Das Zeta-Potenzial ist wichtig für Nanoblasen

Warum ist das Zeta-Potenzial für Nanoblasen wichtig?

Die elektrischen Eigenschaften von Gasblasen sind wichtig, um zu bestimmen, ob und wann Nanoblasen miteinander verschmelzen und wie sie mit anderen Materialien wie festen Partikeln oder Öltröpfchen interagieren. Dieses Wissen hilft bei der Entwicklung von Anwendungen, z. B. bei der Eiweißabschäumung, der Schaumflotation, der Lebensmittelverarbeitung, dem Waschen von Oberflächen und der Klärung.

Electrical double layer around ultrafine bubble

Wenn eine Blase in einer Flüssigkeit schwebt, ist sie von gegensätzlich geladenen Ionen umgeben. Die Umgebung der Nanoblase besteht aus zwei Teilen. Einem inneren, nahe gelegenen Bereich, der Stern-Schicht genannt wird und in dem die Ionen stark gebunden sind, und einem äußeren, diffusen Bereich, in dem die Ionen weniger stark gebunden sind. Die äußere Region ist wie eine Wolke, die durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten wird; sie besteht aus verschiedenen Ionen mit entgegengesetzten Polaritäten. Das ganze System bildet eine elektrische Doppelschicht. Die Entwicklung einer Nettoladung an der Flüssigkeitsoberfläche des Blasenpartikels beeinflusst die Verteilung der Ionen in der benachbarten Grenzflächenregion. Dies führt zu einer erhöhten Konzentration von Gegenionen in der Nähe der Oberfläche. Wenn sich die Nanoblase durch die Flüssigkeit bewegt, bewegen sich die Ionen innerhalb der Grenzfläche mit der Blase. Alle Ionen außerhalb der Grenze bewegen sich nicht mit der Blase. Wir nennen die Grenzfläche die hydrodynamische Scherung oder die Gleitebene. Das Potenzial auf dieser Fläche wird als Zeta-Potenzial bezeichnet.

Hohes und niedriges Zetapotenzial

Das Zeta-Potenzial kann in mV gemessen werden. Das Zeta-Potenzial misst das Ausmaß der elektrostatischen Abstoßung oder Anziehung zwischen Partikeln, Blasen oder Tröpfchen. Das Zetapotenzial ist einer der grundlegenden Parameter, die die Stabilität beeinflussen. Das Zetapotenzial gibt einen detaillierten Einblick in die Ursachen von Dispersion, Aggregation oder Ausflockung und kann zur Verbesserung der Formulierung von Dispersionen, Emulsionen und Suspensionen eingesetzt werden.

H+ und OH- Ionen

Ein höheres Zetapotenzial bedeutet Stabilität für die Nanoblasen in der Suspension aufgrund der Abstoßung der Blasen untereinander. Ein niedrigeres Zetapotenzial führt zur Koagulation und ist weniger stabil. Ein niedrigeres Zeta-Potenzial bedeutet, dass der Wert näher bei Null liegt. Das Zeta-Potenzial ist entweder positiv oder negativ und ein hohes Zeta-Potenzial kann entweder eine hohe positive oder eine hohe negative Zahl sein, um stabil zu sein. Die Ladung der Lösung hängt von den positiven Ionen H+ oder den eher negativen Ionen OH- ab. Studien haben gezeigt, dass Blasen in destilliertem Wasser negativ geladen sind. Im Durchschnitt hat eine Blase in destilliertem Wasser ein Zetapotenzial von -35 mV bei einem pH-Wert von 5,8. Bei der Messung verschiedener Blasengrößen gibt es keinen Zusammenhang zwischen der Größe des Zetapotenzials und dem Blasendurchmesser.

Wenn H+- und OH--Ionen im Spiel sind, ist auch der pH-Wert ein wichtiger Faktor. Wenn du also das Zetapotenzial misst, solltest du dies immer zusammen mit dem pH-Wert tun. Wenn das Zetapotenzial negativ ist, ist die Gas-Wasser-Grenzfläche mit OH--Ionen negativ geladen. Das Wasser hat einen Überschuss an OH- Ionen im Vergleich zu H+ Ionen. Der negative Wert des Zetapotenzials in einem breiten pH-Bereich deutet darauf hin, dass OH- effektiver an der Grenzfläche adsorbiert wird als H+. Manchmal ist das Zetapotenzial positiv, z. B. unter stärker sauren Bedingungen, d. h. wenn CO2-Gas aufgelöst wird.

Die Forscher erklären die Adsorption von OH- an der Grenzfläche mit der unterschiedlichen Hydratationsenergie von H+ und OH- oder mit der Ausrichtung der Wasserdipole an der Grenzfläche, wobei die Wasserstoffatome in Richtung der Wasserphase und die Sauerstoffatome in Richtung der Gasphase zeigen, was zu einer Anziehung der Anionen an der Zwischenphase führt.

Die elektrische Ladung der Gas-Wasser-Grenzfläche hängt mit dem Wasserstoffbindungsnetzwerk des Wassers zusammen. Die elektrische Ladung der Grenzfläche in der wässrigen Lösung wird durch einen größeren Überschuss an H+ und OH- an der Grenzfläche verursacht als in der Masse. Diese Ionen sind die wesentlichen Elemente des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks, daher muss die Strukturinformation der Gas-Wasser-Grenzfläche eine größere Anzahl dieser Ionen an der Grenzfläche enthalten als in der wässrigen Hauptphase. Der negative Wert des Zetapotenzials für Blasen in einem breiten pH-Bereich deutet darauf hin, dass OH- die mikroskopische Struktur der Gas-Wasser-Grenzfläche stärker beeinflusst als H+.

Alkohol: ein negativer Einfluss auf ultrafeine Blasen

Alkohol wie Methanol, Ethanol und höhere Alkohole haben einen negativen Einfluss auf das Zetapotenzial, indem sie den negativen Wert verringern. Die Alkohole neigen dazu, die Gas-Wasser-Grenzfläche zu absorbieren, und die Zugabe einer kleinen Menge Alkohol stört das Wasserstoffbindungsnetzwerk an der Grenzfläche erheblich.

Was die Stabilität der Blasen angeht, haben einige ältere Untersuchungen ergeben, dass Luftblasen in der Lösung 4 Tage lang stabil sind, während CO2-Blasen nur 1 oder 2 Stunden überdauern. Neuere Studien haben gezeigt, dass ultrafeine Blasen in einem Labor unter perfekten Bedingungen 4 bis 6 Monate lang stabil sind.

Kolloide Stabile und instabile

Die Leute fragen sich oft, ob sich ultrafeine Blasen gleichmäßig im Wasser verteilen oder ob sie sich in einem bestimmten Bereich des Wassers zusammenballen. Denn Blasen verhalten sich genauso wie Teilchen in einem Kolloid. Ein Kolloid ist eine Lösung mit Partikeln, die einen Durchmesser von 1 bis 1000 Nanometern haben und trotzdem gleichmäßig in der Lösung verteilt bleiben. Sie werden auch als kolloidale Dispersionen bezeichnet, weil die Substanzen dispergiert bleiben und sich nicht auf dem Boden des Behälters absetzen. Jedes in der Lösung dispergierte kolloidale Teilchen ist aufgrund seiner ionischen und bipolaren Eigenschaften elektrisch geladen.

Zeta-Potenzial in der Praxis und Anwendung

Gartenbau und Landwirtschaft

Ein hohes Zetapotenzial bedeutet, dass die Lösung für die Pflanzenwurzeln stabil ist. Das ist positiv, da sie die Nährstoffe leichter aufnehmen können, weil die Wahrscheinlichkeit der Aufnahme größer ist. Eine Nährstofflösung für Pflanzen mit einem niedrigen Zetapotenzial zeigt verklumpte Nährstoffe an, die für Pflanzenwurzeln weniger zugänglich sind.

Sanierung von Seen und Teichen

Probiotische Bakterien sind ein wichtiger Bestandteil für die Abwasserreinigung, die Sanierung von Seen und Teichen und die Reinigung von Klärgruben. Die probiotischen Bakterien sind aerob, d.h. sie brauchen Sauerstoff als Energiequelle und je mehr Sauerstoff, desto besser. Ein probiotisches Bakterium ist zwischen 200 nm und 10.000 nm groß, verglichen mit einer durchschnittlichen acniti Nanoblase von 85 bis 120 nm. Die probiotischen Bakterien nehmen durch Diffusion Nährstoffe aus der Umgebung auf. Eine hohe Sauerstoffkonzentration im Wasser mit einem hohen Zetapotenzial hilft diesen positiven Bakterien zu gedeihen. Bei einem hohen Zetapotenzial werden die Nährstoffe für die probiotischen Bakterien gut in der Lösung verteilt und sind somit leicht zugänglich. Wenn die Wasserlösung ein niedriges Zetapotenzial hat, sind die Nährstoffe weniger gut zugänglich und es dauert länger, bis die probiotischen Bakterien das Gewässer reinigen.

Wasseraufbereitung

In Wasseraufbereitungssystemen gibt die Überwachung des Zeta-Potenzials einen Hinweis auf die Menge an Chemikalien oder ultrafeinen Blasen, die dosiert werden müssen.

Biofilm und Bio-Fouling

Die Erhöhung des Zetapotenzials von Rohren und Leitungen beseitigt Biofilm und Biofouling von Membranen und verlängert die Lebensdauer der Filter.

Klärschlamm

Die Stabilisierung von Ton und anderen Partikeln im Wasser verringert die Tendenz zur Aggregation, so dass sie sich nicht als Weichschlamm absetzen.

Freie Radikale

Wenn feine Blasen in hohen Konzentrationen komprimiert werden, steigt das Zeta-Potenzial während der Kompression und die Ionenkonzentration um die Blasen herum nimmt zu. Nach einigen Minuten der Kompression werden so viele Zugangsionen gebildet, dass freie Radikale entstehen.