Le potentiel zêta: élément important pour les nanobulles

Pourquoi le potentiel zêta est-il important pour les nanobulles?

Les propriétés électriques des bulles de gaz sont importantes pour déterminer l'interaction des nanobulles lorsque et si elles fusionnent et comment elles interagissent avec d'autres matériaux tels que des particules solides ou des gouttelettes d'huile. Les connaissances à ce sujet aident au développement d'applications dans, par exemple, les écumeurs de protéines, la flottation par mousse, la transformation des aliments, le lavage des surfaces et la purification.

Double couche électrique autour de la nanobulle

Lorsqu'une bulle est en suspension dans un liquide, elle est entourée d'ions de charges opposées. L'entourage de la nanobulle est constitué de deux parties. Une région interne proche appelée la couche Stern où les ions sont fortement liés et une région diffuse externe où les ions sont moins fermement attachés. La région extérieure est comme un nuage maintenu ensemble par des forces électrostatiques; il est constitué de divers ions de polarités opposées. L'ensemble du système forme une double couche électrique. Le développement d'une charge nette à la surface du liquide des particules de bulle affecte la distribution des ions dans la zone d'interface voisine. Il en résulte une concentration accrue de contre-ions près de la surface. Lorsque la nanobulle se déplace à travers le liquide, les ions à l'intérieur de la limite se déplacent avec la bulle. Tous les ions au-delà de la frontière ne se déplacent pas avec la bulle. Nous appelons la frontière la force de cisaillement hydrodynamique ou le plan de glissement. Le potentiel sur cette surface s'appelle le potentiel zêta.

Potentiel zêta élevé et faible

Le potentiel zêta peut être mesuré en mV. Le potentiel zêta mesure l'amplitude de la répulsion ou de l'attraction de la charge électrostatique entre les particules, les bulles ou les gouttelettes. Le potentiel zêta est l'un des paramètres fondamentaux pour influencer la stabilité. Le potentiel zêta fournit un aperçu détaillé des causes de la dispersion, de l'agrégation ou de la floculation et peut être utilisé pour améliorer la formulation de dispersions, d'émulsions et de suspensions.

Ions H+ et OH

Un potentiel zêta plus élevé signifie que les nanobulles sont en suspension stable en raison de la répulsion entre les bulles. Un potentiel zêta faible conduit à la coagulation et les bulles sont moins stables. Un potentiel zêta faible signifie une valeur plus proche de zéro. Le potentiel zêta est soit positif soit négatif. De plus, un potentiel zêta élevé peut être un nombre positif ou négatif élevé pour être stable. La charge de la solution dépend des ions positifs H+ ou de plusieurs ions négatifs OH-. Des études ont démontré que les bulles dans l'eau distillée sont chargées négativement. En moyenne, une bulle dans de l'eau distillée a un potentiel zêta de -35 mV à un pH de 5,8 lors de la mesure de différentes tailles de bulles, il n'y a pas de relation entre l'amplitude du potentiel zêta et le diamètre de la bulle.

Lorsque les ions H+ et OH- sont en jeu, le pH est également présent et constitue un facteur important. Par conséquent, lorsque vous mesurez le potentiel zêta, faites-le toujours en combinaison avec le pH. Lorsque le potentiel zêta est négatif, l'interface gaz-eau est chargée négativement en ions OH-. L'eau contient un excès d'ions OH- par rapport aux ions H+. La valeur négative du potentiel zêta dans une large gamme de pH suggère que OH- est plus efficacement adsorbé à l'interface que H+. Parfois, le potentiel zêta est positif, cela se produit, par exemple dans des conditions acides plus fortes, par exemple lorsque le gaz CO2 est dissous.

Des chercheurs ont expliqué l'adsorption de l'OH- sur l'interface par la différence d'énergie d'hydratation entre H+ et OH- ou par l'orientation des dipôles d'eau à l'interface avec des atomes d'hydrogène pointant vers la phase eau et des atomes d'oxygène vers la phase gazeuse, provoquant une attraction d'anions à l'interphase.

La charge électrique de l'interface gaz-eau est liée au réseau de liaisons hydrogène de l'eau. La charge électrique de l'interface dans la solution aqueuse est causée par un plus grand excès d'ions H+ et OH- à l'interface que dans la masse. Ces ions sont les éléments essentiels du réseau de liaisons hydrogène. Ceci veut dire que l'information structurale de l'interface gaz-eau doit comporter un plus grand nombre de ces ions à l'interface que dans la phase aqueuse brute. Au vu de la valeur négative du potentiel zêta pour les bulles dans une large gamme de pH, ceci suggère que OH- est plus efficace que H+ pour influencer la structure microscopique de l'interface gaz-eau.

L'alcool a un impact négatif sur les nanobulles

L'alcool, le méthanol, l'éthanol et les alcools supérieurs ont un impact négatif sur le potentiel zêta car ils réduisent sa valeur négative. Les alcools ont tendance à absorber l'interface gaz-eau et l'ajout d'une petite quantité d'alcool perturbe considérablement le réseau de liaisons hydrogène à l'interface.

En ce qui concerne la stabilité des bulles, certaines recherches plus anciennes ont montré que les bulles d'air étaient stables en solution pendant 4 jours alors que les bulles de CO2 ne duraient que 1 ou 2 heures. Des études plus récentes ont montré que des bulles ultrafines en laboratoire dans des conditions parfaites restent stables pendant 4 à 6 mois.

Colloïdes stables et instables

L'on se demandent souvent si les bulles ultrafines se propagent uniformément dans l'eau ou si elles sont regroupées dans une région de l'eau. La réponse est que les bulles se comportent de la même manière que les particules dans un colloïde. Un colloïde est une solution dont les particules ont un diamètre compris entre 1 et 1 000 nanomètres et qui sont toujours capables de rester uniformément réparties dans la solution. Celles-ci sont également appelées dispersions colloïdales car les substances restent dispersées et ne se déposent pas au fond du récipient. Chaque particule colloïdale dispersée dans la solution est électriquement chargée en raison de ses caractéristiques ioniques et de ses attributs bipolaires.

Le potentiel zêta dans la pratique et les applications

Horticulture et agriculture

Un potentiel zêta élevé signifie une solution stable pour les racines des plantes, ce qui est positif car elles peuvent plus facilement absorber les nutriments en raison d'une plus grande probabilité d'absorption. Une solution nutritive pour les plantes à faible potentiel zêta montre des nutriments groupés qui sont moins accessibles pour les racines des plantes.

Assainissement des lacs et étangs

Les bactéries probiotiques sont un élément important pour le nettoyage des eaux usées, l'assainissement de lacs et d'étangs et le nettoyage de fosses septiques. Les bactéries probiotiques sont aérobies: elles ont besoin d'oxygène comme source d'énergie et plus il y a d'oxygène, mieux c'est. Une bactérie probiotique a une taille comprise entre 200 nm et 10 000 nm par rapport à une nanobulle d'acniti moyenne entre 85 et 120 nm. Les bactéries probiotiques accumulent les nutriments de l'environnement par diffusion. Une concentration élevée en oxygène dans l'eau avec un potentiel zêta élevé aide ces bactéries positives à prospérer. Avec un potentiel zêta élevé, les nutriments pour les bactéries probiotiques sont bien dispersés dans la solution et les rendent facilement accessibles. Lorsque la solution aqueuse a un faible potentiel zêta, les nutriments sont moins accessibles et il faudra plus de temps aux bactéries probiotiques pour nettoyer le plan d'eau.

Traitement de l'eau

Dans le système de traitement de l'eau, la surveillance du potentiel Zeta donne une indication de la quantité de produits chimiques ou du dosage de bulles ultrafines nécessaires.

Biofilm et bio-encrassement

L'augmentation du potentiel zêta des tubes et tuyaux élimine le bio-film et le bio-encrassement des membranes et prolonge la durée de vie du filtre.

Boue

Un potentiel zêta élevé stabilise l'argile et d'autres particules dans l'eau en réduisant la tendance à l'agrégation afin qu'elles ne se déposent pas sous forme de boue molle.

Radicaux libres

Lorsque de fines bulles sont comprimées à des concentrations élevées, le potentiel zêta augmente pendant la compression et la concentration en ions autour des bulles augmente aussi. Après plusieurs minutes de compression, tellement d'ions d'accès sont formés de manière à ce que des radicaux libres sont créés à leur tour.