Osadzanie się cząstek

Osadzanie cząstek (szary) na płaskim podłożu (niebieski). Początkowe etapy osadzania się cząstek (góra), blokowanie (środek), dojrzewanie (dół)

Osadzanie cząstek to spontaniczne przyczepianie się cząstek do powierzchni. Cząsteczki, o których mowa, są zwykle cząstkami koloidalnymi , podczas gdy zaangażowane powierzchnie mogą być płaskie, zakrzywione lub mogą przedstawiać cząstki znacznie większe niż cząstki osadzające się (np. ziarna piasku). Procesy osadzania mogą być wyzwalane przez odpowiednie warunki przepływu hydrodynamicznego i korzystne interakcje cząstka-powierzchnia. Osadzające się cząstki mogą po prostu tworzyć monowarstwę, która dodatkowo hamuje osadzanie się dodatkowych cząstek, a tym samym odnosi się do blokowania powierzchni . Początkowo przyczepione cząstki mogą również służyć jako zarodki do dalszego osadzania cząstek, co prowadzi do tworzenia grubszych osadów cząstek, a proces ten określa się jako dojrzewanie powierzchni lub zanieczyszczenie . Podczas gdy procesy osadzania są zwykle nieodwracalne, początkowo osadzone cząstki mogą również odrywać się. Ten ostatni proces jest znany jako uwalnianie cząstek i jest często wyzwalany przez dodanie odpowiednich chemikaliów lub modyfikację warunków przepływu.

Mikroorganizmy mogą osadzać się na powierzchniach w podobny sposób jak cząstki koloidalne. Kiedy makrocząsteczki, takie jak białka , polimery czy polielektrolity przyczepiają się do powierzchni, proces ten nazywamy raczej adsorpcją . Chociaż adsorpcja makrocząsteczek w dużej mierze przypomina osadzanie cząstek, makrocząsteczki mogą znacznie odkształcać się podczas adsorpcji. Niniejszy artykuł dotyczy głównie osadzania cząstek z cieczy, ale podobny proces zachodzi, gdy z fazy gazowej osadzają się aerozole lub pyły .

Początkowe etapy

Cząstka może dyfundować na powierzchnię w warunkach spoczynku, ale proces ten jest nieefektywny, ponieważ tworzy się gruba warstwa zubożona, co prowadzi do stopniowego spowolnienia osadzania. Gdy osadzanie cząstek jest skuteczne, przebiega prawie wyłącznie w systemie z przepływem. W takich warunkach przepływ hydrodynamiczny będzie przenosił cząstki blisko powierzchni. Gdy cząstka znajdzie się blisko powierzchni, przyłączy się spontanicznie, gdy oddziaływania cząstka-powierzchnia będą przyciągające. W tej sytuacji mówi się o sprzyjających warunkach osadzania . Gdy interakcja jest odpychająca na większych odległościach, ale atrakcyjna na krótszych, osadzanie będzie nadal zachodzić, ale będzie wolniejsze. Mówi się tu o niekorzystnych warunkach depozycji . Początkowe etapy procesu osadzania można opisać równaniem szybkości

{\ Displaystyle {d \ Gamma \ nad dt} = kc}

gdzie ${\ Displaystyle \ Gamma}$ ; $jest$ gęstością liczbową osadzanych cząstek, $jest$ $liczbowym$ stężeniem cząstek i szybkości osadzania. Współczynnik szybkości zależy od prędkości przepływu, geometrii przepływu i potencjału interakcji osadzającej się cząstki z podłożem. W wielu sytuacjach potencjał ten można przybliżyć przez superpozycję atrakcyjnych sił van der Waalsa i odpychające elektryczne siły dwuwarstwowe i można je opisać teorią DLVO . Gdy ładunek cząstek ma ten sam znak co podłoże, osadzanie będzie korzystne przy wysokich poziomach soli, podczas gdy będzie niekorzystne przy niższych poziomach soli. Gdy ładunek cząstek ma przeciwny znak niż podłoże, osadzanie jest korzystne dla wszystkich poziomów soli i obserwuje się niewielkie zwiększenie szybkości osadzania wraz ze spadkiem poziomu soli z powodu przyciągających sił elektrostatycznych warstwy podwójnej. Początkowe etapy procesu osadzania są stosunkowo podobne do wczesnych etapów heteroagregacji cząstek , przy czym jedna z cząstek jest znacznie większa od drugiej.

Bloking

Gdy osadzające się cząstki odpychają się nawzajem, osadzanie zatrzyma się do czasu, gdy osadzi się wystarczająca liczba cząstek. W pewnym momencie taka warstwa powierzchniowa odpycha wszelkie cząstki, które mogą nadal próbować się osadzać. Mówi się, że powierzchnia jest nasycona lub zablokowana przez osadzone cząstki. Proces blokowania można opisać następującym równaniem

{\ Displaystyle {d \ Gamma \ nad dt} = kcB (\ Gamma)}

gdzie jest funkcją blokującą powierzchnię. ${\ Displaystyle B (\ Gamma)}$ Gdy nie ma osadzonych cząstek, ${\ displaystyle \ Gamma = 0}$ i ${\ displaystyle B (0) = 1}$ . Wraz ze wzrostem gęstości liczbowej osadzonych cząstek funkcja blokująca maleje. Powierzchnia nasyca się przy ${\ Displaystyle \ Gamma = \ Gamma _ {0}}$ i ${\ Displaystyle B (\ Gamma _ {0}) = 0}$ . Najprostszą funkcją blokującą jest

{\ Displaystyle B (\ Gamma) = 1 - \ Gamma / \ Gamma _ {0}}

i jest określany jako funkcja blokująca Langmuira, ponieważ jest powiązany z izotermą Langmuira .

Zagłuszanie w losowej sekwencyjnej adsorpcji (RSA) okrągłych dysków.

Proces blokowania został szczegółowo zbadany pod kątem modelu losowej adsorpcji sekwencyjnej (RSA). Najprostszy model RSA związany z osadzeniem kulistych cząstek uwzględnia nieodwracalną adsorpcję okrągłych dysków. Jeden dysk po drugim jest umieszczany losowo na powierzchni. Po umieszczeniu dysku przykleja się on w tym samym miejscu i nie można go usunąć. Jeśli próba złożenia dysku skutkowałaby nałożeniem się na już zdeponowany dysk, taka próba jest odrzucana. W ramach tego modelu powierzchnia jest początkowo wypełniana szybko, ale im bardziej zbliżamy się do nasycenia, tym wolniej powierzchnia jest wypełniana. W modelu RSA nasycenie jest określane jako zagłuszanie. W przypadku dysków okrągłych zacinanie występuje przy pokryciu 0,547. Gdy osadzające się cząstki są polidyspersyjne, można osiągnąć znacznie większe pokrycie powierzchni, ponieważ małe cząstki będą mogły osadzać się w otworach pomiędzy większymi osadzanymi cząstkami. Z drugiej strony cząsteczki przypominające pręciki mogą prowadzić do znacznie mniejszego pokrycia, ponieważ kilka źle ustawionych pręcików może zablokować dużą część powierzchni.

Ponieważ odpychanie między cząstkami w zawiesinach wodnych pochodzi od elektrycznych sił dwuwarstwowych, obecność soli ma istotny wpływ na blokowanie powierzchni. W przypadku małych cząstek i niskiej zawartości soli warstwa rozproszona rozciąga się daleko poza cząstkę, tworząc w ten sposób strefę zamkniętą wokół niej. W związku z tym powierzchnia zostanie zablokowana przy znacznie mniejszym pokryciu, niż można by oczekiwać na podstawie modelu RSA. Przy wyższych zawartościach soli i większych cząstkach efekt ten jest mniej istotny, a osadzanie można dobrze opisać za pomocą modelu RSA.

Dojrzewanie

Kiedy osadzające się cząstki przyciągają się nawzajem, będą się jednocześnie osadzać i agregować. Ta sytuacja doprowadzi do powstania porowatej warstwy utworzonej z agregatów cząstek na powierzchni i jest określana jako dojrzewanie. Porowatość tej warstwy będzie zależała od tego, czy proces agregacji cząstek jest szybki czy wolny. Powolna agregacja doprowadzi do bardziej zwartej warstwy, podczas gdy szybka agregacja do bardziej porowatej. Struktura warstwy będzie przypominać strukturę agregatów powstających w późniejszych etapach procesu agregacji.

Techniki eksperymentalne

Osadzanie cząstek można śledzić za pomocą różnych technik eksperymentalnych. Bezpośrednia obserwacja osadzonych cząstek jest możliwa za pomocą mikroskopu optycznego , skaningowego mikroskopu elektronowego lub mikroskopu sił atomowych . Mikroskopia optyczna ma tę zaletę, że osadzanie się cząstek można śledzić w czasie rzeczywistym za pomocą technik wideo, a sekwencję obrazów można analizować ilościowo. Z drugiej strony rozdzielczość mikroskopii optycznej wymaga, aby wielkość badanych cząstek przekraczała co najmniej 100 nm.

Alternatywą jest zastosowanie technik powierzchniowoczułych do śledzenia osadzania cząstek, takich jak współczynnik odbicia , elipsometria , powierzchniowy rezonans plazmonowy lub mikrowaga z kryształem kwarcu . Techniki te mogą z dużą dokładnością dostarczać informacji o ilości osadzonych cząstek w funkcji czasu, ale nie pozwalają na uzyskanie informacji dotyczących bocznego ułożenia cząstek.

Innym podejściem do badania osadzania cząstek jest badanie ich transportu w kolumnie chromatograficznej . Kolumna jest wypełniona dużymi cząstkami lub porowatym medium, które ma być badane. Następnie kolumnę przepłukuje się badanym rozpuszczalnikiem, a zawiesinę małych cząstek wstrzykuje się na wlot kolumny. Cząstki są wykrywane na wylocie za pomocą standardowego detektora chromatograficznego. Kiedy cząstki osadzają się w ośrodku porowatym, nie docierają do wylotu, a z obserwowanej różnicy można wywnioskować współczynnik szybkości osadzania.

Znaczenie

Osadzanie cząstek występuje w wielu systemach naturalnych i przemysłowych. Poniżej podano kilka przykładów.

Powłoki i funkcjonalizacja powierzchni . Farby i kleje często są skoncentrowanymi zawiesinami cząstek koloidalnych i aby dobrze przylegały do powierzchni, cząsteczki muszą osadzać się na danej powierzchni. Osady monowarstwy cząstek koloidalnych można wykorzystać do ukształtowania powierzchni w skali μm lub nm, w procesie określanym jako litografia koloidalna .
Filtry i membrany filtracyjne . Cząsteczki osadzające się na filtrach lub membranach filtracyjnych prowadzą do zatkania porów i zanieczyszczenia membrany . Podczas projektowania dobrze funkcjonujących membran należy unikać osadzania się cząstek, a właściwa funkcjonalizacja membran jest niezbędna.
Osadzanie się mikroorganizmów . Mikroorganizmy mogą osadzać się podobnie do cząstek koloidalnych. To osadzanie jest pożądanym zjawiskiem w wodach podpowierzchniowych, ponieważ warstwa wodonośna odfiltrowuje ostatecznie wstrzyknięte mikroorganizmy podczas ładowania warstw wodonośnych. Z drugiej strony, takie osadzanie się jest wysoce niepożądane na powierzchni ludzkich zębów, ponieważ stanowi źródło powstawania płytki nazębnej . Osadzanie się mikroorganizmów ma również znaczenie w tworzeniu biofilmów .

Zobacz też