4.2 Электрокинетические явления

На поверхности твердого тела при его контакте с жидкостью самопроизвольно возникает избыточный электрический заряд, который компенсируется противоионами. В результате на границе раздела фаз Т–Ж формируется двойной электрический слой. Образование двойного электрического слоя происходит самопроизвольно, как следствие стремления поверхностной энергии к минимуму и в связи с особыми свойствами границы раздела Т–Ж.

Большая удельная поверхность частиц дисперсной фазы способствует накоплению на границе раздела фаз значительного электрического заряда, который становится причиной электрокинетических явлений – перемещения фазы или среды под действием внешнего электрического поля, а также возникновения электрических зарядов при движении частиц дисперсной фазы или жидкой дисперсионной среды. Электрокинетические явления сопутствуют технологическим процессам во многих отраслях пищевой промышленности для очистки и обезвоживания пищевых масс.

Возникновение на границе электрических зарядов характерно, прежде всего, для золей и суспензий, дисперсная фаза которых формируется из твердых частиц.

Строение двойного электрического слоя приведено на рис. 1 Возникающий при этом термодинамический потенциал () резко падает в адсорбционном слое и постепенно до нуля в диффузном слое. Та часть всего потенциала, которая приходится на диффузный слой, называется электрокинетическим потенциалом или  - потенциалом (дзета – потенциалом). Т.е. разность потенциалов между подвижной (диффузной) и неподвижной (адсорбционной) частями двойного электрического слоя называется электрокинетическим или  - потенциалом.

Рис. 1 Схема двойного электрического слоя

a – адсорбционный слой; b – диффузный слой;

ζ – электрокинетический потенциал; А-А – граница скольжения.

Дзета-потенциал является важнейшей характеристикой двойного электрического слоя: он определяет возможность и скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетических явлений, устойчивость золей и разрушение дисперсных систем электролитами. Изменение ζ-потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов.

Двойной электрическаий слой и ζ-потенциал как его основная характеристика формируются на твердых поверхностях, окруженных раствором электролитов, а также при образовании мицелл. Мицелла — это электрически нейтральная коллоидная частица, которая в отличие от других коллоидных систем образуется в результате взаимодействия растворенных веществ.

Внешнее электрическое поле вызывает такие электрокинетические явления дисперсных систем, как электрофорез и электроосмос.

Электрофорез — это перемещение под действием электрического поля частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды.

Электроосмос – это перемещение жидкости относительно неподвижной твердой фазы под действием электрического тока.

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

Измерив скорость движения частиц и зная градиент потенциала приложенного электрического поля, можно вычислить электрофоретическую подвижность частиц.

Электрофоретической подвижностью (U) называют путь, который проходят частицы в секунду при градиенте потенциала 1 .

Электрофоретическая подвижность рассчитывается по уравнению:

(4.7)

где h – путь, пройденный частицами, м;

τ - время, с;

- градиент потенциала внешнего электрического поля; Е – напряжение, В; – расстояние между электродами, м.

Согласно уравнению Гельмгольца–Смолуховского, электрофоретическая подвижность прямо пропорциональна электрокинетическому потенциалу частиц () и обратно пропорциональна вязкости жидкости (η):

или , (4.8)

где η – вязкость воды, η = 10^-3 Пас;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость воды, ε = 81;

ε₀ – электрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость в вакууме), ε₀ = 8,85×10^-12 (Ф – фарада, единица измерения емкости, ).

Подставляя значения η, ε, ε₀ и U из формулы (6.11)(3.1) можно получить:

, В (4.9)

Рассмотрим пример решения задачи по нахождению электрофоретической подвижности (в контрольной работе это задача 4)

Задача №2: Электрофорез гидрозоля Fe(OH)₃ проводили при разности потенциалов на электродах 80 В и расстоянии между электродами 23 см. Перемещение частиц за 10 минут составило 4 мм. Вычислите ζ -потенциал частиц.

Решение: В соответствии с формулой (4.9) ζ -потенциал частиц золя равен:.