5.2. Электрофорез

При электрофорезе уравнение Гельмгольца – Смолуховского (23), имеет тот же вид, что и при электроосмосе, так как оно было выведено из условия баланса движущих сил процесса: электрической силы и силы трения. Под скоростью U₀ в этом случае имеют в виду линейную скорость движения частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды. Её можно определить, измерив непосредственно расстояние d, пройденное частицами за время электрофореза τ. Отношение скорости движения частиц к напряженности электрического поля Н называют электрофоретической подвижностью U_эф.

Учитывая, что Н=Е/L, где L – расстояние между электродами, Е – приложенная разность потенциалов, получим из (23) уравнение для расчета ξ – потенциала при электрофорезе:

, или

(27)

Уравнение (27) справедливо при условиях: 1) частицы движутся в однородном электрическом поле, могут иметь любую форму и они не проводят электрический ток; 2) толщина ДЭС значительно меньше размера частиц. В (27) размерность ξ –В, η - Па·с, d и L – м, ε=81 (для воды), ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м (Ф = А·с/В), Е – В, τ – с.

Электрокинетические потенциалы различных систем могут иметь значения в пределах от нескольких мВ до 100 В, а опытные величины электрофоретической подвижности обычно имеют порядок 10^-8 м²/(с·В). Рассчитанные теоретически величины электрофоретической подвижности оказываются выше найденных из опыта. Это объясняется двумя эффектами, не учтёнными теорией Гельмгольца – Смолуховского: эффектом релаксации и электрофоретическим торможением.

Релаксационный эффект заключается в нарушении симметрии диффузного слоя вокруг частицы при движении фаз в противоположных направлениях (рис. 9).

Рис. 9. Релаксационный эффект при электрофорезе

Ионы диффузного слоя частицы запаздывают относительно частицы вследствие противоположно направленного действия электрического поля. Для восстановления равновесного (симметричного) состояния диффузного слоя требуется некоторое время, называемое временем релаксации. Это время достаточно велико, поэтому при движении частицы вокруг неё создается внутреннее электрическое поле (диполь), направленное против внешнего поля. В связи с этим, эффективная напряженность электрического поля уменьшается, поэтому экспериментальные значения U_эф и ξ уменьшаются.

Электрофоретическое торможение обусловлено тем, что ионы раствора, несущие заряд, противоположный заряду частицы, движутся в электрическом поле в противоположном направлении, увлекая за собой жидкость и создавая таким образом поток, направленный противоположно движению частицы. Вследствие этого электрофоретическая подвижность уменьшается.

6. Значение электрокинетических явлений

Электрокинетические явления широко применяются для решения многих практических задач.

Электроосмос применяют для обезвоживания различных дисперсных систем. Например, при возведении дамб и плотин путем намыва грунта из водоемов необходимо удалять влагу из намывного грунта. В грунт вводят электроды и подают разность потенциалов. В прикатодном слое в результате электроосамоса скапливается жидкость, откуда её откачивают. В то же время твердые частицы, вследствие электрофореза, уплотняются, стремясь к аноду. Таким же образом осушают грунт при прокладке дорог, обезвоживают осажденные твердые материалы, торф, сырые брёвна после сплава по рекам. Существует технология осушки сырых стен зданий методом электроосмоса. Ведутся разработки способа совместного электроосмоса воды и нефти, при котором вода вытесняет нефть из коллекторов, что способствует повышению нефтеотдачи.

Электрофорез широко используют в технике для электроосаждения частиц из золей, суспензий и эмульсий. Так получают ровные и прочные декоративные и антикоррозийные покрытия на металлах из лакокрасочных композиций, электроизолирующие пленки из латексов, наносят тонкие полупроводниковые пленки на твердой основе при изготовлении дисплеев. При нанесении покрытий методом электрофореза, как правило, одним из электродов является покрываемая деталь, а другим – емкость, в которой ведется осаждение. Если покрываемая деталь является анодом, то процесс называют анодофорезом, а при нанесении на катод, - катодофорезом. Грунтовка деталей кузова автомобиля электрофоретическим методом позволяет наносить ровные покрытия с минимальным расходом краски. Электрофорез применяется для покрытия катодов электроламп. Весьма важным является применение электрофореза для разделения сложных компонентов коллоидного раствора, в том числе в медицине, для разделения и анализа белков. Различные компоненты коллоидного раствора обладают различными подвижностями и при длительном электрофорезе образуют слои с разными частицами. Свет, проходя через разные слои, по-разному ими преломляется. Сравнивая электрофореграммы плазмы крови пациентов с эталонными, выявляют отклонения от нормального белкового состава крови. Метод применяют для разделения аминокислот, антибиотиков, ферментов. Электрофорез является эффективным методом введения в организм через кожу или слизистые оболочки различных лекарственных средств.

Потенциалы течения возникают при протекании природных вод в земной коре через грунты и горные породы. Аномальные потенциалы возникают в местах залегания проводящих рудных тел, что используют геофизики для разведки полезных ископаемых. Потенциалы течения возникают не только в капиллярно-пористых системах, но и на любых поверхностях, имеющих ДЭС. Отрицательную роль потенциалы течения играют при транспортировке жидкого топлива по трубопроводам, при заполнении резервуаров, цистерн, нефтеналивных судов, бензобаков самолетов. На концах трубопроводов при течении топлива по трубам возникают высокие разности потенциалов, что часто оказывается причиной искровых разрядов, приводящих к пожарам и взрывам. Потенциал течения определяется уравнением:

, (28)

где η – коэффициент вязкости, Р – давление, χ – удельная электрическая проводимость, которая для разбавленных водных растворов составляет 1-10^-3 Ом^-1м^-1, а для топлив – на 8-10 порядков меньше. По этой причине потенциал течения в неполярных средах составляет не милливольты, как в водных средах, а киловольты. Одним из способов защиты является добавка ионогенных ПАВ к топливам, что увеличивает их электропроводность.

Потенциалы оседания проявляются при грозовых разрядах, а также при отстаивании эмульсий, образующихся при отмывке резервуаров от жидких топлив.

2,5,4

 Далее мы будем рассматривать механизмы образования и структуру двойного электрического слоя на поверхности раздела «твердое тело – жидкость».

1 В этом случае при интегрировании уравнения Пуассона – Больцмана показатель экспоненты в (9) считали много меньше единицы, что позволило воспользоваться разложением в ряд Маклорена: e^y=1+y+y²/2!+… и ограничиться при этом двумя первыми слагаемыми ряда.