Электрофорез и электроосмос (стр. 2 из 3)

В капиллярнопористых телах, мембранах, горных породах, почвах и других связнодисперсных системах, характеризующихся твердым каркасом и системой открытых пор, заполненных раствором электролита, граничные слои жидкости с измененными свойствами составляют значительную долю от объемной фазы. В этих условиях электрокинетические явления тесно связаны с адсорбцией ионов, для отражения этой связи часто пользуются термином "электроповерхностные явления".

Электрокинетическое явление, обратное электроосмосу,- возникновение потенциала течения - удобно рассмотреть на примере проницаемой мембраны, разделяющей резервуары с электролитом. При наложении перепада давления

и течения жидкости под действием этого перепада с расходом V появляется электрический ток через мембрану. Природа этого тока - увлечение ионов подвижной части ДЭС. Поскольку в диффузной части ДЭС имеется избыток ионов одного знака, возникает конвективный перенос заряда по порам мембраны, т. е. через мембрану течет ток. Если к резервуарам, разделенным мембраной, не подводятся электрические заряды, то по одну сторону мембраны будут накапливаться положительные заряды, а по другую - отрицательные. Накопление зарядов в резервуарах приводит к появлению разности потенциалов между ними и протеканию электрического тока I во всем объеме электролита в порах мембраны; направление тока противоположно конвективному переносу зарядов. Накопление зарядов в резервуарах и увеличение разности потенциалов между ними будет происходить до тех пор, пока не произойдет полной компенсации конвективного тока. Этому стационарному состоянию отвечает разность потенциалов ∆φ_s , которая называется потенциалом течения.

Электроосмос и электрический ток через мембрану (возникновение потенциала течения) - перекрестные явления, связанные феноменологическими уравнениями в рамках термодинамики необратимых процессов. Расход V и ток I связаны с перепадом давления

и электростатическим потенциалом на торцах мембраны уравнениями:

где кинетические коэффициенты L₁₁, L₁₂, L_2lи L₂₂ характеризуют соответствующие гидродинамическую проницаемость мембраны, скорость электроосмотического течения, ток течения и удельную электропроводность электролита в мембране. Кинетические коэффициенты удовлетворяют соотношению Онсагера: L₁₂ = L_2l. Уравнения (3) и соотношения Онсагера устанавливают простую связь между электроосмосом и потенциалом течения:

Отношение

носит название электроосмотического переноса. Оно является одной из основных характеристик разделительных мембран. В случае тонких ДЭС это отношение м. б. легко рассчитано для мембран с произвольной геометрией пор. На основе подобия распределений электрических полей и скоростей электроосмотического течения установлено следующее соотношение:

где

- удельная электрическая проводимость электролита.

1.2. Электрофорез

Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием приложенной разности потенциалов называется электрофорезом.

Электрофоретическое движение частиц в электролите имеет родственную электроосмосу природу: внешнее электрическое поле увлекает ионы подвижной части ДЭС, заставляя слои жидкости, граничащие с частицами, перемещаться относительно поверхности частиц. Однако в силу массивности объема жидкости и малости взвешенных частиц эти перемещения сводятся в отсутствие внешних сил к движению частицы в покоящейся жидкости. Для непроводящих частиц с плоской поверхностью в системах с тонкой диффузной частью ДЭС скорость электрофореза совпадает со скоростью электроосмотического скольжения, взятой с обратным знаком. Для проводящих сферических частиц скорость электрофореза м. б. рассчитана по уравнению:

где

- удельная электрическая проводимость частицы. В этом уравнении учитываются особенности искажения силовых линий электростатического поля в окрестности проводящей частицы. С увеличением толщины диффузной части ДЭС скорость электрофореза начинает зависеть от отношения дебаевского радиуса к диаметру частицы. В общем случае эта зависимость имеет довольно сложный характер.
Эффект Дорна связан с конвективным переносом ионов диффузной части ДЭС при движении частицы в электролите. Конвективные потоки ионов поляризуют двойной слой, и частицы в целом приобретают дипольный момент. При этом силовые линии электрического поля выходят за пределы двойного слоя. При движении в электролите ансамбля частиц с дипольными моментами, имеющими одну и ту же ориентацию, порождаемые этими моментами электрического поля складываются, и в системе возникает однородное электрическое поле, направленное параллельно (или антипараллельно) скорости движения частиц (группу движущихся с одинаковой скоростью частиц можно рассматривать как своеобразную мембрану, сквозь которую протекает электролит). Если частицы движутся в пространстве между двумя электродами, то на последних возникает разность потенциалов, которая была измерена математически. В частном случае осаждения ансамбля частиц под действием сил гравитации эта разность потенциалов называется потенциалом оседания (седиментационным потенциалом).

Электрофорез и эффект Дорна м. б. описаны парой феноменологических уравнений неравновесной термодинамики с кинетическими коэффициентами l₁₁, l₁₂, l₂₁ и l₂₂:

где v - скорость движения частицы;

F - действующая на нее сила;

Е - напряженность внешнего электрического поля;

М - индуцированный на частице дипольный момент.

Кинетические коэффициенты, определяющие скорость электрофореза и дипольный момент в эффекте Дорна, удовлетворяют соотношению Онсагера:

l₁₂ =l₂₁.

2. Практическое использование электрокинетических явлений

Электрокинетические явления широко используются в науке и технике. Наибольшее их практическое применение связано с нанесением покрытий на различные поверхности электрофоретическим методом. Данный метод позволяет получать равномерные покрытия на деталях сложной конфигурации благодаря его высокой кроющей способности. При электрофоретическом методе нанесения покрытий, как правило, одним из электродов является покрываемая деталь, а другим ёмкость, заполняемая суспензией, дисперсная фаза которой наносится на поверхность детали. В зависимости от того, каким электродом является покрываемая деталь, различают анодофорез и катодофорез. В общем случае процесс электрофоретического нанесения покрытий состоит из ряда сопряженных стадий: направленное перемещение заряженных частиц, коагуляция их в приэлектродном пространстве, электродные химические реакции. После того как на электроде сформируется покрытие, как правило, наблядается электроосмос, в результате которого жидкость выходит из покрытия и оно становится более плотным.

В нашей стране эксплуатируются автоматические линии грунтовки кузовов автомобилей электрофоретическим методом. Применение таких линий позволило резко увеличить эффективность процесса грунтовки, улучшить качество окраски, сократить расход краски. Электрофоретический метод широко применяется для покрытия катодов радиоламп, полупроводниковых деталей, нагревателей и т. д. Электрофорез используется в медицине, в биологии при выявлении биохимической и физиологической роли различных высокомолекулярных соединений. Этот метод используется также для фракционирования полимеров различной природы и минеральных дисперсий.