлектрическая про­ницаемость е = 41,3, вязкость г\ = 0,9-10~³ Па- с, электрокинетический потен­циал С = 6-10~³ В.

Согласно формуле (7.18)

 

(7.18)

где АР - Р_х — Р₂ — перепад давления при течении дисперсионной среды; % — | удельная электропроводность дисперсионной среды.

Заметим, что потенциал течения возникает на любой границе раздела фаИ при перемещении дисперсной фазы или дисперсионной среды. Так, напри*| мер, кровь организма человека является дисперсной системой. Сердце, как сво-J еобразный насос, заставляет кровь двигаться по сосудам. Потенциал течения^ крови составляет примерно 1—2 мВ, т.е. незначителен. При движении нефти:] по трубопроводам потенциал течения намного выше и может привести к элек- • трическому пробою, пожару или взрыву. По той же причине наливать бензин в полиэтиленовую емкость крайне опасно, так как при опорожнении канист- j ры возникает потенциал течения, который может вызвать искру и воспламе-^ нить бензин.

Таким образом, электрокинетические явления и электрофор ретическую подвижность можно рассматривать как следствием образования ДЭС на границе раздела фаз. Возможность и ин-1 тенсивность относительного перемещения фаз определяется ве-| личиной ^-потенциала, которая обусловлена структурой ДЭС.

 

= 3,755 =

2010³-41,3-8,8510"'²-10³ 0,910"³1,310"²

4. Чему равен электрокинетический потенциал при протекании 0.01 М раствора КС1 через керамический фильтр под избыточным давлением (АР) 3,1- 10* Па и потенциале течения Е_Т=1,2- 10~² В. При 298 К вязкость раствора г\=8,94- 10~⁴ Па- с, удельная электропроводность %-0Л41См - м~¹, относительная диэлектри­ческая проницаемость е=78,5.

0,141

Из формулы (7.18) получаем

= 0,07В =

3,1 10⁴-78,5-8,85 10

Упражнения

1. Электрокинетический потенциал высокодисперсных частиц золя апелъси~1 нового сока равен 50 мВ. Определите скорость электрофореза и электрофоретиЛ ческую подвижность частиц золя сферической формы, если относительная диэ~\ лектрическая проницаемость среды е равна 54,8, внешняя ЭДС — 120 В, рассто- \ яние между электродами h = 40 см, вязкость среды т^ = 4,5- 10~³ Па • с.

В соответствии с формулой (7.17) при Е = Ej/h

54,8-8,8510 ¹²-5О1О"³ 120. 0,66-4,5 10"³ 0,4

2,45-10

2,45мкм/с;

^ ц 2,45-Ю-⁶ -0,4 _1Q_, ^,.

^Uf E 120 ^М '^С ''

2. Определите электрокинетический потенциал коллоидов 20%-го раствор сахарозы при градиенте внешнего электрического поля 400В/м, относительно диэлектрической проницаемости е = 69,1, вязкости tj = 2,5-10~³ Па си скорости электрофореза v = 13.5 мкм/с.

По формуле (7.17) находим

Раздел второй

СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

В этом разделе рассматриваются свойства, характерные для всех дисперсных систем. Подобные свойства вызваны различ­ными причинами, а именно: концентрацией и неодинаковыми размером частиц дисперсной фазы, их возможностью контакти­ровать и взаимодействовать между собой, а также последствием этого взаимодействия, которое проявляется в устойчивости и структурно-механических свойствах. Несмотря на разнообразие, эти свойства вызваны одним и тем же — раздробленностью дис­персной фазы, взаимодействием между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой, а так же между самими частица­ми дисперсной фазы.

Содержание раздела позволяет:

? уяснить особенности оптических свойств, которые для вы­
сокодисперсных систем выражаются в рассеянии света [рис.
8.1, формулы (8.1) и (8.2)], а для средне- и грубодисперс-
ных систем определяются законами геометрической опти­
ки [рис. 8.2, формулы (8.7)—(8.12)];

? представить молекулярно-кинетические свойства высоко­
дисперсных систем,обусловленные воздействием диспер­
сионной среды на частицы дисперсной фазы, в виде бро­
уновского движения [рис. 9.1 и 9.2. формулы (9.2) и (9.3),
диффузии [рис. 9.3, формулы (9.4)—(9.8)] и осмоса [рис.;
9.4, формулы (9.8, я)-(9.13)];

? рассмотреть одну из основных проблем коллоидной хи­
мии — устойчивость дисперсных систем (рис. 10.1—10.3),
которая включает седиментационную устойчивость [рис. \
10.2, формулы(ЮЛ)—(10.10)], процесс коагуляции в зави­
симости от времени [формулы (10.11)—(10.20)], классифи-;|
кацию дисперсных систем на лиофильные и лиофобные и j

агрегативную устойчивость на основе расклинивающего давления и теории ДЛФО [рис. 10.4 и 10.5, формулы (10.23)—(10.38)], особенности устойчивости текучих ч&С-тиц эмульсий и пен [рис. 10.6, формулы (10.32)—(10.37)], воздействие электролитов на устойчивость дисперсных си­стем [рис. 10.8 и 10.9, формулы (10.39)—(10.42)], возник­новение и влияние на устойчивость структурно-механичес­кого барьера;

показать причины образования структур и возникновения прочности связнодисперсных систем (рис. 11.1 и 11.2), осо­бенности деформации этих систем [рис. 11.3 и 11.4, фор­мулы (11.1)—(11.3)], изменение вязкости свободнодиспер-сных [формулы (11.4)—(11.8)] и связкодисперсных систем посредством полной реологической кривой [рис. 11.5, фор­мулы (11.9) и (11.10)], а так же классификацию упруговяз-копластических дисперсных систем в зависимости от их вяз­кости и упругости;

обратить внимание на особенности структурно-механичес­ких свойств сыпучих материалов, которые определяются адгезией и аутогезией [рис. 11.6, формулы (11.11) и (11.12)], законами трения [формулы(11.13)—(11.17)]и позволяют ко­личественно оценить условия течения сыпучих материа­лов (рис. 11.7);

подчеркнуть суть двух способов получения дисперсных си­стем (рис. 12.1 и 12.2), основаных на диаметрально проти­воположных процессах — диспергировании — дробление крупных частиц на более мелкие [рис. 12.3 и 12.4, табл. 12.1, формулы (12.1)—(12.5)] и конденсации — укрупне­нии мелких частиц [рис. 12.5, формулы (12.6)—(12.11)];

уяснить особенности мембранных процессов (рис. 12.6) — обратного осмоса [рис. 12.7, формулы (12.12)—(12.14)], ди­ализа и ультрафильтрации (рис. 12.7, в).

Глава 8

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Оптические свойства дисперсных систем обусловлены взаи­модействием электромагнитного излучения, обладающего опре­деленной энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенное-

 

ти оптических свойств дисперсных систем определяются приро­дой частиц и их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. Одним из наиболее характерных оптических свойств дисперсных систем является рассеяние света.