Осаждение частиц - Particle deposition

Осаждение частиц (серый) на плоской подложке (синий). Начальные стадии осаждения частиц (вверху), блокировки (в центре), созревания (внизу)

Осаждение частиц это самопроизвольное прикрепление частиц к поверхности. Рассматриваемые частицы обычно коллоидные частицы, в то время как задействованные поверхности могут быть плоскими, изогнутыми или могут представлять собой частицы, намного более крупные по размеру, чем осаждающие (например, песчинки). Процессы осаждения могут запускаться соответствующими гидродинамическими условиями потока и благоприятными взаимодействиями частицы с поверхностью. Осажденные частицы могут просто образовывать монослой, который дополнительно ингибирует дополнительное осаждение частиц, и, таким образом, один относится к блокировка поверхности. Первоначально прикрепленные частицы могут также служить затравками для дальнейшего осаждения частиц, что приводит к образованию более толстых отложений частиц, и этот процесс называется поверхностное созревание или же обрастание. Хотя процессы осаждения обычно необратимы, первоначально осажденные частицы также могут отделиться. Последний процесс известен как выброс частиц и часто запускается добавлением соответствующих химикатов или изменением условий потока.

Микроорганизмы может осаждаться на поверхности аналогично коллоидным частицам. Когда макромолекулы, такие как белки, полимеры или же полиэлектролиты прикреплять к поверхностям, этот процесс скорее называется адсорбция. Хотя адсорбция макромолекул во многом напоминает осаждение частиц, макромолекулы могут существенно деформироваться во время адсорбции. В данной статье в основном рассматривается осаждение частиц из жидкостей, но аналогичный процесс происходит, когда аэрозоли или же пыль осадок из газовой фазы.

Начальные этапы

Частица может диффундировать к поверхности в спокойных условиях, но этот процесс неэффективен, так как образуется толстый обедненный слой, который приводит к постепенному замедлению осаждения. Когда осаждение частиц эффективно, оно происходит почти исключительно в проточной системе. В таких условиях гидродинамический поток будет переносить частицы близко к поверхности. Как только частица расположена близко к поверхности, она будет спонтанно прикрепляться, когда взаимодействия частицы с поверхностью являются притягивающими. В этой ситуации говорят о благоприятные условия осаждения. Когда взаимодействие является отталкивающим на больших расстояниях, но притягивающим на более коротких расстояниях, осаждение все равно будет происходить, но оно будет замедлено. Один относится к неблагоприятные условия осаждения здесь. Начальные этапы процесса осаждения можно описать скоростным уравнением[1]

где Γ - плотность осаждаемых частиц, т время, c числовая концентрация частиц, и k коэффициент скорости наплавки. Коэффициент скорости зависит от скорости потока, геометрии потока и потенциала взаимодействия осаждающейся частицы с подложкой. Во многих ситуациях этот потенциал можно аппроксимировать суперпозицией притягивающих силы Ван дер Ваальса силы двойного электрического слоя отталкивания и могут быть описаны как Теория DLVO. Когда заряд частиц того же знака, что и у подложки, осаждение будет благоприятным при высоких уровнях соли, тогда как оно будет неблагоприятным при более низких уровнях соли. Когда заряд частиц имеет знак, противоположный знаку подложки, осаждение благоприятно для всех уровней солей, и наблюдается небольшое увеличение скорости осаждения при понижении уровня соли из-за сил притяжения двойного электростатического слоя. Начальные стадии процесса осаждения относительно похожи на ранние стадии гетероагрегация частиц, в результате чего одна из частиц намного больше другой.

Блокировка

Когда осаждаемые частицы отталкиваются друг от друга, осаждение прекращается к тому времени, когда осаждается достаточное количество частиц. В какой-то момент такой поверхностный слой оттолкнет любые частицы, которые все еще могут пытаться осесть. Поверхность называется насыщенный или же заблокирован нанесенными частицами. Процесс блокировки можно описать следующим уравнением[2]

куда B(Γ) - функция блокировки поверхности. Когда нет осажденных частиц, Γ = 0 и B(0) = 1. С увеличением плотности осаждаемых частиц функция блокировки уменьшается. Поверхность насыщается при Γ = Γ0 и B(Γ0) = 0. Простейшей функцией блокировки является[3]

и она называется функцией блокировки Ленгмюра, поскольку связана с Изотерма Ленгмюра.

Заклинивание при случайной последовательной адсорбции (RSA) круглых дисков.

Процесс блокировки детально изучен с точки зрения случайная последовательная адсорбция (RSA) модель.[4] Простейшая модель RSA, относящаяся к осаждению сферических частиц, рассматривает необратимую адсорбцию круглых дисков. Один диск за другим произвольно кладут на поверхность. После того, как диск помещен, он прилипает к тому же месту и не может быть удален. Когда попытка разместить диск приведет к перекрытию с уже размещенным диском, эта попытка отклоняется. В рамках этой модели поверхность сначала заполняется быстро, но чем больше приближается к насыщению, тем медленнее заполняется поверхность. В модели RSA насыщение называется помехой. Для круглых дисков заклинивание происходит при охвате 0,547. Когда осаждаемые частицы являются полидисперсными, может быть достигнуто гораздо большее покрытие поверхности, поскольку мелкие частицы смогут осаждаться в отверстиях между более крупными нанесенными частицами. С другой стороны, стержневидные частицы могут привести к гораздо меньшему охвату, поскольку несколько смещенных стержней могут заблокировать большую часть поверхности.

Поскольку отталкивание между частицами в водных суспензиях происходит из-за сил двойного электрического слоя, присутствие соли оказывает важное влияние на блокирование поверхности. Для мелких частиц и с низким содержанием соли диффузный слой будет выходить далеко за пределы частицы и, таким образом, создавать запретную зону вокруг нее. Следовательно, поверхность будет заблокирована при гораздо меньшем покрытии, чем можно было бы ожидать на основе модели RSA.[5] При более высоком содержании соли и для более крупных частиц этот эффект менее важен, и осаждение может быть хорошо описано моделью RSA.

Созревание

Когда осаждающиеся частицы притягиваются друг к другу, они одновременно осаждаются и объединяются. Эта ситуация приведет к образованию пористого слоя из агрегаты частиц на поверхности и называется созреванием. Пористость этого слоя будет зависеть от того, будет ли процесс агрегации частиц быстрым или медленным. Медленная агрегация приведет к более плотному слою, а быстрая агрегация - к более пористому. Структура слоя будет напоминать структуру агрегатов, образованных на более поздних стадиях процесса агрегации.

Экспериментальные техники

Осаждение частиц можно отслеживать с помощью различных экспериментальных методов. Прямое наблюдение осажденных частиц возможно с помощью оптический микроскоп, растровый электронный микроскоп, или атомно-силовой микроскоп. Оптическая микроскопия имеет то преимущество, что осаждение частиц можно отслеживать в реальном времени с помощью видеотехники, а последовательность изображений можно анализировать количественно.[6] С другой стороны, разрешение оптической микроскопии требует, чтобы размер исследуемых частиц превышал по крайней мере 100 нм.

Альтернативой является использование поверхностно-чувствительных методов для отслеживания осаждения частиц, таких как отражательная способность, эллипсометрия, поверхностный плазмонный резонанс, или же кварцевые микровесы.[5] Эти методы могут предоставить информацию о количестве осажденных частиц в зависимости от времени с хорошей точностью, но они не позволяют получить информацию о боковом расположении частиц.

Другой подход к изучению осаждения частиц - исследование их переноса в хроматографический столбец. Колонка заполнена крупными частицами или исследуемой пористой средой. Затем колонка промывается исследуемым растворителем, и суспензия мелких частиц впрыскивается на вход колонки. На выходе частицы обнаруживаются стандартным хроматографическим детектором. Когда частицы осаждаются в пористой среде, они не достигают выхода, и по наблюдаемой разнице можно сделать вывод о коэффициенте скорости осаждения.

Актуальность

Осаждение частиц происходит во многих природных и промышленных системах. Ниже приведены несколько примеров.

  • Покрытия и функционализация поверхности. Краски и клеи часто представляют собой концентрированные суспензии коллоидных частиц, и для того, чтобы хорошо прилипать к поверхности, частицы должны осаждаться на рассматриваемой поверхности. Отложения монослоя коллоидных частиц могут быть использованы для создания рисунка на поверхности в масштабе мкм или нм. Этот процесс называется коллоидная литография.[7]
  • Фильтры и фильтрующие мембраны. Когда частицы оседают на фильтры или фильтрующие мембраны, они приводят к закупорке пор мембраны. обрастание.[8] При разработке хорошо функционирующих мембран необходимо избегать осаждения частиц, и важна надлежащая функционализация мембран.
  • Осаждение микроорганизмы. Микроорганизмы могут откладываться аналогично коллоидным частицам. Это отложение является желательным явлением в подземных водах, так как водоносный горизонт отфильтровывает в конечном итоге закачанные микроорганизмы во время перезарядка водоносных горизонтов.[9] С другой стороны, такое отложение на поверхности зубов человека крайне нежелательно, поскольку оно представляет собой источник зубные бляшки. Отложение микроорганизмов также имеет значение для образования биопленки.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ В. Б. Рассел, Д. А. Сэвилл, В. Р. Шовальтер,Коллоидные дисперсии, Издательство Кембриджского университета, 1989.
  2. ^ М. Элимелех, Дж. Грегори, Х. Джиа, Р. Уильямс, Осаждение и агрегация частиц: измерение, моделирование и симуляция, Баттерворт-Хайнеманн, 1998.
  3. ^ З. Адамчик, Adv. Коллоидный интерфейс Sci. 2003, 100, 267-347.
  4. ^ J. W. Evans, Rev. Mod. Phys. 65 (1993) 1281-1329.
  5. ^ а б M. R. Bohmer, E. A. van der Zeeuw, G. J. M. Koper, J. Colloid Interface Sci. 197 (1998) 242-250.
  6. ^ Y. Luthi, J. Ricka, J. Colloid Interface Sci. 206 (1998) 302-313.
  7. ^ Р. Мишель, И. Ревякин, Д. С. Сазерленд, Г. Фокас, Г. Чукс, Г. Данузер, Н. Д. Спенсер, М. Текстор, Langmuir 18 (2002) 8580-8586.
  8. ^ X. Zhu, M. Elimelech, Environ. Sci. Technol. 31 (1997) 3654-3662.
  9. ^ С. Ф. Симони, Х. Хармс, Т. Н. П. Босма, А. Дж. Б. Зендер, Environ. Sci. Technol. 32 (1998) 2100-2105