6. Експериментальне визначення електрокінетичного потенціалу

Електрокінетичні явища виникають в результаті розриву подвійного електричного шару по межі ковзання при русі частинок відносно дисперсного середовища - електрофорез і потенціал осідання, або при русі середовища навколо частинок - електроосмос, потенціал течії.

Розглянемо переміщення рідини в пористому тілі під дією електричного поля. Якщо підключити напругу до електродів то протиіони дифузійного шару, що енергетично слабо зв’язані з поверхнею твердого тіла, почнуть рухатися до протилежно зарядженого електроду і завдяки молекулярному тертю тягнути за собою дисперсійне середовище.

Рис. 47. Схема електроосмосу.

Якщо вважати, що подвійний електричний шар являє собою плоский конденсатор, тоді сила яка діє на заряджену частинку в електричному полі дорівнює:

F_ел = q∙E = (_oS)Е/l ( 5.0)

q – заряд частинки;

E – напруженість електричного поля.

Сила тертя дорівнює:

F_тер = ∙S∙U_o/l ( 5.0)

в’язкість дисперсійного середовища;

l– відстань між електродами.

U_o- швидкість руху рідини відносно твердої фази.

При встановленні рівноваги:

F_ел = F_тер

(E_oS)/l = (∙S∙U_o)/l ( 5.0)

E_o = ∙U_o ( 5.0)

( 5.0)

Рівняння (5.44) має назву рівняння Гельмгольца – Смолуховського, це рівняння часто використовують для розрахунку електрокінетичного потенціалу.

( 5.0)

Одержане рівняння може бути використане для розрахунку – потенціалу при електрофоретичних вимірюваннях.

Для розрахунку – потенціалу за значенням потенціалу течії використовують рівняння:

( 5.0)

U– потенціал течії.

р– різниця тисків.

Приклад 5.19

Розрахуйте швидкість електрофорезу частинок кварцу в воді за такими даними: електрокінетичний потенціал 25 мВ, напруженість електричного поля 360 В/м; відносна діелектрична проникність середовища 81; в’язкість 0,001 Па∙с.

Швидкість електрофорезу дорівнює:

U_o = ζεε_oE/η = 0,025∙81∙8,85∙10^-12∙360 / 0,001 =6,45∙10^-6 м/с.

Приклад 5.20

Стіни старовинних будинків у Львові руйнуються через вологу. Їх можна сушити методом електроосмосу. Який час потрібно для осушення стінки товщиною 1,5м при пропусканні струму 6А? Електроди у вигляді масивних металічних пластин розміром 0,5∙5 м притиснуті до обох сторін стінки. В’язкість дисперсійного середовища (води) 0,001 Па∙с; діелектрична проникність середовища 81; питома електропровідність 0,01 Ом^-1м^-1; електрокінетичний потенціал на межі поділу частинки стіни – вода 60 mV.

Об’єм дисперсійного середовища V = 1,5∙0,5∙5 = 3,75 м³;

ζ = æ η U / ε ε₀ I; U = V/t ; t = V æ η / ζ ε ε₀ I;

t = 3,75∙0,001∙0,01 / 0,06∙81∙8,85∙10^-12∙6 с = 145312 с = 40,3 год.

Приклад 5.21

Визначити електрокінетичний потенціал на межі поділу фаз керамічний фільтр – водний розчин KCl, якщо при протіканні розчину під тиском 2∙10⁴ Па потенціал течії дорівнює 6,5∙10^-3 В, æ = 1,3 10^-2 Ом^-1м^-1, η = 0,001 Па∙с, ε = 80,1.

ζ = æ η U_теч/ε ε₀р = = (1,3∙10^-2 0,001∙6,5∙10^-3) / (80,1∙8,85∙10^-12 2∙10⁴) = 5,96∙10^-3В