La deposición de partículas es la unión espontánea de partículas a superficies. Las partículas en cuestión son normalmente partículas coloidales , mientras que las superficies involucradas pueden ser planas, curvadas o pueden representar partículas de tamaño mucho mayor que las que se depositan (por ejemplo, granos de arena). Los procesos de deposición pueden desencadenarse por las condiciones de flujo hidrodinámico adecuadas y las interacciones favorables entre las partículas y la superficie. El depósito de partículas puede formar simplemente una monocapa que inhibe adicionalmente el depósito adicional de partículas y, por lo tanto, se hace referencia al bloqueo de la superficie . Las partículas unidas inicialmente también pueden servir como semillas para una mayor deposición de partículas, lo que conduce a la formación de depósitos de partículas más gruesos, y este proceso se denomina maduración de la superficie oensuciamiento . Si bien los procesos de deposición son normalmente irreversibles, las partículas depositadas inicialmente también pueden desprenderse. Este último proceso se conoce como liberación de partículas y a menudo se desencadena mediante la adición de productos químicos apropiados o una modificación en las condiciones de flujo.
Los microorganismos pueden depositarse en las superficies de manera similar a las partículas coloidales. Cuando macromoléculas, como proteínas , polímeros o polielectrolitos se adhieren a las superficies, a este proceso se le llama adsorción . Si bien la adsorción de macromoléculas se parece en gran medida a la deposición de partículas, las macromoléculas pueden deformarse sustancialmente durante la adsorción. El presente artículo trata principalmente de la deposición de partículas de líquidos, pero se produce un proceso similar cuando se depositan aerosoles o polvo de la fase gaseosa.
Fases iniciales
Una partícula puede difundirse a una superficie en condiciones de reposo, pero este proceso es ineficaz ya que se desarrolla una capa de agotamiento gruesa, lo que conduce a una desaceleración progresiva de la deposición. Cuando la deposición de partículas es eficiente, procede casi exclusivamente en un sistema bajo flujo. En tales condiciones, el flujo hidrodinámico transportará las partículas cerca de la superficie. Una vez que una partícula se sitúa cerca de la superficie, se adherirá espontáneamente, cuando las interacciones entre la partícula y la superficie sean atractivas. En esta situación, se hace referencia a condiciones favorables de deposición . Cuando la interacción es repulsiva a distancias más grandes, pero atractiva a distancias más cortas, la deposición seguirá ocurriendo pero se ralentizará. Uno se refiere aquí a condiciones de depósito desfavorables . Las etapas iniciales del proceso de deposición se pueden describir con la ecuación de velocidad [1]
donde Γ es la densidad numérica de partículas depositadas, t es el tiempo, c la concentración numérica de partículas yk el coeficiente de velocidad de deposición. El coeficiente de velocidad depende de la velocidad del flujo, la geometría del flujo y el potencial de interacción de la partícula depositada con el sustrato. En muchas situaciones, este potencial puede aproximarse mediante una superposición de fuerzas atractivas de van der Waals y fuerzas eléctricas repulsivas de doble capa y puede describirse mediante la teoría DLVO . Cuando la carga de las partículas es del mismo signo que el sustrato, la deposición será favorable a niveles altos de sal, mientras que será desfavorable a niveles más bajos de sal. Cuando la carga de las partículas es de signo opuesto al sustrato, la deposición es favorable para todos los niveles de sal, y se observa una pequeña mejora de la velocidad de deposición con la disminución del nivel de sal debido a las atractivas fuerzas electrostáticas de doble capa. Las etapas iniciales del proceso de deposición son relativamente similares a las etapas iniciales de la heteroagregación de partículas , en las que una de las partículas es mucho más grande que la otra.
Bloqueo
Cuando las partículas depositadas se repelen entre sí, la deposición se detendrá cuando se hayan depositado suficientes partículas. En un momento, dicha capa superficial repelerá cualquier partícula que aún pueda intentar depositarse. Se dice que la superficie está saturada o bloqueada por las partículas depositadas. El proceso de bloqueo se puede describir mediante la siguiente ecuación [2]
donde B (Γ) es la función de bloqueo de la superficie. Cuando no hay partículas depositadas, Γ = 0 y B (0) = 1. Con el aumento de la densidad del número de partículas depositadas, la función de bloqueo disminuye. La superficie se satura en Γ = Γ 0 y B (Γ 0 ) = 0. La función de bloqueo más simple es [3]
y se conoce como función de bloqueo de Langmuir, ya que está relacionada con la isoterma de Langmuir .
El proceso de bloqueo se ha estudiado en detalle en términos del modelo de adsorción secuencial aleatoria (RSA). [4] El modelo RSA más simple relacionado con la deposición de partículas esféricas considera la adsorción irreversible de discos circulares. Un disco tras otro se coloca al azar en una superficie. Una vez que se coloca un disco, se pega en el mismo lugar y no se puede quitar. Cuando un intento de depositar un disco resultaría en una superposición con un disco ya depositado, este intento es rechazado. Dentro de este modelo, la superficie se llena inicialmente rápidamente, pero cuanto más se acerca a la saturación, más lento se llena la superficie. Dentro del modelo RSA, la saturación se conoce como interferencia. En el caso de los discos circulares, el atasco se produce con una cobertura de 0,547. Cuando las partículas depositadas están polidispersas, se puede alcanzar una cobertura de superficie mucho mayor, ya que las partículas pequeñas podrán depositarse en los orificios entre las partículas depositadas más grandes. Por otro lado, las partículas en forma de varilla pueden dar lugar a una cobertura mucho menor, ya que unas pocas varillas desalineadas pueden bloquear una gran parte de la superficie.
Dado que la repulsión entre partículas en suspensiones acuosas se origina por fuerzas eléctricas de doble capa, la presencia de sal tiene un efecto importante sobre el bloqueo de la superficie. Para partículas pequeñas y con poca sal, la capa difusa se extenderá mucho más allá de la partícula y, por lo tanto, creará una zona de exclusión a su alrededor. Por lo tanto, la superficie se bloqueará con una cobertura mucho más baja de lo que se esperaría según el modelo RSA. [5] Con más sal y partículas más grandes, este efecto es menos importante, y el modelo RSA puede describir bien la deposición.
Madurez
Cuando las partículas que se depositan se atraen entre sí, se depositarán y agregarán al mismo tiempo. Esta situación dará como resultado una capa porosa hecha de agregados de partículas en la superficie, y se conoce como maduración. La porosidad de esta capa dependerá de si el proceso de agregación de partículas es rápido o lento. La agregación lenta conducirá a una capa más compacta, mientras que la agregación rápida a una más porosa. La estructura de la capa se parecerá a la estructura de los agregados formados en las últimas etapas del proceso de agregación.
Técnicas experimentales
La deposición de partículas se puede seguir mediante diversas técnicas experimentales. La observación directa de las partículas depositadas es posible con un microscopio óptico , un microscopio electrónico de barrido o un microscopio de fuerza atómica . La microscopía óptica tiene la ventaja de que la deposición de partículas se puede seguir en tiempo real mediante técnicas de video y la secuencia de imágenes se puede analizar cuantitativamente. [6] Por otro lado, la resolución de la microscopía óptica requiere que el tamaño de partícula investigado supere al menos 100 nm.
Una alternativa es utilizar técnicas sensibles a la superficie para seguir la deposición de partículas, como reflectividad , elipsometría , resonancia de plasmón superficial o microbalanza de cristal de cuarzo . [5] Estas técnicas pueden proporcionar información sobre la cantidad de partículas depositadas en función del tiempo con buena precisión, pero no permiten obtener información sobre la disposición lateral de las partículas.
Otro enfoque para estudiar la deposición de partículas es investigar su transporte en una columna cromatográfica . La columna se rellena con partículas grandes o con un medio poroso a investigar. Posteriormente, la columna se enjuaga con el disolvente a investigar y la suspensión de las partículas pequeñas se inyecta en la entrada de la columna. Las partículas se detectan en la salida con un detector cromatográfico estándar. Cuando las partículas se depositan en el medio poroso, no llegarán a la salida, y de la diferencia observada se puede inferir el coeficiente de velocidad de deposición.
Relevancia
La deposición de partículas se produce en numerosos sistemas naturales e industriales. A continuación se dan algunos ejemplos.
- Recubrimientos y funcionalización de superficies . Las pinturas y los adhesivos a menudo son suspensiones concentradas de partículas coloidales y, para adherirse bien a la superficie, las partículas deben depositarse en la superficie en cuestión. Los depósitos de una monocapa de partículas coloidales se pueden utilizar para modelar la superficie en una escala de μm o nm, un proceso denominado litografía coloidal . [7]
- Filtros y membranas de filtración . Cuando las partículas se depositan en los filtros o las membranas de filtración, provocan la obstrucción de los poros y el ensuciamiento de la membrana. [8] Al diseñar membranas que funcionen bien, se debe evitar la deposición de partículas y es esencial la funcionalización adecuada de las membranas.
- Deposición de microorganismos . Los microorganismos pueden depositarse de manera similar a las partículas coloidales. Esta deposición es un fenómeno deseado en las aguas subterráneas, ya que el acuífero filtra los microorganismos eventualmente inyectados durante la recarga de los acuíferos. [9] Por otro lado, tal deposición es altamente indeseable en la superficie de los dientes humanos ya que representa el origen de las placas dentales . La deposición de microorganismos también es relevante en la formación de biopelículas .
Ver también
Referencias
- ^ WB Russel, DA Saville, WR Schowalter, Dispersiones coloidales , Cambridge University Press, 1989.
- ^ M. Elimelech, J. Gregory, X. Jia, R. Williams, Deposición y agregación de partículas: medición, modelado y simulación , Butterworth-Heinemann, 1998.
- ↑ Z. Adamczyk, Adv. Interfaz coloide Sci. 2003, 100, 267-347.
- ^ JW Evans, Rev. Mod. Phys. 65 (1993) 1281-1329.
- ↑ a b M. R. Bohmer, EA van der Zeeuw, GJM Koper, J. Colloid Interface Sci. 197 (1998) 242-250.
- ^ Y. Luthi, J. Ricka, J. Colloid Interface Sci. 206 (1998) 302-313.
- ^ R. Michel, I. Reviakine, DS Sutherland, G. Fokas, G. Csucs, G. Danuser, ND Spencer, M. Textor, Langmuir 18 (2002) 8580-8586.
- ↑ X. Zhu, M. Elimelech, Environ. Sci. Technol. 31 (1997) 3654-3662.
- ^ SF Simoni, H. Daños, TNP Bosma, AJB Zehnder, Environ. Sci. Technol. 32 (1998) 2100-2105