Электрофорез

Электрофорезом называется движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля

Экспериментально электрофорез обнаруживается по выделению дисперсной фазы на одном из электродов или в приэлектродном пространстве, по смещению границы раздела коллоидная система — дисперсионная среда к одному из электродов (макроэлектрофорез), а также путем наблюдения за перемещением отдельных частиц с помощью микроскопа (микроэлектрофорез)

В теории электрофореза, разработанной Смолуховским, Гюккелем и другими авторами, движение частицы в электрическом поле рассматривается как результат действия на ее поверхностный заряд электрической силы F1 и силы сопротивления среды F2

В стационарных условиях, т е. когда F1+F2 =0 и при ca >>1 (где c -параметр Дебая; a— радиус частицы), для скорости электрофореза получено уравнение

; (9)

при ca <<1

(10)

В результате дальнейшего исследования электрофореза было обнаружено, что многие экспериментальные факты не укладываются в рамки теории Смолуховского. Так, оказалось, что в ряде случаев скорость электрофореза зависит от размера частиц и концентрации электролита.

Наблюдаемое несоответствие теории и эксперимента получило объяснение в работах Дж. Овербека, Д. Генри, С.С. Духнна и др., в которых было показано, что наряду с силами F1 и F2, рассматриваемыми в теории Смолуховского, на скорость электрофореза влияют также силы F3 и F4, вызывающие электрофоретическое торможение и эффект релаксации соответственно.

Сила F3 возникает в результате воздействия внешнего электрического поля на ионы диффузного слоя, приводящего к увлечению жидкости вблизи поверхности частицы в направлении, противоположном направлению действия силы F1. Образующийся при этом гидродинамический поток снижает скорость электрофореза частицы Сила F4 возникает в результате поляризации, т.е. нарушения симметричного строения ДЭС при действии внешнего электрического поля, и проявляется в изменении скорости движения частицы. Так, если вне электрического поля ДЭС имеет симметричное строение, то во внешнем поле у противоположных полюсов поляризованной частицы накапливаются поляризационные заряды противоположного знака - мицелла приобретает свойства диполя. Эффект релаксации заключается в действии электрического ноля поляризационных зарядов на поверхностный заряд частицы и ионы внешней обкладки ДЭС.

В стационарных условиях, когда F1 + F2+F3 =0, было получено следующее выражение для скорости электрофореза.

. (11)

Зная концентрацию электролита, размер и форму частиц, можно рассчитать параметр ca и скорость электрофореза. Значение функции f(ca) в зависимости от величины ca для непроводящих сферических частиц в проводящей среде меняется от 1 до 1,5 (табл.1)

Таблица 1 Зависимость функции f от ca

ca	f
0,1	1,0005
0,3	1,0040
1,0	1,0267
3,0	1,1005
5,0	1,1630
10,0	1,2500
20,0	1,3400
50,0	1,4200
100,0	1,4580

Если толщина ДЭС мала по сравнению с размером частицы, т.е. ca >>1, f ®1.5,уравнение превращается в формулу (3), предложенную Смолуховским; если ca <<1, то f®1 и справедливо уравнение (10). Для промежуточных значений ca следует пользоваться уравнением (11), беря значение функции f из табл. 1.1.

Влияние поляризационной силы F4 на скорость электрофореза количественно рассматривается в работах Генри, Овербека, Буса и Духина. Поправка, учитывающая эффект релаксации, вводится в уравнение (11) в виде некоторой функции f, зависящей от поверхностной проводимости, параметра ca и величины электрокинетического потенциала.

Исследования показывают, что при ca <<1 (толстый ДЭС), ca> >1(тонкий ДЭС), а также в случае слабозаряженных частиц поправкой на электрическую релаксацию можно пренебречь.

Для сравнения способности к электрофорезу различных дисперсных систем пользуются электрофоретической подвижностью — линейной скоростью движения частиц при единичной напряженности электрического поля:

. (12)

Электрофорез широко применяют в практике для получения электрофоретических покрытий и электрокоагуляции суспензий.

Образование электрофоретического осадка на поверхности электрода представляет собой многостадийный процесс, в котором основными стадиями являются следующие:

1) подвод и концентрировать частиц у поверхности электрода;

2) стесненная коагуляция в приэлектродном пространстве.

При осаждении из коллоидных систем и суспензий, содержащих частицы размером меньше 1 мкм, подвод частиц и их концентрирование у поверхности электрода происходит в основном за счет сил, действующих на поверхностный заряд частиц.

Скорость подвода и масса образующегося на электроде осадка зависят от характера электрического поля. При осаждении в неоднородном электрическом поле, заданном системой двух соосных цилиндрических электродов, массу осадка m, образующегося на центральном электроде за время t, рассчитывают по формуле

, (13)

где

. (14)

Здесь e— диэлектрическая проницаемость; e ₀ = = 8,85-10^-12 Ф/м; z —электрокинетический потенциал; U — разность потенциалов; h —вязкость дисперсионной среды; l —длина покрытой части электрода; с₀ — концентрация суспензии; с_т — концентрация суспензии в приэлектродной зоне: г₁ и г ₂ —радиусы цилиндрических электродов.

При выводе этой формулы предполагалось, что лимитирующей стадией процесса является доставка частиц к электроду и, следовательно, стесненная коагуляция протекает быстро при достижении предельного значения с_т.

При осаждении в однородном электрическом поле, обра­зованном системой параллельно расположенных плоских электродов, массу электрофоретического осадка рассчиты­вают по формуле

, (15)

где u_эф —электрофоретическая подвижность; Е — напряженность поля; с —концентрация суспензии; t —время осаждения; S - поверхность электрода.

Дата добавления: 2015-08-31