Was ist das Zeta-Potential? – 2: Faktoren, die das Zeta-Potential beeinflussen



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 Faktoren, die das Zeta-Potential beeinflussen

 

1. pH

In wässrigen Lösungen ist der pH-Wert der Probe der wichtigste Faktor, der das Zeta-Potential beeinflusst. Ein Zeta-Potentialwert ohne klar definierte Lösungskonditionen ist im Grunde genommen bedeutungslos.

Betrachten wir Partikel in einer Suspension mit einem negativen Zeta-Potential. Wenn Alkali zur Suspension hinzugefügt wird, werden die Partikel noch stärker negativ geladen. Wenn Säure hinzugefügt wird, wird der Punkt erreicht, an dem die Partikel neutral sind. Wenn noch mehr Säure hinzugefügt wird, werden die Partikel positiv geladen. Daher zeigt die Beziehung zwischen Zeta-Potential und pH-Wert bei niedrigen pH-Werten positive Werte an, während sie bei hohen pH-Werten niedrige oder negative Werte anzeigt.

Es gibt auch Fälle, in denen der Zeta-Potentialwert null ist. Diesen Punkt nennt man den isoelektrischen Punkt und es ist ein wichtiger Wert, um die Partikel zu verstehen.

Im Allgemeinen kann bei kolloidalen Systemen am isoelektrischen Punkt eine minimale Stabilität aufrechterhalten werden. Eine typische Beziehung zwischen Zeta-Potential und pH-Wert ist in Abb. 8 dargestellt.

 

 

 











Wie dieses Beispiel zeigt, beträgt der isoelektrische Punkt der Probe ungefähr pH 5,5. Darüber hinaus kann die Stabilität vorhergesagt werden, wenn der pH-Wert unter 4 liegt (sofern positive Ladungen ausreichend vorhanden sind) und wenn der pH-Wert über 7,5 liegt (sofern negative Ladungen ausreichend vorhanden sind). Wenn der pH-Wert zwischen 4 und 7,5 liegt und das Zeta-Potential zwischen +30 und -30 liegt, kann es zu Problemen mit der Stabilität der Suspension kommen.

2. Leitfähigkeit

Die Dicke der Doppelschicht wird durch die Konzentration der Ionen in der Lösung bestimmt, was anhand der Ionenstärke in der Lösung berechnet werden kann. Bei hoher Ionenstärke wird eine stärker komprimierte Doppelschicht gebildet. Die Valenz der Ionen beeinflusst ebenfalls die Dicke der Doppelschicht.

 Wie Aluminium-Ionen mit 3-facher Ladung ein dickeres Doppellayer als Ionen mit 1-facher Ladung, wird im Vergleich zu einem dickeres Doppellayer gebildet. Anorganische Ionen können die Oberflächenladung auf eine der folgenden Arten beeinflussen:

i) Wenn es keine Ionenadsorption gibt, die den isoelektrischen Punkt beeinflusst 

 

ii) Wenn eine spezielle Ionenadsorption auftritt, die den isoelektrischen Punkt beeinflussen kann, kann die Ionenadsorption auf der Partikeloberfläche (selbst bei geringen Konzentrationen) einen erheblichen Einfluss auf das Zeta-Potential der Partikelverteilung haben. In einigen Fällen kann die spezifische Ionenadsorption dazu führen, dass sich die Ladung umkehrt.

3. Konzentration der Bestandteile

Der Einfluss der Konzentration auf die Bestandteile des Zeta-Potentials bietet Informationen zur maximalen Stabilität. Das Wissen um die Einflüsse bekannter Materialien auf das Zeta-Potential der Probe ist ein nützliches Instrument zur Verhinderung von Ausfällungen.

Elektrophoretische Effekte

Ein wichtiges Ergebnis der Existenz von Ladungen an der Partikeloberfläche besteht darin, dass sie unter einem gegebenen elektrischen Feld interagieren. Diese Effekte werden als elektrophoretische Effekte definiert. Daraus resultieren vier Effekte, die durch die induzierte Bewegung auftreten.

Elektrophorese: Die Bewegung geladener Partikel in der Suspension, die durch ein gegebenes elektrisches Feld beeinflusst werden 

 







Elektro-Osmose: Die Bewegung der Lösung an einer festen geladenen Oberfläche, die durch ein gegebenes elektrisches Feld beeinflusst wird

Stromfluss: Das Auftreten eines elektrischen Feldes, wenn ein schneller Fluss an einer festen geladenen Oberfläche auftritt 

 



Siedepotential: Das Auftreten eines elektrischen Feldes, wenn geladene Partikel sedimentieren

  Elektrophorese

Wenn ein elektrisches Feld an einen Elektrolyten angelegt wird und geladene Partikel in den Elektrolyten eintreten, werden sie von einer Elektrode mit entgegengesetzter Ladung angezogen. Die Viskosität wirkt dieser Bewegung entgegen.

Wenn diese beiden Kräfte ausgeglichen sind, erreichen die Partikel eine konstante Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit wird von der Stärke des elektrischen Feldes oder der Spannungsänderung, der Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels, der Viskosität des Lösungsmittels und dem Zeta-Potential beeinflusst. Die Geschwindigkeit der Partikel im Einheitselektrofeld ist mit der Mobilität des elektrischen Flusses verbunden. Das Zeta-Potential ist mit der Mobilität des elektrischen Flusses assoziiert, das durch die Henry-Gleichung definiert wird.

UE = 2 ε z f(κa)
3η

UE ist die Mobilität des elektrischen Flusses und z das Zeta-Potential, ε ist die Dielektrizitätskonstante, η ist die Viskosität und f(κa) ist die Henry’sche Funktion.

Die Einheit von κ, die in Längeneinheiten von Debye (Einheit des elektrischen Dipolmoments) definiert ist, stellt die reziproke Länge dar und κ-1 wird oft als „Dicke“ der elektrischen Doppelschicht verwendet.

a repräsentiert den Partikelradius und daher kann κa als Verhältnis des Partikelradius zur Dicke der elektrischen Doppelschicht dargestellt werden. Die Bestimmung der Elektrophorese des Zeta-Potentials erfolgt in der Regel in wässrigen Medien oder bei geeigneten Elektrolytkonzentrationen. In diesen Fällen beträgt F(κa) 1,5 und ist bekannt als der Smoluchowski-Ansatz.

Daher basiert die Berechnung des Zeta-Potentials auf der Mobilität, das heißt, dass ein Smoluchowski-Modell für Partikel, die in einem Elektrolyten mit 0,2 Mikron oder größeren Partikeln bei einer Salzkonzentration von M gepresst sind, passt.

Für kleine Partikel in einem Lösungsmittel mit niedriger Dielektrizitätskonstante beträgt der Wert von F(κa) 1, und eine einfache Berechnung ist möglich. Dies ist als der Huckel-Ansatz bekannt.

Messung der Elektrophorese-Geschwindigkeit

Die Elemente eines Mikroelektrophorese-Systems ist eine Kapillarzelle mit Elektroden, in der eine Potentialdifferenz existiert.

Wenn sich Partikel auf die Elektroden zu bewegen, wird ihre Geschwindigkeit gemessen, was die Mobilität der Partikel unter dem Einfluss der Einheitfeldkraft darstellt.

Die herkömmlichen Methoden basieren auf der direkten Beobachtung einzelner Partikel mit einem Ultramikroskop und dem Berechnen über die gemessene Entfernung. Obwohl diese Methode weltweit immer noch weit verbreitet ist, gibt es einige Unannehmlichkeiten, besonders bei kleinen oder instabilen Dispersionen, die ein enormes Maß an Aufwand für eine präzise Messung erfordern.

Die Technologie von Malvern’s Zetasizer Nano instruments umfasst das Laser Doppler Electrophoresis System mit M3-PALS.

M3-PALS-Technologie

Die Zetasizer Nano Serie verwendet eine Kombination aus M3-PALS (patentiert) Laser Doppler Viskosimeter zur Messung der Elektrophorese von Partikeln und Phase Analysis Light Scattering Equipment.

Die M3-PALS-Methode ermöglicht die Messung von Proben mit sehr niedriger Mobilität und die Berechnung ihrer Mobilitätsverteilung.

PALS ist 100-mal effizienter als traditionelle Messmethoden.

Es ermöglicht auch die präzise Messung von Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und von Materialien mit niedriger Mobilität in Nicht-Elektrolyten. Darüber hinaus verwendet es niedrige Spannungen, um Fehler durch Joule Heizungseffekte zu vermeiden. Außerdem können zahlreiche Diskussionen und verschiedene Publikationen zu Laser Doppler-Elektrophorese und M3-PALS auf der Malvern Instruments-Website gefunden werden.