الأشياء الهامة من إمكانات-زيتا لفقاعات النانو

لماذا تعتبر إمكانات زيتا مهمة بالنسبة لفقاعات النانو؟

تعد الخصائص الكهربائية للفقاعات الغازية مهمة في تحديد تفاعل الفقاعات النانو عند دمجها مع بعضها البعض وكيفية تفاعلها مع مواد أخرى مثل الجسيمات الصلبة أو قطرات الزيت. ويساعد فهم هذا الأمر في تطوير التطبيقات، على سبيل المثال، مزيلات البروتينات، وتعويم الرغوة، ومعالجة الأغذية، وغسل الأسطح والتنقية.

الطبقة الكهربائية المزدوجة حول فقاعة عالية التردد.

عند تعليق فقاعة في السائل، تحيط بها أيونات ذات شحنة معاكسة. يتكون محيط فقاعة النانو من جزأين. الجزء الداخلي، القريب يسمى طبقة ستيرن وفيه تكوّن الأيونات روابط قوية، بينما يتألف الجزء الخارجي من طبقة عشوائية حيث تتمسك الأيونات بشكل أقل. الجزء الخارجي يشبه سحابة يحفظها القوى الكهربائية؛ ويتألف من أيونات مختلفة ذات قطبيات متعاكسة. يشكل النظام ككل طبقة كهربائية مزدوجة. يؤثر تطور الشحنة الصافية على سطح فقاعة الجسيمات السائلة على توزيع الأيونات في المنطقة الحدودية المجاورة. ينتج عن ذلك زيادة تركيز الأيونات المضادة القريبة من السطح. عندما تتحرك فقاعة النانو في السائل، تتحرك الأيونات داخل الحدود مع الفقاعة. أما أيونات الأبعد من الحدود فلا تتحرك مع الفقاعة. نسمي هذا الحد الانزلاق الهيدروديناميكي أو المستوى المنزلق. يُطلق على الإمكانات الموجودة على هذا السطح اسم إمكانات زيتا.

إمكانات زيتا المنخفضة والمرتفعة

يمكن قياس جهد زيتا ب بالملي فولت في الكيمياء الفيزيائية. يقيس جهد زيتا حجم تنافر الشحنة الكهروستاتيكية أو التجاذب بين الجسيمات أو الفقاعات أو القطرات. إمكانات زيتا هي واحدة من العوامل الأساسية للتأثير على الاستقرار. تعطي إمكانات زيتا نظرة ثاقبة حول أسباب التشتت أو التجميع أو الترويب ويمكن تطبيقها لتحسين صياغة المشتتات والمستحلبات والمعلقات.

أيونات H+ و OH-

يعني وجود جهد زيتا أعلى يؤدي إلى زيادة الاستقرار للفقاعات النانوية في التعليق بسبب التنافر بين الفقاعات. بينما يؤدي وجود جهد زيتا أقل إلى التكتل والاستقرارية الأقل. والجهد زيتا الأقل يعني قيمة أقرب إلى الصفر. ويكون الجهد زيتا إما إيجابيًا أو سالبًا، ويمكن لجهد زيتا عالي أن يكون إما رقمًا موجبًا عاليًا أو رقمًا سالبًا عاليًا لتكون مستقرة. تعتمد شحنة المحلول على أيونات إيجابية H+ أو أيونات أكسدة سالبة OH-. أظهرت الدراسات أن الفقاعات في الماء المقطر تحمل شحنة سالبة. وفي المتوسط، يتميز فقاعة في الماء المقطر بجهد زيتا يبلغ حوالي -35 ملي فولت عند درجة الحموضة 5.8، وعند قياس مقاسات فقاعات مختلفة، لا يوجد علاقة بين قيمة جهد زيتا وقطر الفقاعة.

عندما تتداخل أيونات H+ و OH-، يكون درجة الحموضة (pH) أيضًا حاضرة وتعد عاملاً هامًا لذلك يجب دائمًا قياس الجهد زيتا بالتزامن مع درجة الحموضة. عندما يكون جهد الزيتا سالبًا، فإن واجهة الغاز-الماء تحمل شحنة سالبة بفعل أيونات OH-. ويكون الماء لديه فائض من أيونات OH- بالمقارنة مع أيونات H+. تشير القيمة السالبة لجهد الزيتا تحت مجموعة واسعة من درجات الحموضة إلى أن OH- يتم امتصاصها بشكل أكثر فعالية على واجهة التفاعل من H+. في بعض الأحيان، يكون جهد زيتا إيجابيًا، ويحدث ذلك عندما تكون ظروف الحموضة أشد حموضة، مثل حالة تفاعل غاز CO2 المذاب.

شرح الباحثون امتصاص أيونات OH- على واجهة التفاعل عن طريق الفرق في طاقة الترطيب بين H+ و OH- أو عن طريق توجيه الأقطاب المائية عند واجهة التفاعل، حيث يكون ذراع الهيدروجين موجهًا نحو المرحلة المائية وذراع الأكسجين نحو المرحلة الغازية، مما يسبب جاذبية للأنيونات إلى واجهة التفاعل.

يتعلق شحن الواجهة الكهربائية بشبكة روابط الهيدروجين للماء. يتسبب الشحن الكهربائي لواجهة التفاعل في المحلول المائي في وجود فائض أكبر من H+ و OH- عند واجهة التفاعل مقارنة بالحجم الكلي. وتعتبر هذه الأيونات عناصر أساسية في شبكة الروابط الهيدروجينية، لذلك يجب أن تشمل معلومات الهيكل الدقيق لواجهة الغاز-الماء عددًا أكبر من هذه الأيونات في واجهة التفاعل مقارنة بمرحلة الماء الكلية. ونظرًا لأن القيمة السالبة لجهد زيتا للفقاعات في نطاق pH واسع تشير إلى أن OH- أكثر فعالية من H+ في التأثير على الهيكل الدقيق لواجهة الغاز-الماء.

الكحول: تأثير سلبي على فقاعات النانو متناهية الصغر

الكحول، سواء كان الميثانول، الإيثانول، أو الكحولات الأعلى، يؤثر بشكل سلبي على الجهد زيتا (Zeta Potential) ويقلل من القيمة السالبة. وعادةً ما يمتص الكحول واجهة الماء والغاز، مما يؤدي إلى إختلال كبير في شبكة الروابط الهيدروجينية عند الواجهة.

فيما يتعلق بإستقرار الفقاعات، كشفت بعض الأبحاث القديمة أن فقاعات الهواء تبقى مستقرة في المحلول لمدة 4 أيام بينما تستمر فقاعات ثاني أكسيد الكربون لمدة 1 أو 2 ساعة فقط. أظهرت دراسات أحدث أن الفقاعات الدقيقة جدًا تحت ظروف مثالية في المختبر تبقى مستقرة لمدة 4 إلى 6 أشهر

الغرويات (الكولويدات) المستقرة وغير المستقرة

غالبًا ما يتساءل الناس إذا كانت الفقاعات الدقيقة تنتشر بالتساوي في الماء أو إذا كانت متجمعة في منطقة واحدة من الماء. حيث تتصرف الفقاعات بنفس طريقة الجسيمات في الغرويات. الغرويات هو محلول يحتوي على جسيمات بين 1 و 1000 نانومتر في القطر وما زالت تبقى منتشرة بالتساوي في جميع أنحاء المحلول. ويعرف هذا النوع من المحاليل أيضًا باسم التشتت الغروي حيث تبقى المواد منتشرة ولا تستقر في قاع الحاوية. ويتميز كل جسيم غروي منتشر في المحلول بتحميله الكهربائي نتيجة صفاته الأيونية والثنائية.

إمكانات زيتا في الممارسة والتطبيقات

البستنة والزراعة

تعني إمكانات زيتا العالية حلاً مستقرًا لجذور النباتات ، وهذا أمر إيجابي لأنها يمكن أن تمتص العناصر الغذائية بسهولة نظرًا لزيادة فرصة الامتصاص. يُظهر محلول المغذيات للنباتات ذات الإمكانات المنخفضة من زيتا العناصر الغذائية العنقودية التي يصعب الوصول إليها لجذور النباتات.

معالجة البحيرات والبرك

تعتبر البكتيريا المحيطة بالأمعاء عنصرًا هامًا لتنظيف مياه الصرف الصحي وتنقية البحيرات والبرك وتنظيف خزانات الصرف الصحي. تحتاج البكتيريا المحيطة بالأمعاء إلى الأكسجين كمصدر للطاقة وكلما زادت كمية الأكسجين في الماء كان ذلك أفضل. يتراوح حجم البكتيريا المحيطة بالأمعاء بين 200 نانومتر و 10،000 نانومتر مقارنة بمتوسط ​​حجم فقاعات النانو لأكنيتي والتي تتراوح بين 85 إلى 120 نانومتر. تتجمع البكتيريا المحيطة بالأمعاء العناصر الغذائية من البيئة بالانتشار. يساعد وجود تركيز عالٍ من الأكسجين في الماء مع إمكانات الزيتا المرتفعة هذه البكتيريا الإيجابية على النمو. مع وجود إمكانات زيتا مرتفعة ، تنتشر العناصر الغذائية للبكتيريا المحيطة بالأمعاء بشكل جيد في الحل وتجعلها سهلة الوصول إليها. عندما يكون لمحلول المائي إمكانات زيتا منخفضة ، تتجمع العناصر الغذائية بشكل أقل ويصعب الوصول إليها ، ويستغرق الأمر وقتًا أطول للبكتيريا المحيطة بالأمعاء لتنظيف المياه.

معالجة المياه

في معالجة المياه، تعطي مراقبة إمكانات زيتا مؤشرًا لكمية المواد الكيميائية أو فقاعات النانو الدقيقة التي يجب إضافتها.

الأغشية الحيوية والتلوث الحيوي

زيادة إمكانات زيتا في الأنابيب تقضي على الغشاء الحيوية والتلوث الحيوي للأغشية وتطيل عمر الفلتر.

الرواسب الطينية

تثبيت الطين والجسيمات الأخرى في الماء وتقليل ميلها للتكتل حتى لا يترسبوا على هيئة طين ناعم.

الشوارد الحرة

عندما يتم ضغط الفقاعات الدقيقة بتركيزات عالية، تزيد إمكانات زيتا أثناء الضغط، ويزداد تركيز الأيونات حول الفقاعات. بعد عدة دقائق من الضغط، تتكون الكثير من الأيونات الزائدة التي تؤدي إلى إنشاء جذور حرة.