제타전위란? – 2 : 제타전위에 영향을 주는 인자



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 제타전위에 영향을 주는 인자

 

1. pH

수용액에서는 샘플의 pH 가 제타전위에 가장 중요한 인자로 작용한다. 용액의 조건이 명확하지 않은 제타전위값은 사실상 의미 없는 값이다.

Suspension 에서 음의 제타전위값을 가지는 입자를 생각해보자. 알칼리가 suspension 에 더 첨가되면 입자는 더욱 강한 음전하를 띠게 될 것이다. 만약 산이 suspension 에 첨가되면 중성을 띠는 점까지 도달하게 될 것이다. 더욱 산을 첨가하게 되면 양전하를 띠게 될 것이다. 그러므로 제타전위와 pH 값에 대한 상호관계는 낮은 pH 값에서는 양의 값을 나타내고 높은 pH 값에서는 낮은 값이나 음의 값을 가지게 된다.

그리고 제타전위가 0 이 되는 값을 나타내는 경우도 있을 것이다. 이러한 점을 등전위점이라 부르고 이는 입자를 이해할 수 있는 중요 값이다.

일반적으로 colloidal 시스템에서 등전위점일경우 최소한의 안정성을 유지할 수 있다. 전형적인 제타전위와 pH 의 관계를 Fig.8 에 나타내었다.

 

 

 











이 예에서 알 수 있듯이, 샘플의 등전위값은 대략 pH 5.5 임을 알 수 있다. 게다가 pH 값이 4 이하일 경우(양전하가 충분히 존재한다면)와 pH 가 7.5 보다 클 때(음전하가 충분이 존재한다면)의 안정성에 대해서 예측할 수 있다. 4 와 7.5 사이의 pH 값을 가지고 제타전위가 +30 에서 –30 사이일때, 분산 안정성에 대한 문제가 생길 수 있다.

2. 전도도

이중층의 두께는 용액 내 이온의 농도에 따라 결정되고 이는 용액 내에서의 이온의 힘에 따라 계산할 수 있다. 이온힘이 크다면 더 압축된 이중층을 형성한다. 이온의 원자가 역시 이중층의 두께에 영향을 미친다.

 와 같이 알루미늄 3 가의 이온은 같이 1 가의 이온을 가지는 것과
비교했을 때 더욱 두꺼운 이중층을 형성한다. 무기물 이온은 둘 중 하나의
방법으로 표면의 전하에 영향을 받을 수 있다.

i) 등전위점에 영향을 미치지 않는 이온흡착이 나타나지 않는 경우 

 

ii) 등전위점에 영향을 미칠 수 있는 특정이온에 흡착이 일어나는 경우 입자표면에서의 이온 특정흡착은 (비록 낮은 농도일 경우에도) 입자 분산의 제타전위에 거대한 영향을 미친다. 몇몇의 경우에는 특정이온흡착의 전하가 역전되는 경우도 생긴다.

3. 구성요소의 농도

제타전위의 구성요소에 대한 농도의 영향은 최대한의 안정성을 가질 수 있는 정보를 준다. 샘플의 제타전위에 대해 알려진 물질의 영향은 침전을 막는 좋은 도구가 된다

동전기적 효과

입자표면에 전하가 존재하는 중요한 결과는 주어진 전기장에서 상호반응 한다는 것이다. 이러한 효과를 동전기적 효과라고 정의한다. 이러한 움직임이 유도되는 것에 따른 4 가지 효과가 있다.

전기영동: 주어진 전기장에 영향을 받는 suspension 에서의 전하입자의 움직임 

 







전기침투: 주어진 전기장에 영향을 받는 고정된 전하 표면에서의 용액의 움직임

전위흐름: 고정된 전하 표면으로 빠른 흐름이 생길 때 전기장의 발생  

 



침전전위: 전하를 띤 입자가 침전될 때 전기장의 발생

  전기영동

전해질에 전기장이 제공될 때 전하를 띤 입자가 전해질에 들어가면 반대의
전하를 가지는 전극봉에 유인된다. 점성력은 이 움직임에 반대되는 경향이 있다.

이 두 힘이 중성에 도달하면 입자는 일정한 속도를 가지게 된다. 이 속도는
전기장의 힘이나 전압의 변화, 용매의 유전 상수, 용매의 점도, 제타전위에
영향을 받는다. 단위전기장에서의 입자의 속도는 전기흐름의 이동성과
관련이 있다. 제타전위는 Henry equation 으로 정의되는 전기흐름의
이동성과 관련이 있다.

UE = 2 ε z f(κa)
3η

UE 는 전기흐름의 이동성이고 z 는 제타전위, ε 는 유전상수, η 은 점도이고 f(κa)는 헨리의 함수이다.

디바이(전기이중극모멘트의단위)의 길이로 정의되는 κ 의 단위는 상호길이를 나타내고 κ-1 은 종종 전기적 이중층의 “두께”로 쓰인다.

a 는 입자반경을 나타내고 따라서 κa 는 전기적 이중층의 두께에 대한 입자반경의 비로 나타낼 수 있다. 제타전위의 전기영동의 결정은 대부분 수용액 상태에서 진행되거나 알맞은 전해질 농도에서 결정된다. 이러한 경우에 F(κa)는 1.5 이고 이는 Smoluchowski 의 접근으로 알려져있다.

그러므로 유동성에 근거한 제타전위의 계산은 즉, 몰의 소금이 있는 전해질에 분산되어있는 0.2 마이크론보다 큰 입자를 다루는 Smoluchowski 모델에서 정확하게 맞는다.

낮은 유전체의 용매에 있는 작은 입자의 경우 F(κa)값은 1 이고 간단한 계산이 가능하다. 이것은 Huckel 의 접근법으로 알려져 있다. 

 

  

전기영동 속도 측정

마이크로 전자이동 시스템의 요소는 전위차가 존재하는 전극이 있는 모세관 셀이다.

입자가 전극으로 이동하면 그들의 속도가 측정되고 이것이 입자의 유동성에 대한 단위필드 힘으로 나타난다.

기존의 방법들은 울트라 마이크로스코프를 이용해서 직접적으로 개개의 입자들을 관찰하고 측정된 거리로서 계산하는 과정이다. 이것은 아직 세계적으로 많이 사용하는 방법임에도 불구하고 몇몇 불편함이 있으며 특히 작거나 산란이 불안할 때 측정하기까지 매우 많은 노력이 필요하다.

말번사의 Zetasizer Nano range of instruments 기술은 M3-PALS 이 장착된 레이저 도플러 전자이동 방식이다.

M3-PALS 기술

제타사이저 나노 시리즈는 입자의 전기영동을 측정할 수 있는 M3-PALS(특허)의 레이저 도플러 점도측정기와 상분석 광산란장치의 조합을 사용하고 있다.

M3-PALS 방법은 매우 낮은 유동성의 샘플도 측정이 가능하며 그들의 유동성 분포도 계산할 수 있다.

PALS 는 기존의 측정방법보다 100 배나 효율적이다.

이것은 높은 전기전도도 물질의 측정도 가능하고 비전해질에 분산되어있는 유동성이 낮은 물질의 측정도 정확하게 할 수 있다.또한, 줄 발열효과에 의한 결점을
피하기 위해 낮은 전압을 사용한다.

레이저 도플러 전기영동 기술과 M3-PALS 에 관련된 많은 논의와 다양한
논문을 Malvern Instruments 웹사이트에서 찾을 수 있다.

 

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