Работа 32. Определение электрокинетического потенциала мембран методом электроосмоса

Для определения величины z-потенциала методом электроосмоса, в зависимости от характера исследуемого объекта, могут быть применены различного типа приборы. Если исследуемый образец представляет собой жесткую диафрагму, обладающую известной механической прочностью и малой протекаемостью (например, целлофан, коллодиевая мембрана, керамическая диафрагма), его зажимают во фланцах между двумя сосудами, наполненными исследуемым раствором. При исследовании порошков капиллярная система образуется путем формирования порошка на перфорированной пластинке.

В данной работе измерение объемной скорости электроосмоса производится в приборе, сконструированном в лаборатории коллоидной химии СПбГУ (рис. 32.1).

Рис. 32.1. Прибор для измерения электроосмоса в жестких мембранах:

1 – измерительные капилляры, 2 и 3 – фланцы; 4 - боковые сосуды

с рабочим раствором; 5 – электролитический ключ.

Мембрана зажимается между резиновыми прокладками во фланцах 2 и 3, изготовленных из плексигласа. В отверстия фланцев вклеены сосуды 4, заполняемые раствором электролита. Сосуду придается изогнутая форма для предотвращения диффузии к диафрагме из электродного пространства за время опыта. Неполяризующиеся электроды 5, вводимые на пробках, представляют собой трубки, заполненные в верхней части раствором CuSO₄, в нижней – 3% студнем агара, содержащим электролит. В раствор погружена медная проволока, проходящая через пробку, закрывающую трубку. Измерительные капилляры 1 вводятся на шлифах или пробках в ближайшие к фланцам отверстия сосудов.

Собранный прибор с открытыми верхними отверстиями наполняют раствором электролита (KCl или AlCl₃) до уровня отверстий. При заполнении удаляют пузырьки воздуха путем покачивания прибора, вводят электроды, затем полностью заполняют раствором сосуды и вставляют измерительные капилляры. Затем, при помощи кранов в нижней части прибора, медленно выпускают часть раствора так, чтобы уровни менисков в капиллярах установились вблизи середины шкалы.

Прибор для работы устанавливают так, чтобы капилляры находились в горизонтальном положении и на одном уровне во избежание фильтрации жидкости из одной половины в другую. После заполнения прибор проверяют на отсутствие пузырьков воздуха и на герметичность. Если положение менисков не изменяется в течение 3-5 минут, это показывает, что прибор собран правильно, и можно включать ток. После включения тока прежде всего определяют знак заряда исследуемой мембраны. Знак заряда определяют по направлению движения жидкости через мембрану по отношению к полюсам источника тока. Направление определяется по перемещению менисков в измерительных капиллярах.

Далее измеряют объемную скорость электроосмотического переноса жидкости. Для этого включают ток и следят за движением мениска жидкости в капиллярах – необходимо, пользуясь секундомером, определить время t, за которое мениск пройдет n (10 или 20) маленьких делений капилляра. Меняя направление тока при помощи переключателя, производят 16 измерений, отмечая каждый раз силу тока I. Полученные данные записывают в виде таблицы.

Таблица 32.1.

Капилляр	Направление движения жидкости	№	Количество протекшей жидкости V = na, см³	Сила тока I, мА	I_ср, мА	t, сек	t_ср, сек	, см³/А^.с
				9.6		5.5
правый			0.89^.10^-²	9.6	9.6	5.6	5.825	0.159
				9.6		6.2
				9.6		6.0
				9.6		5.6
правый			0.89^.10^-²	9.6	9.6	5.6	5.475	0.169
				9.6		5.6
				9.6		5.1
				9.5		12.1
левый			1.76^.10^-²	9.6	9.575	11.2	11.6	0.158
				9.6		11.4
				9.6		11.7
				9.5		12.5
левый			1.76^.10^-²	9.5	9.5	11.6	12.225	0.152
				9.5		12.0
				9.5		12.8

Величина удельной электропроводности k полученного раствора и цена деления капилляра а, указаны в таблице, расположенной над рабочим местом. В нашем случае k_KCl = 1.28^.10^-³ Ом^-¹см^-¹, а_прав = 0.89^.10^-³ см³, а_лев = 1.76^.10^-³ см³.

Далее вычисляют среднее для всех измерений значение и подставляют его в уравнение . Значения D и h берут из справочных таблиц для чистой жидкости, так как небольшие количества электролита существенно не влияют на эти величины. Для воды и водных растворов D = 81; h = 0.01 пз при 20^оС.

В протоколе следует указать величину и знак z-потенциала, соответствующий знаку заряда твердой фазы, т.е. внутренней обкладки двойного слоя. В нашем случае во время эксперимента жидкость всегда текла в сторону отрицательного электрода – катода. Следовательно, диффузный слой ДЭС состоит из катионов, а внутренняя обкладка ДЭС (твердая фаза или мембрана) заряжена отрицательно, и электрокинетический потенциал тоже отрицателен: = - 0.0285 В = - 28.5 мВ.