Электрокинетические явления

При перемещении дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием механических или электрических сил наблюдаются электрокинетические явления. Твёрдые частицы дисперсной фазы движутся в дисперсионной среде вместе с адсорбционным слоем толщиной d. Противоионы ДЭС располагаются в неподвижной дисперсионной среде диффузно. На границе раздела (штриховая линия на рис. 6.1) возникает скачок электрического потенциала, называемый электрокинетическим или дзета-потенциалом (z).

Рис. 6.1. Схема строения адсорбционного слоя у поверхности частицы
дисперсной фазы

Различают потенциалы протекания, возникающие при движении жидкости относительно твёрдого тела, и потенциалы седиментации, возникающие при перемещении дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием приложенной извне электродвижущей силы.

Потенциалы протекания определяют измеряя разность потенциалов между концами капилляра, разделяющего объёмы раствора электролита. Причём движение раствора через капилляр вызывается приложенным внешним давлением. Значение потенциала протекания используется для расчёта дзета-потенциала.

Согласно Смолуховскому, дзета-потенциал прямо пропорционален коэффициенту вязкости раствора h, удельной электропроводности раствора c_V , потенциалу протекания E и обратно пропорционален приложенному давлению p и диэлектрической постоянной e:

z^o = h c_V E / (e e₀ p) ,

где e₀ — абсолютная диэлектрическая постоянная в вакууме
(8,854 ^· 10 ^–12 А ^· с ^· В^{–1 ·} м^–1).

Удельная электропроводность в порах c отличается от значения в объёме раствора c_V , так как в порах и капиллярах наблюдается поверхностная проводимость c _s . Раствор электролита в капилляре или в порах мембраны обладает большей электропроводностью, чем в объёме. Дополнительная электропроводность обусловлена проводимостью ионов двойного электрического слоя.

Итак, удельная электропроводность в порах равна сумме значений объёмной и поверхностной удельных электропроводностей:

c = c_V + c _s .

Учёт поверхностной проводимости в расчётах дзета-потен­циала осуществляют введением в формулу коэффициента эффективности мембран и капилляров a:

a = (c_V + c _s) / c_V .

Следовательно,

z = a z^о

или z = (c_V + c _s) h E / (e e₀ p) ,

где z^о — неисправленное значение дзета-потенциала.

Поверхностную проводимость необходимо учитывать при оценке фактического сопротивления мембран, диафрагм и расчёте дзета-потенциала.

6.2.1. Электрофорез

При наложении на дисперсную систему внешнего электрического поля диспергированное вещество часто начинает передвигаться относительно дисперсионной среды.

Перемещение дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля называется электрофорезом.

Электрофорез был открыт Ф. Ф. Рейссом (1808). Он погрузил две стеклянные трубки с впаянными в них электродами в слой глины, заполнил трубки водой и присоединил электроды к источнику тока. Под действием приложенного электрического поля частицы глины начали перемещаться к положительно заряженному электроду.

Электрофорез характеризуется электрофоретической подвижностью частиц (u _эф.) — расстоянием, проходимым частицей за секунду в поле с градиентом потенциала j = 100 В/м:

u _эф. = L / (t j) = u / j = u l / E _вн. ,

где L — путь, пройденный частицей, м; t — время, с; j — градиент потенциала, В/м; u — скорость движения частицы, м/с; l — расстояние между электродами, м; E _вн. — разность потенциалов электрического поля, В.

Электрофоретическая подвижность рассчитывается по формуле Смолуховского:

u _эф. = z e e₀ / h ,

Если известна величина электрофоретической подвижности из данных микро- или макроскопического эксперимента, то можно рассчитать дзета-потенциал:

z = u _эф. h / (e e₀).

6.2.2. Электроосмос

Электроосмос (явление обратное электрофорезу) в 1808 году открыл также Ф. Ф. Рейсс.

Электроосмосом называют явление перемещения диспер­сионной среды через капилляр или мембрану под действием внешнего электрического поля (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема установки Ф. Ф. Рейсса для демонстрации электроосмоса:
1 — трубка с водой; 2 — кварцевый песок; 3 — электроды;
4 — выключатель; 5 — источник постоянного тока

Гельмгольц и Смолуховский разработали теорию электроосмоса и вывели уравнение для расчёта дзета-потенциала:

z = h V l _к. / (E _вн. S _эф. e e₀) ,

где V — объёмная скорость потока; l _к. — длина капилляра; S _эф. — суммарная эффективная площадь поперечного сечения капиллярной системы.

Эта формула применима только для одиночных капилляров из-за трудности определения l _к. и S _эф. . Обойти эту “трудность” можно, воспользовавшись законом Ома:

I = E _вн. / R; E _вн. = I l _к. / (c S _эф.) и z = h c V / (e e₀ I ).

Экспериментально установлено, что величина дзета-потен­циала не зависит от структурных характеристик капилляра или мембраны.

Таким образом, дзета-потенциал является

величиной постоянной
для данной границы раздела.