7.3. Электрокинетические явления

Электрический заряд может возникать на любой твердой поверхности, находящейся в контакте с жидкостью. Значение удельного заряда сравнительно небольшое: например, для глины на границе с водой оно составляет несколько десятков милликулонов, поэтому поверхность куска глины массой 1 кг, равная сотым долям квадратного метра, будет иметь ничтожно малый электрический заряд. Частицы глины общей массой 1 кг реализуют поверхность в миллионы раз большую, чем ее сплошной кусок, что приводит к резкому увеличению заряда поверхности. Появление значительного заряда поверхности является причиной возникновения особых электрокинетических явлений, характерных только для дисперсных систем.

Электрокинетическими называют такие явления, которые возникают при воздействии электрического поля на дисперсные системы и в результате перемещения частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды. Несмотря на различие электрокинетических явлений все они связаны с наличием двойного электрического слоя и определяются ζ-потенциалом, который именно поэтому и называют электрокинетическим.

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. Схема электрофореза показана на рис. 7.5, где частица дисперсной фазы для наглядности дана в увеличенном масштабе. При наложении внешнего электрического поля частицы дисперсной фазы начинают двигаться к электроду, знак заряда которого противоположен знаку ζ-потенциала; направление движения частицы на рисунке показано стрелкой.

Движение частиц при электрофорезе обусловлено притяжением разноименных зарядов. Диффузный слой не препятствует взаимодействию разноименных зарядов. Противоионы в этом слое подвижны, распределяются неравномерно и не в состоянии экранировать действие внешнего электрического поля на частицы дисперсной фазы. Движение частиц происходит по границе скольжения (линия АА на рис. 7.2, б).

В процессе электрофореза нарушается сферическая симметрия диффузного слоя противоионов, и он начинает двигаться в сторону, противоположную движению частиц. Противоположно направленный поток частиц диффузного слоя тормозит движение частиц. Этот эффект называют электрофоретическим торможением (короткая стрелка на рис. 7.5).

Рис. 7.5. Схема электрофореза:

1–3 — см. рис. 7.1

Рис. 7.6. Схема электроосмоса

1 — дисперсная система; 2 — перегородка

При электрофорезе происходит движение частиц дисперсной фазы в направлении силовых линий электрического поля. Электрофорез используют для получения новых материалов, нанесения покрытий, очистки веществ от примесей и выделения продуктов. В медицине электрофорез применяют для введения лекарственных веществ. На кожу пациента накладывают тампон, смоченный раствором лекарственного препарата, а сверху — электроды, к которым приложен низкий, безопасный для организма потенциал. В ходе этой процедуры частички лекарственного препарата под действием электрического поля переходят в ткани организма человека.

Электроосмосом называют перемещение дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля (рис. 7.6). Движение дисперсионной среды обусловлено притяжением разноименных зарядов. Оно происходит зачастую в капиллярах и в каналах пористых тел. Когда ζ-потенциал отрицательный, то положительно заряженные противоионы диффузного слоя притягиваются к отрицательному электроду (см. рис. 7.5). Противоионы увлекают за собой жидкость, составляющую дисперсионную среду. В результате этого происходит движение жидкости, причем перемещение жидкой дисперсионной среды относительно частиц дисперсной фазы, как и в случае электрофореза, происходит по границе скольжения.

Электроосмос используют, например, для обезвоживания древесины и других пористых материалов: строительных, грунта, продуктов питания, сырья для пищевой промышленности и др. Влажную массу помещают между электродами, а вода в зависимости от структуры ДЭС движется к одному из них и собирается в специальной емкости.

Для осуществления электрофореза или электроосмоса необходимо внешнее электрическое поле, т.е. движение частиц при электрофорезе или среды при электроосмосе является следствием воздействия этого поля.

Для потенциала седиментации и потенциала течения первичным является движение дисперсной фазы или дисперсионной среды, а вторичным — возникновение электрического потенциала.

Потенциал седиментации возникает при седиментации (оседании) частиц дисперсной фазы за счет избыточного заряда частиц, определяемого ζ-потенциалом.

С хема возникновения потенциала седиментации показана на рис. 7.7. Частицы дисперсной фазы оседают под действием гравитации. Процесс оседания частиц называют седиментацией (см. параграф 10.2). При оседании частиц дисперсионная среда практически остается неподвижной. Частицы движутся совместно с потенциалобразующим слоем ионов и адсорбционным слоем противоионов. Их перемещение относительно жидкой дисперсионной среды происходит по границе скольжения.

П

Рис. 7.7. Схема возникновения потенциала седиментации:

1–3 — см. рис. 7.5

отенциал седиментации обратен электрофорезу. И в том и другом случае происходит движение частиц. Но при электрофорезе перемещение происходит в результате взаимодействия электрического поля с избыточным зарядом частиц, а при потенциале седиментации в процессе оседания частиц возникает разность потенциалов (см. рис. 7.7).

Потенциал течения возникает при перемещении жидкой дисперсионной среды. Схематически потенциал течения показан на рис. 7.8. Жидкость движется под влиянием внешнего воздействия: насоса, давления воздуха или какого-либо другого источника. При движении жидкости увлекаются противоионы диффузного слоя, имеющие в нашем примере положительный знак (см. рис. 7.3). В этом случае, как и в других электрокинетических явлениях, перемещение жидкой дисперсионной среды относительно твердой дисперсной фазы происходит по границе скольжения и приводит к появлению разности потенциалов.

Потенциал течения обратен электроосмосу — в обоих случаях происходит движение дисперсионной среды: для потенциала течения — в результате внешнего воздействия, а для электроосмоса — под действием электрического поля.

Электрокинетические явления зависят от формы и материала частиц, структуры ДЭС, энергетической и геометрической неоднородности поверхности твердых тел, наличия в жидкости примесей, условий приложений электрического поля, конструкции электродов и других факторов. Следует отметить, что явление электрофореза характерно главным образом для коллоидных растворов (золей), т.е. для систем, у которых размеры частиц дисперсной фазы не превышают 0,1 мкм. Электроосмос и потенциал течения могут наблюдаться не только в отношении коллоидных растворов, которые являются высокодисперсными системами, но и в отношении средне- и грубодисперсных систем. Потенциал седиментации проявляется для седиментационно-неустойчивых систем, т.е. средне- и грубодисперсных.

Рис. 7.8. Схема потенциала течения: 1 — дисперсная система; 2 — перегородка

Электрофорез и электроосмос используют в производственных целях в ряде отраслей промышленности (табл. 7.1).

Т а б л и ц а 7.1