Лабораторная работа 6

Исследование процесса

электрофоретического осаждения суспензий

Цель работы: освоить метод электрофоретического осаждения суспензий; изучить влияние напряжения и времени осаждения на массу электрофоретического покрытия; рассчитать дзета-потенциал.

Приборы, оборудование и растворы: источник постоянного тока Б5-48; секундомер; магнитная мешалка; электрохимическая ячейка с никелевым цилиндрическим полым электродом; никелевые электроды (12 шт.); штатив; аналитические весы; сушильный шкаф; водяной термостат; суспензия: 60 г оксида алюминия, 30 г дистиллированной воды, 10 г пропанола.

Теоретическое введение

Явление электрофореза заключается в возникновении перемещения частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды при наложении внешнего электрического поля.

Обнаружить наличие электрофореза можно следующим образом:

1) наблюдая за границей раздела “золь — дисперсионная среда” (при наличии электрофореза эта граница перемещается к одному из электродов);

2) измеряя массу выделяющейся на одном из электродов дисперсной фазы;

3) наблюдая за изменением концентрации дисперсной фазы возле поверхности электрода.

Внешнее электрическое поле вынуждает перемещение коллоидных частиц и ионов диффузного слоя к электродам с противоположным им знаком заряда.

Дисперсная фаза смещается относительно дисперсионной среды по поверхности скольжения.

Электрофорез характеризуется электрофоретической подвижностью частиц, т.е. путём, 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 внешнего электрического поля, В.

Электрофоретическая подвижность рассчитывается по фор­муле Смолуховского:

u _эф. = z e e₀ / h ,

где z — дзета-потенциал; h — коэффициент вязкости дисперсионной среды; e — диэлектрическая постоянная;e₀ — абсолютная диэлектрическая постоянная в вакууме (8,854 ^· 10^–12 А ^· с ^· В^{–1 ·} м^–1).

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

z = u _эф. h / (e e₀).

Эти уравнения верны, если частицы не проводят электрический ток, движутся в однородном электрическом поле и толщина двойного электрического слоя вокруг них значительно меньше среднего диаметра частицы.

Расчёт дзета-потенциала на частицах, движущихся в разбавленных водных растворах при 293 К, можно производить с достаточной точностью по формуле

z = 1,42 ^· 10^{6 ·} u _эф. .

Опытные значения электрофоретической подвижности, как правило, составляют ~ 5 ^· 10^–8 м^{2 ·} (с ^· В)^–1 , а дзета-потенциала — до 0,100 В.

Отклонение экспериментальных значений дзета-потенциала и электрофоретической подвижности от рассчитанных по уравнениям Смолуховского связано с тем, что в них не учтено влияние релаксационного и электрофоретического торможения движения частиц (о релаксационном и электрофоретическом торможении см. в учебном пособии [12]).

Для учёта этих видов торможения Генри предложил использовать теорию сильных электролитов Хюккеля. Уравнение для расчёта электрофоретической подвижности, согласно Генри, приобрело вид

u _эф. = 2 z e e₀ f (k r) / (3 h) ,

где k = [2 n z ² e ² / (e e₀ k T)]^0,5 — параметр Дебая (k — постоянная Больцмана); r — радиус сферической частицы или длина цилиндрической частицы.

Значения функции f (k r) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Зависимость значений функции f (k r)

(k r)	0,1	0,3	1,0	3,0	5,0	10,0	20,0	50,0
f	1,0005	1,0040	1,0267	1,1005	1,1630	1,2500	1,3400	1,4240	1,4580

Электрофорез применяется в промышленности для получения электрофоретических покрытий и коагуляции суспензий.

Методика выполнения работы

1. Двенадцать никелевых электродов обезжирьте ацетоном, высушите и взвесьте на аналитических весах. Результаты взвешивания запишите в табл. 2.

2. Установите на выпрямителе Б5-48 (см. рис. 6.3) первое заданное преподавателем напряжение (например, 3 В).

Рис. 6.3. Схема установки для электрофореза

3. Налейте суспензию в электрофоретическую ванну 1.

4. Установите первый никелевый электрод 3 в электрофоретическую ванну и подключите его и катод 2 к выпрямителю.

5. Включите электромагнитную мешалку 4. Регулятор скорости вращения установите на первую риску.

6. Включите тумблер источника постоянного тока и секундомер.

7. Через заданное преподавателем время (5 с) выключите источник постоянного тока и секундомер.

8. Извлеките пинцетом никелевый электрод из электрофоретической ванны и установите его на штатив 5.

9. Повторите действия по пп. 2 — 8 при 6, 9 и 12 В.

10. Повторите действия по пп. 2 — 9, проводя осаждение в течение 10 и 15 с.

11. Высушите электроды с осадком в сушильном шкафу 6 при температуре 100 °С в течение 15 мин.

12. Взвесьте электроды с осадком на аналитических весах. Результаты запишите в табл. 2.

13. Измерьте линейкой длину осадка (h) на каждом электроде. Результаты запишите в табл. 2.

Таблица 2

Экспериментальные данные и расчётные значения

№	E вн., В	t, с	m, г	m oс., г	h, м	q эксп.,   кг/м	q теор.,   кг/м	D q,   кг/м	z ,   мВ
m Ni	m Ni+ос.
1 … 12

Обработка экспериментальных данных

1. Рассчитайте значения m _oс. по формуле

m _{oс., i} = m _{(Ni+ос.), i} – m _{Ni, i} .

2. Рассчитайте значения q _эксп. по формуле

q _{эксп., i} = m _{oс., i} / h_i .

3. Рассчитайте значения дзета-потенциала по формуле

z _i = h l ln (r ₁ / r ₂) / (E _{вн., i} e e₀).

Значения l вычислите по опытным данным следующим образом.

Постройте графики зависимости q _эксп. от времени при всех заданных напряжениях.

Рассчитайте угловой коэффициент b для всех прямых по формуле

b_i = D q_i / Dt _i .

Затем рассчитайте величину l:

l = (b_i / 2 p) (c_m – c _o.) (c_m c _o.) ^–1 ,

где c_m — концентрация суспензии в приэлектродном слое, кг/м³ ; c _o. — объёмная концентрация суспензии, кг/м³ .

4. Рассчитайте значения q _теор. по формуле

q _теор. = 2 p z _i E _{вн., i} e e₀ (c_m c _o.) t _i / [h (c_m – c _o.) ln (r ₁ / r ₂)] ,

где r ₁ и r ₂ — радиусы цилиндрических электродов, м.

5. Рассчитайте значения D q_i = q _теор. – q _{эксп., i} .

6. Результаты расчётов запишите в табл. 2.

7. Сделайте выводы о зависимости массы осадка от времени осаждения и от напряжения, подаваемого на электроды электрофоретической ванны.