مواد مهم پتانسیل زتا برای نانوحباب ها

چرا پتانسیل زتا (Zeta potential) برای نانوحباب ها مهم است؟

خواص الکتریکی حباب های گاز در تعیین برهمکنش نانوحباب ها در صورت ادغام و زمان ادغام آنها و نحوه برهمکنش آنها با مواد دیگر مانند ذرات جامد یا قطرات نفت مهم است. دانش در مورد این به توسعه کاربردها برای مثال در کفگیرهای پروتئینی، شناورسازی کف، پردازش مواد غذایی، سطوح شستشو و تصفیه کمک می کند.

دو لایه الکتریکی در اطراف حباب بسیار ریز

هنگامی که یک حباب در مایع معلق می شود، توسط یون هایی با بار مخالف احاطه می شود. اطراف حباب نانو از دو قسمت تشکیل شده است. یک ناحیه داخلی و نزدیک به نام لایه استرن که در آن یون ها به شدت متصل می شوند و یک ناحیه منتشر بیرونی که در آن یون ها محکم به هم چسبیده اند. ناحیه بیرونی مانند ابری است که توسط نیروهای الکترواستاتیک کنار هم نگه داشته شده است. از یونهای مختلف با قطبیت مخالف تشکیل شده است. کل سیستم یک لایه دوگانه الکتریکی را تشکیل می دهد. ایجاد بار خالص در سطح مایع ذرات حباب بر توزیع یون ها در ناحیه مجاور سطح ورودی تأثیر می گذارد. این منجر به افزایش غلظت یون های مخالف نزدیک به سطح می شود. هنگامی که حباب نانو در مایع حرکت می کند، یون های داخل مرز با حباب حرکت می کنند. هیچ یونی فراتر از مرز با حباب حرکت نمی کند. ما مرز را برش هیدرودینامیکی یا صفحه لغزش می نامیم. پتانسیل موجود در این سطح را پتانسیل زتا می نامند.

پتانسیل زتا بالا و پایین

پتانسیل زتا را می توان در mV اندازه گیری کرد. پتانسیل زتا، میزان دفع بار الکترواستاتیکی یا جاذبه بین ذرات، حباب ها یا قطرات را اندازه گیری می کند. پتانسیل زتا یکی از پارامترهای اساسی برای تأثیرگذاری بر پایداری است. پتانسیل زتا بینش دقیقی در مورد علل پراکندگی، تجمع یالخته سازی می دهد و می تواند برای بهبود فرمولاسیون پراکندگی ها،امولسیون ها و سوسپانسیون ها استفاده شود.

یون های H+ و OH-

پتانسیل زتا بالاتر به معنای پایداری در برابر حباب های نانو در حالت تعلیق به دلیل دافعه در بین حباب ها است. پتانسیل زتا کمتر منجر به انعقاد می شود و پایداری کمتری دارد. پتانسیل زتا کمتر به معنای مقدار نزدیکتر به صفر است. پتانسیل زتا یا مثبت یا منفی است و پتانسیل زتا بالا می تواند یک عدد مثبت یا منفی زیاد باشد تا پایدار باشد. بار محلول به یون های مثبت H+ یا بیشتر یون های منفی OH- بستگی دارد. مطالعات نشان داده اند که حباب های آب مقطر دارای بار منفی هستند. به طور متوسط یک حباب در آب مقطر دارای پتانسیل زتا 35- میلی ولت در pH 8/5 است که هنگام اندازه گیری اندازه های مختلف حباب، هیچ رابطه ای بین بزرگی پتانسیل زتا و قطر حباب وجود ندارد.

هنگامی که یون های H+ و OH- در حال ایفای نقش هستند، pH نیز وجود دارد و یک عامل مهم است، بنابراین هنگام اندازه گیری پتانسیل زتا همیشه این کار را در ترکیب با pH انجام دهید. هنگامی که پتانسیل زتا منفی است، رابط گاز و آب با یون های OH- بار منفی می شود. آب در مقایسه با یون H+ دارای یون OH- اضافی است. مقدار منفی پتانسیل زتا تحت طیف وسیعی از pH نشان می دهد که OH- به طور موثرتری نسبت به H+ به سطح مشترک جذب می شود. گاهی اوقات پتانسیل زتا مثبت است، این اتفاق می افتد یعنی در شرایط اسیدی قوی تر، یعنی زمانی که گاز CO2 حل می شود.

محققان جذب OH- به سطح مشترک را با تفاوت انرژی هیدراتاسیون بین H+ و OH- یا جهت گیری دوقطبی های آب در سطح مشترک با اتم های هیدروژن که به سمت فاز آب و اتم های اکسیژن به سمت فاز گاز حرکت کرده که باعث ایجاد گرایش آنیون ها در فاز بین البینی می شود.

بار الکتریکی رابط گاز و آب به شبکه پیوند هیدروژنی آب مربوط می شود. بار الکتریکی سطح مشترک در محلول آبی ناشی از H+ و OH- بیشتر در سطح مشترک نسبت به توده است. این یون‌ها عناصر ضروری شبکه پیوند هیدروژنی هستند، بنابراین اطلاعات ساختاری رابط گاز-آب باید شامل تعداد بیشتری از این یون‌ها در فصل مشترک نسبت به فاز آبی حجیم باشد. از آنجایی که مقدار منفی پتانسیل زتا برای حباب‌ها در محدوده pH وسیع نشان می‌دهد که OH- در تأثیرگذاری بر ساختار میکروسکوپی رابط گاز و آب مؤثرتر از H + است.

الکل: تأثیر منفی بر حباب های بسیار ریز

الکل از جمله متانول، اتانول و الکل های بالاتر با کاهش ارزش منفی بر پتانسیل زتا تأثیر منفی دارند. الکل ها تمایل به جذب سطح مشترک گاز و آب دارند و افزودن مقدار کمی الکل به طور قابل توجهی شبکه پیوند هیدروژنی را در فصل مشترک مختل می کند.

برای پایداری حباب‌ها، برخی تحقیقات قدیمی نشان دادند که حباب‌های هوا به مدت 4 روز در محلول پایدار هستند در حالی که حباب‌های CO2 تنها 1 یا 2 ساعت دوام می‌آورند. مطالعات جدیدتر نشان داد که حباب های بسیار ریز در آزمایشگاه در شرایط عالی برای 4 تا 6 ماه پایدار هستند.

کلوئیدها پایدار و ناپایدار

مردم اغلب تعجب می کنند که آیا حباب های بسیار ریز به طور یکنواخت در آب پخش می شوند یا در یک منطقه از آب جمع شده اند. همانطور که حباب ها مانند ذرات کلوئید رفتار می کنند. کلوئید محلولی است که دارای ذراتی با قطر 1 تا 1000 نانومتر است و همچنان می‌تواند به طور مساوی در سراسر محلول توزیع شود. اینها همچنین به عنوان پراکندگی کلوئیدی شناخته می شوند زیرا مواد پراکنده باقی می مانند و در ته ظرف ته نشین نمی شوند. هر ذره کلوئیدی پراکنده در محلول به دلیل ویژگی های یونی و ویژگی های دوقطبی خود بار الکتریکی دارد.

پتانسیل زتا (Zeta potential) در عمل و کاربردها

باغبانی و کشاورزی

پتانسیل زتا بالا به معنای محلول پایدار برای ریشه های گیاه است. این یک مورد مثبت است زیرا آنها می توانند مواد مغذی را راحت تر به دلیل شانس بیشتر جذب جذب کنند. یک محلول غذایی برای گیاهان با پتانسیل زتا کم، مواد مغذی خوشه‌ای را نشان می‌دهد که برای ریشه‌های گیاه کمتر در دسترس هستند.

بهسازی دریاچه و برکه

باکتری های پروبیوتیک جزء مهمی برای تمیز کردن فاضلاب، بهسازی دریاچه ها و حوضچه ها و تمیز کردن سپتیک تانک هستند. باکتری های پروبیوتیک هوازی هستند، به عنوان منبع انرژی به اکسیژن نیاز دارند و هر چه اکسیژن بیشتر باشد بهتر است. اندازه یک باکتری پروبیوتیک بین 200 نانومتر تا 10000 نانومتر در مقایسه با یک نانو حباب متوسط آکنیتی بین 85 تا 120 نانومتر است. باکتری های پروبیوتیک مواد مغذی را از طریق انتشار از محیط جمع می کنند. غلظت بالای اکسیژن در آب با پتانسیل زتا بالا به این باکتری های مثبت کمک می کند تا رشد کنند. با پتانسیل زتا بالا، مواد مغذی برای باکتری های پروبیوتیک به خوبی از طریق محلول پراکنده شده و آنها را به راحتی در دسترس قرار می دهد. هنگامی که محلول آب دارای پتانسیل زتا کم باشد، مواد مغذی کمتر در دسترس قرار می گیرند و زمان بیشتری طول می کشد تا باکتری های پروبیوتیک بدن آب را تمیز کنند.

تصفیه آب

در سیستم تصفیه آب، نظارت بر پتانسیل زتا نشان دهنده مقدار مواد شیمیایی یا حباب های بسیار ریز است که باید دوز شوند.

بیوفیلم و رسوب زیستی

افزایش پتانسیل زتا در لوله‌ها و پایپ ها باعث حذف لایه‌های زیستی و رسوب زیستی غشاها و افزایش عمر فیلتر می‌شود.

لجن

خاک رس و سایر ذرات را در آب تثبیت کنید و تجمع این مواد را کاهش دهید تا به عنوان لجن نرم ته نشین نشوند.

رادیکال های آزاد

هنگامی که حباب های ریز در غلظت های بالا فشرده می شوند، پتانسیل زتا در طول فشرده سازی افزایش می یابد و غلظت یون در اطراف حباب ها افزایش می یابد. پس از چند دقیقه فشرده سازی، یون های زیادی تشکیل می شود که رادیکال های آزاد ایجاد می شود.