Qu’est-ce que le potentiel zêta? – 2 : Facteurs influençant le potentiel zêta



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 Facteurs influençant le potentiel zêta

 

1. pH

Dans une solution aqueuse, le pH de l’échantillon est le facteur le plus important affectant le potentiel zêta. Un potentiel zêta mesuré dans des conditions non clairement définies est sans signification.

Considérons des particules avec un potentiel zêta négatif dans une suspension. Si l’on ajoute un alcali à la suspension, ces particules deviendront plus négativement chargées. Si on ajoute un acide, elles atteindront le point où elles deviennent neutres. En ajoutant encore plus d’acide, elles deviendront positives. Ainsi, la relation du potentiel zêta avec le pH montre des valeurs positives à un pH bas et des valeurs négatives à un pH élevé.

Il existe des cas où le potentiel zêta devient zéro, ce point est appelé point isoélectrique, et c’est une valeur essentielle pour comprendre les particules.

Typiquement, dans un système colloïdal, au point isoélectrique, un minimum de stabilité est maintenu. La relation typique entre le potentiel zêta et le pH est illustrée dans Fig.8.

 

 

 











Comme indiqué dans cet exemple, le point isoélectrique de l’échantillon se situe approximativement à un pH de 5,5. On peut également prédire la stabilité lorsque le pH est inférieur à 4 (si une charge positive est suffisante) et lorsqu’il est supérieur à 7,5 (si une charge négative est suffisante). Lorsqu’un potentiel zêta entre +30 et -30 se manifeste entre ces valeurs de pH, un problème de stabilité de dispersion peut survenir.

2. Conductivité

L’épaisseur de la double couche dépend de la concentration ionique dans la solution et elle peut être calculée en fonction de la force ionique dans la solution. Une forte force ionique entraîne une double couche plus compacte. La valence des ions affecte également l’épaisseur de la double couche.

 et les ions trivalents d’aluminium comme créent une double couche plus épaisse que
les ions monovalents. Les ions inorganiques peuvent influencer la charge de la surface d’une de ces deux manières.

i) Dans le cas d’absence d’adsorption d’ions ne modifiant pas le point isoélectrique 

 

ii) Dans le cas d’une adsorption d’ions spécifiques qui influe sur le point isoélectrique, une adsorption spécifique d’ions sur la surface des particules peut avoir un impact significatif sur le potentiel zêta de la dispersion de particules, même à de faibles concentrations. Dans certains cas, cela peut entraîner une inversion de charge par adsorption spécifique d’ions.

3. Concentration des constituants

L’impact de la concentration des constituants sur le potentiel zêta fournit des informations précieuses pour obtenir une stabilité maximale. L’impact des matériaux connus sur le potentiel zêta de l’échantillon est utile pour éviter la précipitation.

Effets électrocinétiques

La présence de charges à la surface des particules conduit à des interactions dans un champ électrique donné. Cet effet est défini comme étant un effet électrocinétique. Il existe quatre types d’effets provenant de ces mouvements induits.

Électrophorèse : Mouvement des particules chargées dans une suspension sous l’effet d’un champ électrique donné 

 





Électro-osmose : Mouvement du liquide sur une surface fixe chargée sous l’effet d’un champ électrique donné

Flux de potentiel : Apparition d’un champ électrique lors d’un flux rapide sur une surface chargée fixe  

 



Sédimentation de potentiel : Apparition d’un champ électrique lors de la sédimentation de particules chargées

  Électrophorèse

Lorsque les particules chargées pénètrent dans l’électrolyte sous l’influence d’un champ électrique appliqué, elles sont attirées par l’électrode chargée de manière opposée. Des forces visqueuses résistent à ce mouvement.

Lorsque ces deux forces s’équilibrent, les particules atteignent une vitesse constante. Cette vitesse est influencée par la force de la tension électrique ou sa variation, la constante diélectrique du solvant, et la viscosité du solvant, ainsi que le potentiel zêta. La vitesse des particules dans un champ électrique unitaire est liée à la mobilité électrophorétique et ce potentiel zêta est défini par l’équation d’Henry reliant la mobilité électrophorétique.

UE = 2 ε z f(κa)
3η

UE est la mobilité électrophorétique, z est le potentiel zêta, ε est la constante diélectrique, η est la viscosité et f(κa) est la fonction de Henry.

La longueur caractéristique κ est définie comme une unité de longueur décrivant une double couche électrique ; κ-1 est souvent référencé comme étant l’épaisseur de cette couche.

« a » représente le rayon des particules et donc κa est le rapport du rayon de la particule à l’épaisseur de la double couche électrique. La détermination électrophorétique du potentiel zêta est souvent réalisée en milieu aqueux ou à des concentrations électrolytiques appropriées. Dans ces conditions, f(κa) vaut 1,5, ce qui est connu comme l’approche Smoluchowski.

Par conséquent, le calcul du potentiel zêta basé sur la mobilité commence par un modèle Smoluchowski adéquat pour des particules de plus de 0,2 microns dispersées dans un électrolyte avec une concentration de sel de moles.

Pour des particules de tailles inférieures et à basses constantes diélectriques, un f(κa) de 1 est utilisé, ce qui permet un calcul simple. C’est ce qu’on appelle l’approche Huckel. 

 

  

Mesure de vitesse électrophorétique

Un système de déplacement électrophorétique élémentaire inclut une cellule capillaire contenant des électrodes où existe une différence de potentiel.

Lorsque des particules se déplacent vers l’électrode, leur vitesse est mesurée et cela représente la mobilité des particules sous une force de champ unitaire.

Les méthodes traditionnelles utilisent un ultra-microscope pour observer directement les particules individuelles et calculer les distances mesurées. Même si cette méthode est largement employée à l’échelle mondiale, elle présente certaines limites, nécessitant des efforts importants pour mesurer des particules petites ou dans des milieux de dispersion instables.

La technologie Zetasizer Nano de Malvern comporte des instruments basés sur le système M3-PALS associé à une technologie de détection Laser Doppler pour mesure du déplacement électrophorétique.

Technologie M3-PALS

La série Zetasizer Nano utilise la technologie M3-PALS (brevets déposés) combinant un capteur de Laser Doppler avec des appareils de mesure de la diffusion de la lumière pour analyser l’électrophorèse des particules.

La technique M3-PALS permet de mesurer des échantillons à très faible mobilité et de calculer la distribution de leur mobilité.

PALS est 100 fois plus efficace que les méthodes de mesure traditionnelles.

Elle permet des mesures précises dans des matériaux à haute conductivité électrique ainsi que des substances dispersées dans des substances non électrolytiques à faible mobilité. En outre, elle utilise de faibles tensions pour éviter les inconvénients des effets thermiques de Joule.

Des discussions approfondies et diverses recherches sur la technologie Laser Doppler électrophorétique sont disponibles sur le site web de Malvern Instruments.