El potencial de sedimentación ocurre cuando las partículas dispersas se mueven bajo la influencia de la gravedad o la centrifugación en un medio. Este movimiento interrumpe la simetría de equilibrio de la doble capa de la partícula . Mientras la partícula se mueve, los iones de la doble capa eléctrica se quedan atrás debido al flujo de líquido. Esto provoca un ligero desplazamiento entre la carga superficial y la carga eléctrica de la capa difusa . Como resultado, la partícula en movimiento crea un momento dipolar . La suma de todos los dipolos genera un campo eléctrico que se llama potencial de sedimentación.. Se puede medir con un circuito eléctrico abierto, que también se denomina corriente de sedimentación .
Hay descripciones detalladas de este efecto en muchos libros sobre ciencia de interfaces y coloides . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Energía superficial
Los fenómenos electrocinéticos son una familia de varios efectos diferentes que ocurren en fluidos heterogéneos o en cuerpos porosos llenos de fluido. La suma de estos fenómenos se relaciona con el efecto sobre una partícula de algún exterior que resulta en un efecto electrocinético neto.
La fuente común de todos estos efectos proviene de la "doble capa" interfacial de cargas. Las partículas influenciadas por una fuerza externa generan el movimiento tangencial de un fluido con respecto a una superficie cargada adyacente. Esta fuerza puede consistir en electricidad, gradiente de presión, gradiente de concentración, gravedad. Además, la fase en movimiento puede ser el fluido continuo o la fase dispersa.
El potencial de sedimentación es el campo de los fenómenos electrocinéticos que se ocupan de la generación de un campo eléctrico mediante la sedimentación de partículas coloides.
Historia de modelos
Este fenómeno fue descubierto por primera vez por Dorn en 1879. Observó que se había desarrollado un campo eléctrico vertical en una suspensión de perlas de vidrio en agua, a medida que las perlas se asentaban. Este fue el origen del potencial de sedimentación, que a menudo se denomina efecto Dorn.
Smoluchowski construyó los primeros modelos para calcular el potencial a principios del siglo XX. Booth creó una teoría general sobre el potencial de sedimentación en 1954 basada en la teoría de Overbeek de 1943 sobre electroforesis. En 1980, Stigter amplió el modelo de Booth para permitir mayores potenciales de superficie. Ohshima creó un modelo basado en el modelo de 1978 de O'Brien y White utilizado para analizar la velocidad de sedimentación de una sola esfera cargada y el potencial de sedimentación de una suspensión diluida.
Generación de un potencial
Cuando una partícula cargada se mueve a través de una fuerza gravitacional o centrifugación, se induce un potencial eléctrico . Mientras la partícula se mueve, los iones de la doble capa eléctrica se retrasan creando un momento dipolar neto debido al flujo de líquido. La suma de todos los dipolos de la partícula es lo que causa el potencial de sedimentación. El potencial de sedimentación tiene el efecto opuesto en comparación con la electroforesis donde se aplica un campo eléctrico al sistema. A menudo se hace referencia a la conductividad iónica cuando se trata de potencial de sedimentación.
La siguiente relación proporciona una medida del potencial de sedimentación debido al asentamiento de esferas cargadas. Descubierto por primera vez por Smoluchowski en 1903 y 1921. Esta relación solo es válida para las capas dobles eléctricas no superpuestas y para las suspensiones diluidas. En 1954, Booth demostró que esta idea era válida para el polvo de vidrio Pyrex que se depositaba en una solución de KCl. De esta relación, el potencial de sedimentación, E S , es independiente del radio de la partícula y que E S → 0, Φ p → 0 (una sola partícula).
El potencial de sedimentación de Smoluchowski se define donde ε 0 es la permitividad del espacio libre, D la constante dieléctrica adimensional, ξ el potencial zeta, g la aceleración debida a la gravedad, Φ la fracción de volumen de partículas, ρ la densidad de partículas, ρ o la densidad media, λ la conductividad volumétrica específica y η la viscosidad. [8]
Smoluchowski desarrolló la ecuación bajo cinco supuestos:
- Las partículas son esféricas, no conductoras y monodispersas.
- Se produce un flujo laminar alrededor de las partículas (número de Reynolds <1).
- Las interacciones entre partículas son insignificantes.
- La conducción superficial es insignificante.
- El espesor de la doble capa 1 / κ es pequeño en comparación con el radio de partícula a (κa >> 1). [8]
Donde D i es el coeficiente de difusión de la i-ésima especie de soluto, y n i∞ es la concentración numérica de la solución de electrolito.
El modelo de Ohshima se desarrolló en 1984 y se utilizó originalmente para analizar la velocidad de sedimentación de una sola esfera cargada y el potencial de sedimentación de una suspensión diluida. El modelo proporcionado a continuación es válido para suspensiones diluidas de potencial zeta bajo, es decir , e ζ / κ B T ≤2
Pruebas
Medición
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/30/Rotational_method_for_measurement_of_sedimentation_potential.png/220px-Rotational_method_for_measurement_of_sedimentation_potential.png)
El potencial de sedimentación se mide conectando electrodos a una columna de vidrio llena con la dispersión de interés. Se adjunta un voltímetro para medir el potencial generado por la suspensión. Para tener en cuenta las diferentes geometrías del electrodo, la columna generalmente se gira 180 grados mientras se mide el potencial. Esta diferencia de potencial a través de la rotación de 180 grados es el doble del potencial de sedimentación. El potencial zeta se puede determinar midiendo el potencial de sedimentación, ya que se conocen la concentración, la conductividad de la suspensión, la densidad de la partícula y la diferencia de potencial. Al girar la columna 180 grados, se pueden ignorar las diferencias de deriva y geometría de la columna. [9]
Cuando se trata del caso de sistemas concentrados, el potencial zeta se puede determinar mediante la medición del potencial de sedimentación. , de la diferencia de potencial relativa a la distancia entre los electrodos. Los otros parámetros representan lo siguiente: la viscosidad del medio; la conductividad a granel; la permitividad relativa del medio;la permitividad del espacio libre; la densidad de la partícula; la densidad del medio; es la aceleración debida a la gravedad; y σ ∞ es la conductividad eléctrica de la solución de electrolito a granel. [9]
Se desarrolló una celda de diseño mejorado para determinar el potencial de sedimentación, la conductividad específica, la fracción de volumen de los sólidos y el pH. En esta configuración se utilizan dos pares de electrodos, uno para medir la diferencia de potencial y el otro para la resistencia. Se utiliza un interruptor de palanca para evitar la polarización de los electrodos de resistencia y la acumulación de carga al alternar la corriente. El pH del sistema se pudo controlar y el electrolito se introdujo en el tubo usando una bomba de vacío. [10]
Aplicaciones
Aplicaciones del fraccionamiento de flujo de campo de sedimentación (SFFF)
El fraccionamiento de flujo del campo de sedimentación (SFFF) es una técnica de separación no destructiva que se puede utilizar tanto para la separación como para la recolección de fracciones. Algunas aplicaciones de SFFF incluyen la caracterización del tamaño de partícula de materiales de látex para adhesivos, recubrimientos y pinturas, sílice coloidal para aglutinantes, recubrimientos y agentes compuestos, pigmentos de óxido de titanio para pinturas, papel y textiles, emulsión para refrescos y materiales biológicos como virus y liposomas. [11]
Algunos aspectos principales de SFFF incluyen: proporciona posibilidades de alta resolución para mediciones de distribución de tamaño con alta precisión, la resolución depende de las condiciones experimentales, el tiempo de análisis típico es de 1 a 2 horas y es una técnica no destructiva que ofrece la Posibilidad de recolectar fracción. [11]
Análisis del tamaño de partículas por fraccionamiento del flujo del campo de sedimentación.
Como el fraccionamiento de flujo de campo de sedimentación (SFFF) es una de las técnicas de separación por fraccionamiento de flujo de campo, es apropiado para el fraccionamiento y caracterización de materiales particulados y muestras solubles en el rango de tamaño de coloide. Las diferencias en la interacción entre un campo de fuerza centrífuga y partículas con diferentes masas o tamaños conducen a la separación. Una distribución exponencial de partículas de cierto tamaño o peso se debe al movimiento browniano. Algunas de las suposiciones para desarrollar las ecuaciones teóricas incluyen que no hay interacción entre partículas individuales y que el equilibrio puede ocurrir en cualquier lugar de los canales de separación. [11]
Ver también
Varias combinaciones de la fuerza impulsora y la fase de movimiento determinan varios efectos electrocinéticos. Siguiendo "Fundamentals of Interface and Colloid Science" de Lyklema (1995), la familia completa de fenómenos electrocinéticos incluye:
Fenómeno electrocinético | Descripción del evento |
---|---|
Electroforesis | como movimiento de partículas bajo la influencia del campo eléctrico |
Electro-ósmosis | como movimiento de líquido en un cuerpo poroso bajo la influencia de un campo eléctrico |
Difusioforesis | como movimiento de partículas bajo la influencia de un gradiente de potencial químico |
Ósmosis capilar | como movimiento de líquido en un cuerpo poroso bajo la influencia del gradiente de potencial químico |
Potencial / corriente de transmisión | como potencial eléctrico o corriente generada por el fluido que se mueve a través de un cuerpo poroso, o en relación con una superficie plana |
Corriente de vibración coloidal | como corriente eléctrica generada por partículas que se mueven en un fluido bajo la influencia del ultrasonido |
Amplitud sónica eléctrica | como ultrasonido generado por partículas coloidales en campo eléctrico oscilante. |
Referencias
- ^ Lyklema, J. "Fundamentos de la interfaz y la ciencia coloide", vol.2, page.3.208, 1995
- ^ Hunter, RJ "Fundamentos de la ciencia coloide", Oxford University Press, 1989
- ^ Dukhin, SS & Derjaguin, BV "Fenómenos electrocinéticos", J.Willey and Sons, 1974
- ^ Russel, WB, Saville, DA y Schowalter, WR "Dispersiones coloidales", Cambridge University Press, 1989
- ^ Kruyt, HR "Ciencia coloide", Elsevier: Volumen 1, Sistemas irreversibles, (1952)
- ^ Dukhin, AS y Goetz, PJ Caracterización de líquidos, nanopartículas y micropartículas y cuerpos porosos mediante ultrasonido , Elsevier, 2017 ISBN 978-0-444-63908-0
- ^ Kirby, BJ (2010). Mecánica de fluidos a micro y nanoescala: transporte en dispositivos microfluídicos . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-11903-0.
- ^ a b Marlow, Bruce J .; Rowell, Robert L. (1985). "Potencial de sedimentación en electrolitos acuosos". Langmuir . 1 (1): 83–90. doi : 10.1021 / la00061a013 . ISSN 0743-7463 .
- ^ a b Ozaki, Masataka; Ando, Tomoyuki; Mizuno, Kenji (1999). "Un nuevo método para la medición del potencial de sedimentación: método de columna rotativa". Coloides y superficies A: aspectos fisicoquímicos y de ingeniería . 159 (2–3): 477–480. doi : 10.1016 / S0927-7757 (99) 00278-2 . ISSN 0927-7757 .
- ↑ Uddin, S .; Mirnezami, M. y Finch, JA "Caracterización de superficies de sistemas minerales simples y mixtos utilizando el potencial de sedimentación". Sociedad de Minerales, Metales y Materiales 2010
- ^ a b c Merkus, HG; Mori, Y .; Scarlett, B. (1989). "Análisis de tamaño de partículas por fraccionamiento de flujo de campo de sedimentación. Rendimiento y aplicación". Ciencia de coloides y polímeros . 267 (12): 1102-1107. doi : 10.1007 / BF01496931 . ISSN 0303-402X . S2CID 98181572 .
- Anand Plappally, Alfred Soboyejo, Norman Fausey, Winston Soboyejo y Larry Brown, " Modelado estocástico de la alcalinidad del filtrado en dispositivos de filtración de agua: transporte a través de materiales cerámicos micro / nanoporosos a base de arcilla " J Nat Env Sci 2010 1 (2): 96-105 .