Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля. Электрокинетические явления в дисперсных системах. Уравнение Гельмгольца–Смолуховского для электроосмоса. Движение частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле.
Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля получило название электроосмоса, а явление перемещения частиц - электрофореза. Квинке обнаружил явление, обратное электроосмосу, т.е. при течении жидкости через пористое тело под действием перепада давлений возникает разность потенциалов. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, графит и др.). Действие же внешней механической силы (давление) вызывает вынос подвижного заряда диффузного слоя и, следовательно, возникновение разности потенциалов. Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыве части диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом или ?-потенциалом.Измеряя параметры таких электрокинетических явлений, как электроосмос и электрофорез, можно вычислить ?-потенциал на основе теории, связывающей его с этими параметрами.
Введение
Электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф.Рейсом в 1808г. при исследовании электролиза воды.
Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля получило название электроосмоса, а явление перемещения частиц - электрофореза.
В 1859г. Квинке обнаружил явление, обратное электроосмосу, т.е. при течении жидкости через пористое тело под действием перепада давлений возникает разность потенциалов. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, графит и др.). Это явление получило название потенциала течения (или потенциала протекания).
Количественное исследование эффекта, обратного электрофорезу, впервые было выполнено Дорном в 1878г. Он измерял возникающую разность потенциалов при седиментации частиц суспензии кварца в центробежном поле. Явление возникновения разности потенциалов при осаждении дисперсной фазы получило название потенциала седиментации (или потенциала оседания).
Таким образом, по причинно-следственным признакам электрокинетические явления в дисперсных системах делят на две группы. К первой группе относят явления, при которых относительное движение фаз обусловлено электрической разностью потенциалов; это электроосмос и электрофорез. Ко второй группе электрокинетических явлений принадлежат потенциал течения и потенциал седиментации, при которых относительное движение фаз вызывает возникновение электрической разности потенциалов.
Наибольшее практическое применение получили электрофорез и электроосмос.
Электрокинетические явления в течение длительного времени не находили объяснения. Теперь, на основании рассмотренных представлений об электрических свойствах границы раздела, причиной этих явлений можно считать существование двойного электрического слоя (ДЭС). Действительно, разноименность зарядов фаз приводит в случае неподвижного пористого тела в электрическом поле к перемещению подвижных противоионов вместе с жидкой фазой к соответствующему полюсу (одноименного с твердой фазой знака). Действие же внешней механической силы (давление) вызывает вынос подвижного заряда диффузного слоя и, следовательно, возникновение разности потенциалов. Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыве части диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом или ?-потенциалом. Дзета-потенциал, отражая свойства двойного электрического слоя, характеризует природу фаз и межфазного взаимодействия.
Из этого качественного рассмотрения видно, что действующая электрическая сила (в явлениях электроосмоса и электрофореза), равная произведению заряда на градиент потенциала, тем больше, чем больше зарядов диффузного слоя оказывается в подвижной части жидкости. От этих зарядов зависит и величина конвективного тока и, следовательно величины потенциалов течения и оседания.
Таким образом, все эти явлении должны быть развиты тем сильнее, чем больше подвижный заряд диффузного слоя и ?-потенциал границы скольжения. Отсюда следует, что ?-потенциал есть мера интенсивности элетрокинетических явлений. С другой стороны, измеряя параметры этих явлений, можно вычислить ?-потенциал на основе теории, связывающей его с этими параметрами.
Электроосмос
Рис. 1. Изменение потенциала ? и скорости u с расстоянием от поверхности.
Рассмотрим бесконечно тонкий слой жидкости толщиной dx (? R, поверхность практически плоская), движущийся под действием внешнего электрического поля напряженностью X, направленного параллельно границе скольжения (рис. 1).
Электрическая сила действует на отдельные ионы, но, согласно закону Ньютона, она уравновешивается силой трения, возникающей в жидкости. Таким образом, в стационарном состоянии и в ламинарном режиме суммарная сила, действующая на каждый слой, равна нулю и каждый слой жидкости толщиной dx движется с постоянной скоростью параллельно границе скольжения. Это означает, что электрическая сила, действующая на объемный заряд, должна уравновешиваться силами трения соседних слоев, равными ? (du/dx), на единицу площади боковой поверхности где ? - объемная плотность заряда; ? - коэффициент вязкости; u - линейная скорость движения жидкости.
Исходя из принципа суперпозиции полей и учитывая уравнение Пуассона , получим:
В результате интегрирования, выполняемого при граничных условиях находим:
где uэо - электроосмотическая скорость; знак минус означает, что жидкость движется против поля, если ? > 0
Для капиллярно-пористых тел точные значения напряженности поля X и линейной скорости u обычно неизвестны вследствие извилистости и сложности структуры пор. Поэтому целесообразно перейти к велечинам, измеряемым на опыте, - объемной скорости жидкости Q и току I. Для этого используем закон Ома и известные выражения для R, X и Q
где R - сопротивление; к - удельная электропроводность жидкости; l и A - эффективные длина и площадь сечения пор.
Подстановка значений uэо и Х в уравнение (3) дает:
Это уравнение носит название уравнения Гельмгольца - Смолуховского для электроосмоса.
Таким образом, движение ионов диффузного слоя под действием электрического поля увлекает вследствие внутреннего трения всю массу жидкости, которая заполняет капилляры или поры, со скоростью Q в направлении поля.
Весьма существенно, что уравнение (5) не включает геометрических параметров системы (l, A); все величины, входящие в правую часть уравнения, измеримы на опыте. Зависимость Q от I, изученная экспериментально для многих систем, оказалась линейной, подтверждая уравнение (5).
Таким образом, экспериментальное определение Q и I позволяет вычислить ?-потенциал.
Рис. 2. Прибор для измерения электроосмоса в мембранах.
Для измерений применяют установки различного типа; пример одной из них приведен на рис. 2. Пористая мембрана 1, зажатая между фланцами 2 и 3, разделяет два симметричных сосуда 4 с отсчетными капиллярными трубками 5 и неполяризующими электродами (Cu/CUSO4 - агар) 6. Ячейку заполняют раствором электролита так, чтобы мениски жидкости находились в средней части градуированных трубок. Соединяя электроды с внешним источником тока, измеряют объем V жидкости, перемещающийся за время t в капиллярных трубках вследствие электроосмоса в мембране 1. Для расчетов используют среднее значение скорости Qcp = (V V’)2t, нивелируя таким образом изменения V, связанные с тепловым расширением. Измерения повторяют несколько раз, меняя направление тока. Значение I среднее за период измерения определяют по амперметру, а значения ?, ? и к берут из таблиц. При выполнении измерений необходимо, чтобы уровни жидкости находились на одной высоте; это исключает влияние гидростатического давления.
Можно проводить опыт по-иному, предоставив жидкости подниматься в одном из колен сосуда. В этом случае установится равновесие, в котором электрическая сила равна гидростатической (весу столба жидкости). Используя выражения (3) и (4) и формулу Пуазейля: , где Q - расход жидкости (поток) в единицу времени; Р - дпаление; r и l- радиус и длина капилляра; К - константа, определяемая геометрическими параметрами, получаем:
Измеряя равновесную высоту поднятия h, и, следовательно, гидростатическое давление P = gdh, можно найти ?, если известен радиус пор r.
Электрофорез
Движение частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле в жидкой среде схематически изображено на рис. 3.
Рис. 3. Схема электрофореза
Отрицательно заряженная частица вместе с плотным слоем ионов внешней обкладки приобретает направленное движение в сторону положительного полюса, тогда как ионная атмосфера (диффузный слой) перемещается в противоположном направлении. При выборе системы координат, неподвижно связанной с частицей, получается картина, принципиально идентичная электроосмосу, и, следовательно, уравнение (3) должно быть применимым к электрофорезу (с обратным знаком). В отличие от электроосмоса здесь можно непосредственно измерить линейную скорость движения частиц u, а также поле X = E/l, гдн E - разность потенциалов на электродах; l - расстояние между ними.
Многочисленные эксперименты подтвердили применимость уравнения (3) к электрофорезу, в частности, линейную зависимость -uэф = -uэо от Х. Целесообразно ввести понятие электрофоретической подвижности v, равной скорости движения частицы в единичном поле (Х = 1):
В этом случае уравнение (3) запишется или для разбавленных водных растворов при 20ОС в практической системе электрических единиц где v выражено в = .
Значения v, измеренные на опыте, оказываются несколько меньшими, чем для обычных ионов в растворе и лежат в большинстве случаев в интервале (0,1 - 5)*10-4 см2/(с*В), что соответствует значениям ? от 1,5 до 75 МВ.
Методика измерения электрофореза сводится либо к непостредственной регистрации скорости движения частицы в электрическом поле в плоской камере под микроскопом (или ультрамикроскопом) при помощи сетки или шкалы, помещенной в окуляр (окулярмикрометр), либо по скорости перемещения границы золя с «боковой» жидкостью в градуированной U-образной трубке.
Вывод
?-потенциал есть мера интенсивности элетрокинетических явлений.
Измеряя параметры таких электрокинетических явлений, как электроосмос и электрофорез, можно вычислить ?-потенциал на основе теории, связывающей его с этими параметрами.
Экспериментальное определение Q и I позволяет вычислить ?-потенциал.
Список литературы
1) Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: «Химия», 1980г.
2) Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: «Химия», 1976г
3) Григоров О.Н. Электрокинетические явления. М.: «Наука», 1973г.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
