4. Закономерности электрокинетических явлений.

Плоскость скольжения, по которой проходит разрыв ДЭС, может находиться на различном расстоянии от межфазной поверхности. Это расстояние определяется природой и свойствами сопряженных фаз. Следовательно, подвижность фаз влияет на значение электрокинетического потенциала.

Электроосмос.

Скорость течения жидкости в аористой мембране и ее направление при постоянной напряженности электрического поля определяется свойствами мембраны и раствора электролита. Качественное изучение электроосмоса позволяет определить знак -потенциала, а количественные измерения – установить зависимость между скоростью переноса жидкости в порах мембраны и величиной электрокинетического потенциала.

Для установления данной зависимости необходимо выполнение следующих условий:

- толщина ДЭС значительно меньше радиуса пор мембраны или пористого тела;

- слой жидкости, прилегающий к твердой фазе, неподвижен, а движение жидкости в порах ламинарное;

- распределение зарядов в ДЭС не зависит от приложенной разности потенциалов;

- твердая фаза является диэлектриком, а жидкость – электролитом.

При выводе основного уравнения электроосмоса Гельмгольц и Смолуховский использовали представление о ДЭС как о плоском конденсаторе:

 = ( * u₀) / (₀ *  * Е) (6.2)

где  - динамическая вязкость среды;

u₀ – объемная скорость движения жидкости в порах мембраны;

₀ – константа Фарадея;

 - диэлектрическая проницаемость среды;

Е – напряженность электрического поля.

Отношение u₀ / Е получило название электроосмостическая подвижность, при экспериментальном определении данная величина может быть рассчитана из уравнения:

u₀ / Е =  / I (6.3)

где  - электрпроводность среды;

I – сила тока.

При протекании электроосмоса в микропористых капиллярах необходимо учитывать поправку на поверхностную электропроводность, которая представляет собой приращение проводимости в капилляре за счет ДЭС:

 = _ + (_S *  / S) (6.4)

где _ - объемная электропроводность;

_S – поверхностная электропроводность;

 - длина окружности капилляра;

S – сечение капилляра.

Электрофорез.

При наложении на седиментационно устойчивые дисперсные системы разности потенциалов происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения. Частицы приобретают заряд потенциалопределяющих ионов, а дисперсионная среда – заряд противоионов и движутся в электическом поле к соответствующим электродам.

Уравнение для определения -потенциала при электрофорезе имеет вид, аналогичный уравнению Гельмгольца-Смолуховского для электроосмоса:

 = ( * u) / (₀ *  * Е) (6.5)

где u – линейная скорость движения частиц дисперсной фазы в электрическом поле.

Отношение u / Е получило название электрофоретическая подвижность (U_эф).

При выводе уравнения Гельмогльца-Смолуховского для электрофореза были приняты следующие ограничения:

- частицы движутся в однородном электрическом поле;

- частицы могут иметь любую форму и не проводят электрический ток;

- толщина ДЭС намного меньше размера частиц.

На практике может наблюдаться несовпадение экспериментально установленных значений электрофоретической подвижности со значениями, рассчитанными по уравнению Гельмгольца-Смолуховского. Это несовпадение объясняется двумя явлениями: релаксационным эффектом и электрофоретическим торможением.

Релаксационный эффект – нарушение симметрии диффузионного слоя противоионов вокруг частицы при относительном движении частиц фазы и противоионов в электрическом поле в противоположные стороны. Для восстановления (релаксации) системы требуется значительный промежуток времени, в связи с чем уменьшается эффективная напряженность электрического поля и значение -потенциала оказывается заниженным.

Электрофоретическое торможение обусловлено сопротивлением движению частицы обратным потоком противоионов, который увлекает за собой жидкость. Вследствие этого уменьшается электрофоретическая подвижность.

Потенциал течения (протекания).

Потенциал течения (эффект Квинке) – электрокинетическое явление, заключающееся в возникновении разности потенциалов при протекании растворов электролитов через пористые материалы и мембраны под действием разности давлений. Уравнение для расчета -потенциала при возникновении потенциала течения имеет вид:

 = ( *  * U) / (₀ *  * P) (6.6)

где U – потенциал течения;

P – разность давлений по разные стороны мембраны.

Возникновение потенциала течения обусловлено тем, что движущаяся по капиллярам пористого тела жидкость оказывается носителем поверхностного электрического тока (тока течения). При переносе зарядов по капилляру на его концах возникает разность потенциалов, вызывающая встречный объемный поток ионов противоположного знака. При установлении равновесия между потоками ионов разность потенциалов принимает постоянное значение, равное потенциалу течения U.

Потенциал седиментации.

Потенциал седиментации (эффект Дорна) – электрокинетическое явление, заключающееся в возникновении разности потенциалов при осаждении частиц дисперсной системы с ДЭС в жидкой дисперсионной среде. При осаждении возникает молекулярное трение, приводящее к разрыву ДЭС. При этом осадок приобретает поверхностный заряд, характерный для противоионов, а дисперсионная среда – заряд, знак которого определяется противоионами. Потенциал седиментации равен разности потенциалов на разных уровнях столба дисперсной системы с жидкой дисперсионной средой.

Уравнение для электрокинетического потенциала при возникновении потенциала седиментации имеет вид:

 = ( *  * Е) / ( *( - ₀) * g * ) (6.7)

где Е – потенциал седиментации;

- объем частицы дисперсной фазы;

, ₀ – плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды;

 - частичная концентрация (число частиц в единице объема дисперсной системы) дисперсной фазы.