Partikelaggregation
Partikelagglomerering hänvisar till bildandet av sammansättningar i en suspension och representerar en mekanism som leder till funktionell destabilisering av kolloidala system. Under denna process fastnar partiklar som är dispergerade i vätskefasen vid varandra och bildar spontant oregelbundna partikelsammansättningar, flockar eller agglomerat. Detta fenomen kallas också för koagulering eller flockning och en sådan suspension kallas också instabil . Partikelagglomerering kan induceras genom tillsats av salter eller andra kemikalier som kallas koaguleringsmedel eller flockningsmedel.
Partikelagglomerering kan vara en reversibel eller irreversibel process. Partikelagglomerat definierade som "hårda agglomerat" är svårare att återdispergera till de initiala enskilda partiklarna. Under loppet av agglomerationen kommer agglomeraten att växa i storlek, och som en konsekvens av detta kan de sedimentera till botten av behållaren, vilket kallas sedimentation . Alternativt kan en kolloidal gel bildas i koncentrerade suspensioner som ändrar dess reologiska egenskaper . Den omvända processen där partikelagglomerat återdispergeras som individuella partiklar, kallad peptisering , sker knappast spontant, utan kan ske under omrörning eller skjuvning .
Kolloidala partiklar kan också förbli dispergerade i vätskor under långa tidsperioder (dagar till år). Detta fenomen kallas kolloidal stabilitet och en sådan suspension sägs vara funktionellt stabil . Stabila suspensioner erhålls ofta vid låga saltkoncentrationer eller genom tillsats av kemikalier som kallas stabilisatorer eller stabiliseringsmedel . Stabiliteten hos partiklar, kolloidala eller på annat sätt, utvärderas oftast i termer av zetapotential . Denna parameter tillhandahåller ett lätt kvantifierbart mått på interpartikelavstötning, vilket är nyckelhämmaren av partikelaggregation.
Liknande agglomerationsprocesser förekommer också i andra dispergerade system. I emulsioner kan de också kopplas till droppsammansättning och inte bara leda till sedimentering utan även till krämbildning . I aerosoler kan luftburna partiklar lika aggregera och bilda större kluster (t.ex. sot ).
Tidiga stadier
En väl dispergerad kolloidal suspension består av individuella, separerade partiklar och stabiliseras av repulsiva interpartikelkrafter. När de frånstötande krafterna försvagas eller blir attraktiva genom tillsats av ett koaguleringsmedel, börjar partiklar att aggregera. Inledningsvis kommer partikeldubletter A2 att bildas från singletter Ai enligt schemat
- A 1 + A 1 → A 2
I det tidiga skedet av aggregationsprocessen innehåller suspensionen huvudsakligen enskilda partiklar. Hastigheten för detta fenomen kännetecknas av aggregationshastighetskoefficienten k . Eftersom dublettbildning är en andra ordningens hastighet är enheterna för dessa koefficienter m 3 s −1 eftersom partikelkoncentrationer uttrycks som partikelantal per volymenhet (m −3 ). Eftersom absoluta aggregationshastigheter är svåra att mäta, hänvisar man ofta till det dimensionslösa stabilitetsförhållandet W = k fast / k där k fast är aggregationshastighetskoefficienten i den snabba regimen, och k koefficienten vid de aktuella förhållandena. Stabilitetsförhållandet är nära enhet i den snabba regimen, ökar i den långsamma regimen och blir mycket stor när fjädringen är stabil.
Ofta är kolloidala partiklar suspenderade i vatten. I det här fallet ackumulerar de en ytladdning och ett elektriskt dubbelskikt bildas runt varje partikel. Överlappningen mellan de diffusa skikten av två närmande partiklar resulterar i en repulsiv dubbelskiktsinteraktionspotential , vilket leder till partikelstabilisering. När salt tillsätts suspensionen avskärmas den elektriska dubbelskiktsrepulsionen, och van der Waals attraktion blir dominerande och inducerar snabb aggregation. Figuren till höger visar det typiska beroendet av stabilitetsförhållandet W mot elektrolytkoncentrationen, varvid regimerna för långsam och snabb aggregation indikeras.
Tabellen nedan sammanfattar intervallen för kritisk koagulationskoncentration (CCC) för olika nettoladdningar av motjonen . Laddningen uttrycks i enheter av elementär laddning . Detta beroende återspeglar Schulze-Hardy-regeln, som säger att CCC varierar som den omvända sjätte potensen av motjonladdningen. CCC beror också något på typen av jon, även om de bär samma laddning. Detta beroende kan återspegla olika partikelegenskaper eller olika jonaffiniteter till partikelytan. Eftersom partiklar ofta är negativt laddade representerar flervärda metallkatjoner således mycket effektiva koagulanter.
| Avgift | CCC (× 10 −3 mol/L) |
|---|---|
| 1 | 50-300 |
| 2 | 2-30 |
| 3 | 0,03-0,5 |
Adsorption av motsatt laddade arter (t.ex. protoner, specifikt adsorberande joner, ytaktiva ämnen eller polyelektrolyter ) kan destabilisera en partikelsuspension genom laddningsneutralisering eller stabilisera den genom uppbyggnad av laddning, vilket leder till en snabb aggregation nära laddningsneutraliseringspunkten och långsam aggregation bort från det.
Kvantitativ tolkning av kolloidal stabilitet formulerades först inom DLVO-teorin . Denna teori bekräftar existensen av långsamma och snabba aggregeringsregimer, även om beroendet av saltkoncentrationen ofta förutspås vara mycket starkare än vad som observerats experimentellt i den långsamma regimen. Schulze-Hardy-regeln kan också härledas från DLVO-teorin .
Andra mekanismer för kolloidstabilisering är lika möjliga, särskilt när det gäller polymerer. Adsorberade eller ympade polymerer kan bilda ett skyddande skikt runt partiklarna, inducera steriska repulsiva krafter och leda till sterisk stabilisering när det är fallet med polykarboxylateter (PCE), den sista generationen av kemiskt skräddarsydda superplasticerare speciellt utformade för att öka betongens bearbetbarhet . samtidigt som den minskar dess vattenhalt för att förbättra dess egenskaper och hållbarhet. När polymerkedjor adsorberar till partiklar löst, kan en polymerkedja överbrygga två partiklar och inducera överbryggande krafter. Denna situation kallas överbryggande flockning .
När partikelaggregation enbart drivs av diffusion, hänvisar man till perikinetisk aggregation. Aggregation kan förbättras genom skjuvspänning (t.ex. omrörning). Det senare fallet kallas ortokinetisk aggregering.
Senare stadier
Allt eftersom aggregeringsprocessen fortsätter bildas större kluster. Tillväxten sker främst genom möten mellan olika kluster, och därför hänvisar man till kluster-kluster aggregeringsprocess. De resulterande klustren är oregelbundna, men statistiskt likadana. De är exempel på massfraktaler , varvid deras massa M växer med sin typiska storlek som kännetecknas av gyrationsradien R g som en kraftlag
där d är massfraktaldimensionen. Beroende på om aggregeringen är snabb eller långsam hänvisar man till diffusionsbegränsad klusteraggregation (DLCA) eller reaktionsbegränsad klusteraggregation (RLCA). Klustren har olika egenskaper i varje regim. DLCA-kluster är lösa och förgrenade ( d ≈ 1,8), medan RLCA-kluster är mer kompakta ( d ≈ 2,1). Klusterstorleksfördelningen är också olika i dessa två regimer. DLCA-kluster är relativt monodispersa, medan storleksfördelningen av RLCA-kluster är mycket bred.
Ju större klusterstorleken är, desto snabbare deras sedimenteringshastighet. Aggregerande partiklar sedimenterar därför och denna mekanism ger ett sätt att separera dem från suspensionen. Vid högre partikelkoncentrationer kan de växande klustren länkas samman och bilda en partikelgel . En sådan gel är en elastisk fast kropp, men skiljer sig från vanliga fasta ämnen genom att ha en mycket låg elasticitetsmodul .
Homoaggregation kontra heteroaggregation
När aggregering sker i en suspension som består av liknande monodispersa kolloidala partiklar, kallas processen homoaggregation (eller homokoagulation ). När aggregering sker i en suspension som består av olika kolloidala partiklar, hänvisar man till heteroaggregation (eller heterokoagulation ). Den enklaste heteroaggregationsprocessen inträffar när två typer av monodispersa kolloidala partiklar blandas. I de tidiga stadierna kan tre typer av dubbletter bildas
- A + A → A 2
- B + B → B 2
- A + B → AB
Medan de två första processerna motsvarar homoaggregation i rena suspensioner innehållande partiklarna A eller B, representerar den sista reaktionen den faktiska heteroaggregationsprocessen. Var och en av dessa reaktioner kännetecknas av respektive aggregationskoefficienter k AA , k BB , och k AB . Till exempel, när partiklar A och B har positiv respektive negativ laddning, kan homoaggregationshastigheterna vara långsamma, medan heteroaggregationshastigheten är snabb. I motsats till homoaggregation accelererar heteroaggregationshastigheten med minskande saltkoncentration. Kluster som bildas i senare stadier av sådana heteroaggregationsprocesser är ännu mer förgrenade än de som erhålls under DLCA ( d ≈ 1,4).
Ett viktigt specialfall av en heteroaggregationsprocess är avsättningen av partiklar på ett substrat. Tidiga stadier av processen motsvarar fastsättningen av enskilda partiklar till substratet, vilket kan vara bilder som en annan, mycket större partikel. Senare stadier kan återspegla blockering av substratet genom frånstötande interaktioner mellan partiklarna, medan attraktiva interaktioner kan leda till flerskiktstillväxt, och kallas även mognad. Dessa fenomen är relevanta vid nedsmutsning av membran eller filter .
Experimentella tekniker
Många experimentella tekniker har utvecklats för att studera partikelaggregation. Oftast används tidsupplösta optiska tekniker som är baserade på transmittans eller spridning av ljus.
Ljustransmission. Variationen av transmitterat ljus genom en aggregerande suspension kan studeras med en vanlig spektrofotometer i det synliga området. När aggregationen fortskrider blir mediet grumligare och dess absorbans ökar. Ökningen av absorbansen kan relateras till aggregationshastighetskonstanten k och stabilitetsförhållandet kan uppskattas från sådana mätningar. Fördelen med denna teknik är dess enkelhet.
Ljusspridning. Dessa tekniker är baserade på att undersöka det spridda ljuset från en aggregerande suspension på ett tidsupplöst sätt. Statisk ljusspridning ger förändringen i spridningsintensiteten, medan dynamisk ljusspridning variationen i den skenbara hydrodynamiska radien. Vid tidiga aggregationsstadier är variationen av var och en av dessa storheter direkt proportionell mot aggregationshastighetskonstanten k . I senare skeden kan man få information om de bildade klustren (t.ex. fraktal dimension). Ljusspridning fungerar bra för ett brett spektrum av partikelstorlekar. Flera spridningseffekter kan behöva övervägas, eftersom spridning blir allt viktigare för större partiklar eller större aggregat. Sådana effekter kan försummas i svagt grumliga suspensioner. Aggregationsprocesser i starkt spridande system har studerats med transmittans , bakåtspridningstekniker eller diffusionsvågspektroskopi .
Enstaka partikelräkning. Denna teknik erbjuder utmärkt upplösning, varvid kluster gjorda av tiondelar av partiklar kan lösas individuellt. Den aggregerande suspensionen tvingas genom en smal kapillärpartikelräknare och storleken på varje aggregat analyseras genom ljusspridning. Från spridningsintensiteten kan man härleda storleken på varje aggregat och konstruera en detaljerad aggregatstorleksfördelning. Om suspensionerna innehåller höga mängder salt kan man likaväl använda en Coulter-räknare . Allt eftersom tiden går skiftar storleksfördelningen mot större aggregat, och från denna variation kan aggregerings- och uppdelningshastigheter som involverar olika kluster härledas. Nackdelen med tekniken är att aggregaten tvingas genom en smal kapillär under hög skjuvning, och aggregaten kan störa under dessa förhållanden.
Indirekta tekniker. Eftersom många egenskaper hos kolloidala suspensioner beror på tillståndet för aggregation av de suspenderade partiklarna, har olika indirekta tekniker använts för att övervaka partikelaggregation också. Även om det kan vara svårt att få kvantitativ information om aggregationshastigheter eller klusteregenskaper från sådana experiment, kan de vara mest värdefulla för praktiska tillämpningar. Bland dessa tekniker sättningstester mest relevanta. När man inspekterar en serie provrör med suspensioner framställda i olika koncentrationer av flockningsmedlet förblir stabila suspensioner ofta dispergerade, medan de instabila sedimenterar. Automatiserade instrument baserade på ljusspridning/transmittans för att övervaka suspensionens sedimentering har utvecklats, och de kan användas för att undersöka partikelaggregation. Man måste dock inse att dessa tekniker kanske inte alltid återspeglar det faktiska aggregeringstillståndet för en suspension korrekt. Till exempel kan större primära partiklar sedimentera även i frånvaro av aggregation, eller så kommer aggregat som har bildat en kolloidal gel att förbli i suspension. Andra indirekta tekniker som kan övervaka tillståndet för aggregation inkluderar till exempel filtrering , reologi , absorption av ultraljudsvågor eller dielektriska egenskaper .
Relevans
Partikelaggregation är ett utbrett fenomen som uppstår spontant i naturen men som också utforskas brett inom tillverkningen. Några exempel inkluderar.
Bildandet av floddeltat . När flodvatten som bär suspenderade sedimentpartiklar når saltvatten, kan partikelaggregation vara en av de faktorer som är ansvariga för bildandet av floddeltat. Laddade partiklar är stabila i flodens sötvatten som innehåller låga halter av salt, men de blir instabila i havsvatten som innehåller höga halter av salt. I det senare mediet aggregerar partiklarna, de större aggregaten sedimenterar och skapar därmed floddeltat.
Papperstillverkning . Retentionshjälpmedel tillsätts till massan för att påskynda pappersbildningen. Dessa hjälpmedel är koaguleringshjälpmedel, som påskyndar aggregationen mellan cellulosafibrerna och fyllmedelspartiklarna. Ofta används katjoniska polyelektrolyter för detta ändamål.
Vattenbehandling . Rening av kommunalt avloppsvatten innefattar normalt en fas där fina fasta partiklar avlägsnas. Denna separation uppnås genom tillsats av ett flockningsmedel eller koaguleringsmedel, som inducerar aggregering av de suspenderade fasta ämnena. Aggregaten separeras normalt genom sedimentering, vilket leder till avloppsslam. Vanligt använda flockningsmedel vid vattenbehandling inkluderar flervärda metalljoner (t.ex. Fe3 + eller Al3 + ), polyelektrolyter eller båda.
Osttillverkning . Nyckelsteget i osttillverkningen är separationen av mjölken i fast ostmassa och flytande vassle. Denna separation uppnås genom att inducera aggregationsprocesserna mellan kaseinmiceller genom att surgöra mjölken eller tillsätta löpe. Surgöringen neutraliserar karboxylatgrupperna på micellerna och inducerar aggregationen.
Se även
externa länkar
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
