إمكانية الترسيب

تُعدّ الظواهر الكهروكينيتيكية مجموعة من التأثيرات المختلفة التي تحدث في السوائل غير المتجانسة أو في الأجسام المسامية المملوءة بالسوائل. ويتعلق مجموع هذه الظواهر بتأثير مصدر خارجي على جسيم ما، مما ينتج عنه تأثير كهروكينيتيكي صافٍ.

ينشأ المصدر المشترك لكل هذه التأثيرات من "الطبقة المزدوجة" للشحنات عند السطح البيني. تُولّد الجسيمات المتأثرة بقوة خارجية حركةً مماسيةً للسائل بالنسبة لسطح مشحون مجاور. قد تتكون هذه القوة من قوة كهربائية، أو تدرج ضغط، أو تدرج تركيز، أو قوة جاذبية. إضافةً إلى ذلك، قد يكون الطور المتحرك إما سائلاً متصلاً أو طوراً منتشراً.

إن إمكانية الترسيب هي مجال من الظواهر الكهروكينيتيكية التي تتعامل مع توليد مجال كهربائي عن طريق ترسيب جزيئات الغرويات.

اكتشف فريدريك إرنست دورن هذه الظاهرة لأول مرة عام 1879. لاحظ أن مجالاً كهربائياً عمودياً قد تشكّل في معلق من الخرز الزجاجي في الماء، أثناء ترسب الخرز. كان هذا هو أصل جهد الترسيب، والذي يُشار إليه غالباً بتأثير دورن.

قام سمولوشوفسكي ببناء النماذج الأولى لحساب الجهد الكهربائي في أوائل القرن العشرين. وفي عام 1954، وضع بوث نظرية عامة حول جهد الترسيب استنادًا إلى نظرية أوفربيك لعام 1943 حول الترحيل الكهربائي. وفي عام 1980، وسّع ستيجتر نموذج بوث ليشمل جهودًا سطحية أعلى. كما ابتكر أوشيما نموذجًا استنادًا إلى نموذج أوبراين ووايت لعام 1978، والذي استُخدم لتحليل سرعة ترسيب كرة مشحونة واحدة وجهد الترسيب لمحلول معلق مخفف.

عندما يتحرك جسيم مشحون بفعل قوة الجاذبية أو الطرد المركزي، يتولد جهد كهربائي . وأثناء حركة الجسيم، تتأخر الأيونات في الطبقة الكهربائية المزدوجة، مما يُحدث عزم ثنائي قطب صافٍ خلفه نتيجة لتدفق السائل. ومجموع جميع ثنائيات الأقطاب على الجسيم هو ما يُسبب جهد الترسيب. ويُعدّ جهد الترسيب معاكساً لتأثير الرحلان الكهربائي، حيث يُطبّق مجال كهربائي على النظام. وغالباً ما يُشار إلى الموصلية الأيونية عند دراسة جهد الترسيب.

توفر العلاقة التالية مقياسًا لجهد الترسيب الناتج عن استقرار الكرات المشحونة. اكتشفها سمولوشوفسكي لأول مرة عامي 1903 و1921. وتصدق هذه العلاقة فقط على الطبقات الكهربائية المزدوجة غير المتداخلة والمعلقات المخففة. في عام 1954، أثبت بوث صحة هذه الفكرة بالنسبة لمسحوق زجاج بايركس المترسب في محلول كلوريد البوتاسيوم. من هذه العلاقة، يتضح أن جهد الترسيب، E_{_S} ، مستقل عن نصف قطر الجسيم، وأن E _{_S} → 0، Φ_{_p} → 0 (في حالة الجسيم الواحد).

${\displaystyle E_{s}=-{\frac {\varepsilon \zeta (\rho -\rho _{0})\phi _{p}g}{\sigma ^{\infty }\eta }}}$

يُعرَّف جهد الترسيب لسمولوشوفسكي حيث ε₀ _هي سماحية الفراغ، وD هو ثابت العزل الكهربائي عديم الأبعاد، وξ هو جهد زيتا، وg هو تسارع الجاذبية الأرضية، وΦ هو الكسر الحجمي للجسيمات، وρ هي كثافة الجسيمات، وρ₀ _هي كثافة الوسط، وλ هي الموصلية الحجمية النوعية ، وη هي اللزوجة. ^{[ 8 ]}

قام سمولوشوفسكي بتطوير المعادلة بناءً على خمسة افتراضات:

1. الجسيمات كروية الشكل، وغير موصلة للكهرباء، ومتجانسة الحجم.
2. يحدث التدفق الصفائحي حول الجسيمات ( رقم رينولدز <1).
3. التفاعلات بين الجسيمات ضئيلة.
4. التوصيل السطحي ضئيل للغاية.
5. سمك الطبقة المزدوجة 1/κ صغير مقارنة بنصف قطر الجسيم a (κa>>1). ^{[ 8 ]}

${\displaystyle \sigma ^{\infty }={\frac {e^{2}}{k_{B}T}}\sum z_{i}^{2}D_{i}n_{i\infty }}$

حيث D _i هو معامل الانتشار للنوع المذاب رقم i ، و n _i∞ هو تركيز عدد محلول الإلكتروليت.

طُوِّر نموذج أوشيما عام 1984، واستُخدم في الأصل لتحليل سرعة ترسيب كرة مشحونة واحدة وجهد ترسيب معلق مخفف. ينطبق النموذج الموضح أدناه على المعلقات المخففة ذات جهد زيتا المنخفض، أي e ζ/κ _B T ≤2

${\displaystyle E_{s}=-{\frac {\varepsilon \zeta (\rho -\rho _{0})\phi _{p}}{\sigma ^{\infty }\eta }}gH(\kappa \alpha )+\vartheta (\zeta ^{2})}$

يُقاس جهد الترسيب بتوصيل أقطاب كهربائية بعمود زجاجي مملوء بالمحلول المراد قياسه. ويُستخدم مقياس الفولتميتر لقياس الجهد الناتج عن المعلق. ولمراعاة اختلاف أشكال الأقطاب، يُدار العمود عادةً 180 درجة أثناء قياس الجهد. ويُعادل فرق الجهد الناتج عن الدوران 180 درجة ضعف جهد الترسيب. ويمكن تحديد جهد زيتا من خلال قياس جهد الترسيب، حيث أن تركيز المعلق، وموصليته، وكثافة الجسيمات، وفرق الجهد معروفة. وبتدوير العمود 180 درجة، يُمكن إهمال الانجراف واختلافات شكل العمود. ^{[ 9 ]}

${\displaystyle \zeta ={\frac {\eta \lambda E_{s}}{\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}(\rho -\rho _{0})g}}}$

عند التعامل مع حالة الأنظمة المركزة، يمكن تحديد جهد زيتا ^{[ 10 ]} من خلال قياس جهد الترسيب${\displaystyle E_{s}}$، من فرق الجهد بالنسبة للمسافة بين الأقطاب الكهربائية. أما المعلمات الأخرى فتمثل ما يلي:${\displaystyle \eta }$لزوجة الوسط؛${\displaystyle \lambda }$الموصلية الكلية؛${\displaystyle \varepsilon _{r}}$السماحية النسبية للوسط؛${\displaystyle \varepsilon _{0}}$سماحية الفراغ الحر ؛${\displaystyle \rho }$كثافة الجسيم؛${\displaystyle \rho _{0}}$كثافة الوسط؛${\displaystyle g}$يمثل تسارع الجاذبية الأرضية؛ و σ ^∞ هي الموصلية الكهربائية لمحلول الإلكتروليت الكلي. ^{[ 9 ]}

تم تطوير خلية تصميم محسّنة لتحديد جهد الترسيب، والتوصيلية النوعية، والنسبة الحجمية للمواد الصلبة، بالإضافة إلى الرقم الهيدروجيني. يُستخدم زوجان من الأقطاب الكهربائية في هذا النظام، أحدهما لقياس فرق الجهد والآخر لقياس المقاومة. يُستخدم مفتاح قلاب لتجنب استقطاب أقطاب المقاومة وتراكم الشحنة عن طريق تغيير التيار. يمكن مراقبة الرقم الهيدروجيني للنظام، ويتم سحب الإلكتروليت إلى الأنبوب باستخدام مضخة تفريغ . ^{[ 11 ]}

يُعدّ فصل التدفق الميداني بالترسيب (SFFF) تقنية فصل غير مُتلفة، يُمكن استخدامها لفصل وتجميع الأجزاء. تشمل بعض تطبيقات SFFF تحديد حجم جزيئات مواد اللاتكس المستخدمة في المواد اللاصقة والطلاءات والدهانات، والسيليكا الغروية المستخدمة في المواد الرابطة والطلاءات وعوامل التركيب، وأصباغ أكسيد التيتانيوم المستخدمة في الدهانات والورق والمنسوجات، والمستحلبات المستخدمة في المشروبات الغازية، والمواد البيولوجية مثل الفيروسات والجسيمات الشحمية. ^{[ 12 ]}

تتضمن بعض الجوانب الرئيسية لتقنية الفصل بالرش الحراري الموجه (SFFF) ما يلي: فهي توفر إمكانيات عالية الدقة لقياس توزيع الحجم بدقة عالية، وتعتمد الدقة على الظروف التجريبية، ويتراوح وقت التحليل النموذجي من ساعة إلى ساعتين، وهي تقنية غير مدمرة تتيح إمكانية جمع الكسور. ^{[ 12 ]}

تُعدّ تقنية الفصل بالتدفق الميداني بالترسيب (SFFF) إحدى تقنيات الفصل بالتدفق الميداني، وهي مناسبة لفصل وتوصيف المواد الجسيمية والعينات الذائبة ضمن نطاق حجم الغرويات. ويؤدي اختلاف التفاعل بين مجال القوة الطاردة المركزية والجسيمات ذات الكتل أو الأحجام المختلفة إلى الفصل. وينتج عن الحركة البراونية توزيع أُسّي للجسيمات ذات حجم أو وزن مُحدد. ومن بين الافتراضات التي بُنيت عليها المعادلات النظرية عدم وجود تفاعل بين الجسيمات الفردية، وإمكانية حدوث التوازن في أي مكان في قنوات الفصل. ^{[ 12 ]}