Qu’est-ce que le potentiel Zeta? -1 : Introduction à la mesure du potentiel Zeta

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Introduction

Le potentiel Zeta est une propriété physique qui représente toutes les particules dans une suspension. De plus, il peut clairement illustrer le comportement des suspensions et des émulsions. Comprendre le potentiel Zeta réduit le temps consacré à la création de formulations expérimentales. Il permet également de prédire la stabilité à long terme.

Science des Colloïdes

Les trois états fondamentaux de la matière sont solide, liquide et gazeux. Lorsqu’un de ces états est dispersé dans un autre de manière précise, cela s’appelle un système colloïdal. Ces substances présentent des propriétés spéciales avec une importance pratique significative. 

 





Un système colloïdal inclut divers exemples comme les aérosols, les émulsions, les suspensions colloïdales et les colloïdes d’association. Sous certaines conditions, les particules dans une dispersion peuvent s’unir avec d’autres particules pour former des agglomérats, augmentant leur taille et tombant sous l’influence de la gravité.

Les agglomérats formés au début s’appellent flocs et le processus de leur formation est appelé floculation. Les flocs peuvent ou non se sédimenter ou se séparer en phases. Lorsque ces agglomérats se densifient, on parle de coagulation. 

 



Lorsque les particules s’unissent, si elles sont plus denses que le milieu, la sédimentation se produit, et si elles sont moins denses, elles forment une crème et se séparent. La floculation et la coagulation peuvent souvent être interchangeables.

La coagulation est généralement irréversible par rapport à la floculation, qui montre des réactions réversibles avec une possible défloculation.

La Figure 1 montre ce processus. 

 

 

Stabilité des colloïdes et théorie DVLO 

En 1940, les scientifiques Derjaguin, Verwey, Landau et Overbeek ont développé une théorie relative à la stabilité des systèmes colloïdaux. La théorie DVLO propose que la stabilité des particules dans une solution dépend de la fonction d’énergie totale de ces particules représentée par

  est déterminée par divers facteurs contributifs.

 

  

est l’énergie potentielle due au solvant et c’est le terme le moins contributif à la ségrégation de quelques nanoparticules. Des facteurs plus importants incluent l’équilibre entre et , qui représentaient la distribution des forces attractives et répulsives. Dimensionnellement plus grand sur une plus grande distance, est représenté par, et A est la constante de Hamaker et D signifie la séparation des particules.



Le potentiel qui représente les forces répulsives, a une formule plus complexe.



  

 





a est le rayon des particules, π est la solubilité du solvant et κ est la composition ionique, ζ est une fonction qui représente le potentiel Zeta. 



 
 



La théorie DVLO indique que la stabilité dans les systèmes colloïdaux est déterminée par la somme des forces de Van der Waals et des forces répulsives dues à la double couche électrique entre les particules lorsqu’elles sont en mouvement brownien. Cette théorie représente la barrière énergétique due aux forces répulsives empêchant deux particules d’entrer en contact, ainsi que la force attractive qui veut les unir. 

 

Cependant, les particules qui ne peuvent pas surmonter cette barrière d’énergie sont irrémédiablement agglomérées par les forces attractives. Par conséquent, si les particules ont une force répulsive suffisamment élevée, la dispersion n’agglomérera pas et le système colloïdal restera stable. 

 



En revanche, en l’absence de toute mécanique répulsive, l’agglomération ou la coagulation se produira, menant finalement à une sédimentation. 

 

 

Si le potentiel Zeta diminue (cas de haute concentration en sel), il se peut qu’il y ait des liaisons plus faibles et potentiellement réversibles entre les particules, créant une « deuxième vallée » (figure 2 (b)). 

Ces flocs faibles sont stables au point de ne pas se rompre par le mouvement brownien, mais la dispersion se produit sous l’effet de forces externes comme un mélange forcé.

Ainsi, maintenir la stabilité des systèmes colloïdaux repose sur un régime de forces répulsives dominantes. Comment peut-on assurer la stabilité d’un système colloïdal ?

Il existe deux mécanismes fondamentaux qui influencent la stabilité des dispersions.

Répulsion stérique : elle empêche les polymères adsorbés à la surface des particules de s’approcher trop près pendant la stabilisation. En cas d’adsorption suffisante, la répulsion stérique entre les couches de polymère peut maintenir une séparation suffisante des particules, rendant la force de Van der Waals trop faible pour provoquer une agglomération. 

 

Stabilité électrostatique ou de charge : ce sont les effets des interactions particulaires dues à la distribution de charges dans le système. Chaque mécanisme peut avoir des avantages dans différents systèmes. La stabilité stérique est simple à atteindre avec des polymères appropriés. 

 

Mais les polymères peuvent être coûteux et, par exemple, dans le glissement de céramiques où les polymères brûleraient pendant le façonnage et la frittage, le mécanisme peut ne pas être adapté. De plus, ils peuvent entraîner un retrait et agir comme un défaut. La stabilité électrostatique ou de charge offre des avantages pour la stabilisation ou l’agglomération de systèmes en modifiant la densité ionique d’un système simple. 

C’est un processus réversible et pas cher. Le potentiel Zeta est un bon indicateur de l’ampleur des interactions entre les particules colloïdales et la mesure du potentiel Zeta est couramment utilisée pour évaluer la stabilité des systèmes colloïdaux. 

 

Charge de surface 

 

La plupart des dispersions colloïdales dans les milieux aqueux transportent des charges. Bien qu’il existe de nombreuses causes de charge de surface, qui dépendent de la nature des particules et de leur environnement, nous considérerons les mécanismes les plus importants.

  Ionisation des groupes de surface 

 

La dissociation des groupes acides à la surface des particules laisse une charge négative et inversement, la dissociation des groupes basiques conduit à une charge positive sur la surface des particules.