Спосіб та пристрій макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи

Реферат: Винахід належить до лабораторного обладнання, а саме - до приладів визначення дзетапотенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи. Спосіб макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи, що включає заповнення електрофоретичної трубки боковою рідиною та дисперсною системою, пропускання електричного струму через електродні камери, агарові ключі та електрофоретичну трубку, вимірювання електричної напруги U 0 між струмовими електродами, тривалості пропускання струму, переміщення межі бокова рідина/дисперсна система та визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі, в якому агарові ключі готують на основі бокової рідини, додатково вимірюють напругу U 1 на першій електродній камері й відповідному агаровому ключі та напругу U 2 на другій електродній камері й відповідному агаровому ключі, причому для визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі використовують величину напруги U , яку вираховують за співвідношенням U  U0  U1  U2  . Пристрій містить електрофоретичну трубку, дві електродні камери зі струмовими електродами та підключені до них джерело електричної напруги та вольтметр, два агарові ключі, які з'єднують електрофоретичну трубку з електродними камерами і ємність з краном для дисперсної системи, в який додатково введено два потенціальні електроди, які розташовані в електрофоретичній трубці вище нижнього зрізу агарових ключів, і вольтметр з високим вхідним опором, підключений через двопозиційний перемикач до струмових та потенціальних електродів, причому в кожній позиції перемикача вольтметр підключено до одного зі струмових електродів та до відповідного потенціального UA 109491 C2 (12) UA 109491 C2 електроду. Забезпечується зменшення похибки визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи. UA 109491 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до лабораторного (аналітичного) обладнання, а саме - до способів та пристроїв визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи. Відомий "Спосіб макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи" [Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / под. ред. Назарова В.В., Гродского А.С. - М.: Академкнига, 2007. - 374 с., с. 172], який включає заповнення електрофоретичної трубки боковою рідиною та дисперсною системою, пропускання електричного струму через них, вимірювання електричної напруги між струмовими електродами, які занурюють в бокову рідину безпосередньо в електрофоретичній трубці, тривалості пропускання струму та переміщення межі бокова рідина/дисперсна система, визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі та швидкості руху межі бокова рідина/дисперсна система. Недолік аналога - низька точність визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок, що обумовлено наявністю процесу електролізу бокової рідини безпосередньо в електрофоретичній трубці та потраплянням продуктів електролізу в бокову рідину і досліджуваний зразок, що призводить до зміни їх електропровідності, електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи. Відомий також "Спосіб макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу" [Руководство к практическим работам по коллоидной химии / Григоров О.Н., Карпова О.Ф., Кузьмина З.П. и др. - Ленинград: Химия, 1964. - 332 с., с. 198], який включає заповнення електрофоретичної трубки боковою рідиною та дисперсною системою, пропускання електричного струму через електродні камери, агарові ключі та електрофоретичну трубку, вимірювання сили струму, що проходить через електрофоретичну трубку, та питомої електропровідності досліджуваної дисперсії, тривалості пропускання струму та переміщення межі бокова рідина/дисперсна система, визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі та швидкості руху межі бокова рідина/дисперсна система. В даному способі електричний струм в електрофоретичну трубку подають через розташовані в електродних камерах струмові електроди та агарові ключі, які приготовлені на концентрованому розчині хлористого калію. Недоліком цього способу є низька точність визначення електрокінетичного потенціалу й електрофоретичної рухливості частинок, що обумовлено зміною електропровідності та електрокінетичних властивостей досліджуваної дисперсної системи і бокової рідини через їх забруднення іонами хлористого калію із агарових ключів [Практикум по коллоидной химии / Баранов В.И., Бибик Е.Е., Кожевникова Н.М. и др. - М.: Высш. шк., 1983. - 216 с., с. 100]. Недоліком є також необхідність додаткового вимірювання питомої електропровідності дисперсної системи та сили струму, для чого потрібні, відповідно, кондуктометр і амперметр. Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого технічного рішення є поширений "Спосіб макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу" [Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции / Айвазов Б.В. - М: Высш. шк., 1973. 208 с., с. 175; Практикум по коллоидной химии и электронной микроскопии / Под ред. проф. С.С. Воюцкого и доц. Р.М. Панич - М.: Химия, 1974. - 224 с., с. 102-103], який включає заповнення електрофоретичної трубки боковою рідиною та дисперсною системою, пропускання електричного струму через електродні камери, агарові ключі та електрофоретичну трубку, вимірювання електричної напруги між струмовими електродами, тривалості пропускання струму та переміщення межі бокова рідина/дисперсна система, визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі та швидкості руху межі бокова рідина/дисперсна система. В даному способі електричний струм в електрофоретичну трубку подають через струмові електроди, що розташовані в електродних камерах, та агарові ключі, які приготовлені з використанням 0,1 н розчину хлористого калію. Недоліком указаного способу є низька точність визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок, яка обумовлена тим, що для розрахунку градієнта електричної напруги в дисперсній системі беруть значення напруги між струмовими електродами, не враховуючи того, що суттєва частина цієї напруги падає на електродних камерах та агарових ключах. Низька точність визначення обумовлена також тим, що іони хлористого калію із агарових ключів шляхом дифузії переносяться в досліджувану дисперсну систему та бокову рідину, змінюючи підчас вимірювання їх електропровідність, електрокінетичний потенціал і електрофоретичну рухливість частинок. Необхідно відмітити, що нехтування падінням напруги на електродних камерах та агарових ключах, а також забруднення бокової рідини і досліджуваної системи іонами електроліту ключів призводять до систематичної 1 UA 109491 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 похибки визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості, а саме визначені величини завжди менші істинних. Відомий також "Пристрій для макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи", який містить електрофоретичну трубку, струмові електроди, підключене до них джерело електричної напруги з вольтметром і ємність з краном для дисперсної системи [Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / под. ред. Назарова В.В., Гродского А.С. - М:. Академкнига, 2007. - 374 с., с. 172]. Недоліком цього пристрою є низька точність визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок, що обумовлено розташуванням струмових електродів в боковій рідині безпосередньо в електрофоретичній трубці, оскільки на струмових електродах підчас вимірювання відбувається процес електролізу бокової рідини, продукти якого попадають в бокову рідину та досліджуваний зразок дисперсної системи, змінюючи їх електропровідність, електрокінетичний потенціал та електрофоретичну рухливість частинок. Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого технічного рішення є "Пристрій для макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи", що містить електрофоретичну трубку, дві електродні камери зі струмовими електродами та підключене до них джерело електричної напруги з вольтметром, два агарові ключі, які з'єднують електрофоретичну трубку з електродними камерами і ємність з краном для суспензії [Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции / Айвазов Б.В. - М.: Высш. шк., 1973. - 208 с., с. 175]. Цей пристрій виключає електроліз бокової рідини в електрофоретичній трубці. Недоліком цього пристрою є низька точність визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок через наявність систематичної похибки, яка обумовлена тим, що вольтметр підключено до розміщених в камерах струмових електродів, а тому він реєструє сумарну напругу на електрофоретичній трубці, електродних камерах та агарових ключах, в той час, коли електрофорез відбувається лише під дією напруги на електрофоретичній трубці. В переважній більшості досліджуваних електрофорезом дисперсних систем концентрація електролітів значно нижча такої в агарових ключах, а тому низька точність визначення обумовлена також тим, що підчас вимірювання іони хлористого калію із агарових ключів шляхом дифузії переносяться в досліджувану дисперсну систему та бокову рідину, змінюючи їх електропровідність, електрокінетичний потенціал і електрофоретичну рухливість частинок. Задачею, на вирішення якої спрямовано винахід, є зменшення систематичної похибки і підвищення точності визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи. Поставлена задача вирішується тим, що в способі макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи, що включає заповнення електрофоретичної трубки боковою рідиною та дисперсною системою, пропускання електричного струму через електродні камери, агарові ключі та електрофоретичну трубку, вимірювання електричної напруги U0 між струмовими електродами, тривалості пропускання струму, переміщення межі бокова рідина/дисперсна система та визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі, згідно з винаходом, що пропонується, новим є те, що агарові ключі готують на основі бокової рідини, додатково вимірюють напругу U 1 на першій електродній камері й відповідному агаровому ключі та напругу U2 на другій електродній камері й відповідному агаровому ключі, причому для визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі використовують величину напруги U, яку вираховують за співвідношенням U=U0-(U1+U2), а в пристрої, що містить електрофоретичну трубку, дві електродні камери зі струмовими електродами та підключені до них джерело електричної напруги та вольтметр, два агарові ключі, які з'єднують електрофоретичну трубку з електродними камерами і ємність з краном для дисперсної системи, згідно з винаходом, що пропонується, новим є те, що в нього додатково введено два потенціальні електроди, які розташовані в електрофоретичній трубці вище нижнього зрізу агарових ключів, і вольтметр з високим вхідним опором, підключений через двопозиційний перемикач до струмових та потенціальних електродів, причому в кожній позиції перемикача вольтметр підключено до одного зі струмових електродів та до відповідного потенціального електроду. Використання пропонованих способу та пристрою із зазначеними відмітними ознаками забезпечує зменшення систематичної похибки і більш точне визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи. 2 UA 109491 C2 5 10 Пропонований спосіб реалізують наступним чином. Готують агарові ключі на основі бокової рідини та ставлять їх в пристрій для електрофорезу. Заливають розчин електроліту в електродні камери з розміщеними в них струмовими електродами. Заповнюють електрофоретичну трубку боковою рідиною та досліджуваною дисперсною системою. Розміщують потенціальні електроди в кінцях електрофоретичної трубки в боковій рідині. Підключають струмові електроди до джерело живлення, вмикають його та задають величину електричної напруги U0, необхідну для здійснення електрофорезу. Реєструють тривалість пропускання струму τ та величину електрофоретичного переміщення h межі бокова рідина/дисперсна система. Підчас проведення електрофорезу підключають вольтметр з високим вхідним опором до першого потенціального і першого струмового електродів і вимірюють напругу U1 на першій електродній камері та відповідному агаровому ключі. Аналогічно вимірюють напругу U2 на другій електродній камері та відповідному агаровому ключі. Вираховують величину напруги U на електрофоретичній трубці U  U0  U1  U2  15 20 25 30 35 40 45 50 55 та градієнт електричної напруги Е в дисперсній системі E  U/ L , де L - довжина електрофоретичної трубки, тобто відстань між кінцями агарових ключів по осі трубки. Розраховують електрофоретичну рухливість μ частинок дисперсної системи за співвідношенням   h/E , а електрокінетичний потенціал ζ, частинок суспензії за рівнянням ГельмгольцяСмолуховського      /   0 , де:  та  - в'язкість та діелектрична проникність дисперсійного середовища;  0 електрична стала. До складу пристрою для макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи (креслення) входять: 1 - електрофоретична трубка, 2 - трубка подачі дисперсної системи, 3 - ємність для дисперсної системи, 4 - кран регулювання подачі дисперсної системи, 5 - агарові ключі, 6 - електродні камери, 7 - струмові електроди, 8 - потенціальні електроди, 9 - джерело постійного струму з вольтметром, 10 - двопозиційний перемикач, 11 - вольтметр з високим вхідним опором. Електрофоретична трубка 1 має U-подібну форму. Агарові ключі 5 - це скляні трубки, заповнені гелем агару, приготовленим на основі бокової рідини. Електродні камери 6 являють 3 собою хімічні стаканчики, заповнені розчином сульфату міді (II) концентрацією 10 г/дм . Струмові електроди 7 - мідні, однакові за розмірами. Потенціальні електроди 8 із платини або хлор-срібні, занурені безпосередньо в бокову рідину, тобто, без використання електричних з'єднань поверхні електродів з боковою рідиною через допоміжний електроліт. Джерело постійного струму 9 забезпечує можливість задавати електричну напругу до 200 В на струмових електродах. Двопозиційний перемикач 10 дає можливість підключати вольтметр 11 до відповідних електродів для вимірювання напруги на електродних камерах та агарових ключах. Пристрій працює наступним чином. На основі бокової рідини готують агарові ключі 5 та ставлять їх в пристрій для електрофорезу. Заливають розчин сульфату міді (II) в електродні камери 6 з розміщеними в них струмовими електродами 7. Щоб сформувати чітку межу між боковою рідиною та дисперсною системою, акуратно заповнюють електрофоретичну трубку 1 боковою рідиною та досліджуваною дисперсною системою, використовуючи трубку 2, ємність 3 та кран 4. Розміщують потенціальні електроди 8 в кінцях електрофоретичної трубки 1 так, щоб вони знаходилися в боковій рідині вище нижнього зрізу агарових ключів. Підключають струмові електроди 7 до джерело живлення 9, вмикають його та задають величину електричної напруги U0 в межах від 50 до 200 В, необхідну для здійснення електрофорезу. На шкалі електрофоретичної трубки 1 відмічають місце знаходження межі бокова рідина/дисперсна система та починають відлік часу. Підчас проведення електрофорезу з допомогою перемикача 10 та вольтметра 11 вимірюють напругу U 1 на першій електродній камері та відповідному агаровому ключі й напругу U2 на другій електродній камері та відповідному агаровому ключі. Після певного проміжку часу реєструють тривалість пропускання струму та величину електрофоретичного переміщення межі бокова рідина/дисперсна система. Приклади виконання за винаходом. 3 UA 109491 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Нижче наведені приклади визначення електрофоретичної рухливості та електрокінетичного потенціалу частинок глинистого мінералу монтморилоніту з різним ступенем модифікування їх поверхні катіонною поверхнево-активною речовиною, використана електрофоретична трубка довжиною L=36 см, а тривалість електрофорезу τ = 3000 с. В розрахунках електрокінетичного -12 -4 потенціалу брали ε0=8,85·10 А·с/В·м, а також η = 8,94·10 Па·с, ε = 78,3, оскільки дисперсійним середовищем досліджуваних при температурі 25 °C дисперсних систем була дистильована вода. Приклад 1. Визначення електрофоретичної рухливості та електрокінетичного потенціалу частинок 3 3 дисперсної системи, що має склад: 0,2 г/дм монтморилоніту та 0,18 ммоль/дм катіонної поверхнево-активної речовини гексадецилтриметиламоній броміду. Готують агарові ключі на основі бокової рідини, тобто на розчині гексадецилтриметиламоній броміду концентрацією 0,18 ммоль/дм', та ставлять їх в пристрій для електрофорезу. Заливають розчин сульфату міді (II) 10 3 г/дм в електродні камери. Заповнюють електрофоретичну трубку боковою рідиною та дисперсною системою. Розміщують потенціальні електроди в електрофоретичній трубці. Підключають струмові електроди до джерела живлення, вмикають його та задають U 0=100,2 В. Проводять електрофорез. Підчас проведення електрофорезу цифровим вольтметром Щ-31 7 (вхідний опір більше 10 Ом) вимірюють напруги U1 та U2, які, відповідно, дорівнювали 12,2 В та 5,3 В. За час електрофорезу переміщення межі бокова рідина/дисперсна система становило 0,9 см. Розраховують величину та градієнт електричної напруги на електрофоретичній трубці, електрофоретичну рухливість та електрокінетичний потенціал частинок суспензії (табл., приклад 1). Аналогічно були виконані визначення в прикладах 2 та 3. Приклад 2. Визначення електрофоретичної рухливості та електрокінетичного потенціалу частинок 3 дисперсної системи, що має склад: 0,2 г/дм монтморилоніту та 0,26 ммоль/дм гексадецилтриметиламоній броміду. Готують агарові ключі на основі бокової рідини, тобто на розчині гексадецилтримстиламопій броміду концентрацією 0,26 ммоль/дм', та ставлять їх в пристрій для електрофорезу Вимірювання виконують за умов: U0=100,0 В; U1=9,1 В; U2=7,1 В. Переміщення межі бокова рідина/дисперсна система за час електрофорезу становило 2,4 см. Розраховують величину та градієнт електричної напруги на електрофоретичній трубці, електрофоретичну рухливість та електрокінетичний потенціал частинок суспензії (табл., приклад 2). Приклад 3. Визначення електрофоретичної рухливості та електрокінетичного потенціалу частинок 3 3 дисперсної системи, що має склад: 0,2 г/дм монтморилоніту та 0,32 ммоль/дм гексадецилтриметиламоній броміду. Готують агарові ключі на основі бокової рідини, тобто на розчині гексадецилтриметиламоній броміду концентрацією 0,32 ммоль/дм', та ставлять їх в пристрій для електрофорезу. Вимірювання виконують за умов: U0=99,2 В; U1=10,9 В; U2=7,8 В. Переміщення межі бокова рідина/дисперсна система за час електрофорезу становило 2,6 см. Розраховують величину та градієнт електричної напруги на електрофоретичній трубці, електрофоретичну рухливість та електрокінетичний потенціал частинок суспензії (табл., приклад 3). Як видно із даних таблиці запропонований спосіб та пристрій дають можливість зменшити систематичну похибку та підвищити точність визначення. Оскільки електрокінетичний потенціал є важливою характеристикою дисперсної системи, то використання запропонованих способу та пристрою дасть можливість більш надійного прогнозування фізико-хімічних властивостей колоїдних систем, процесів модифікування, адсорбції, агрегативної стійкості дисперсних систем, структуроутворення в матеріалах та інших. 50 Таблиця За винаходом Приклад 1 2 3 h, см U0, В U1, В U2, В 0,9 100,2 12,2 2,4 100,0 9,1 2,6 99,2 10,9 5,3 7,1 7,8 U, В 82,7 83,8 80,5 μ, Е, В/см (мкм/с)/(В/см) 2,30 1,3 2,33 3,4 2,24 3,9 4 За аналогом ζ, мВ 16,8 44,3 50,0 μ, (мкм/с)/(В/см) ζ, мВ 1,1 2,9 3,1 13,9 37,2 40,6 UA 109491 C2 5 10 Джерела інформації: 1. Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / под. ред. Назарова В.В., Гродского А.С. - М.: Академкнига, 2007. - 374 с. 2. Руководство к практическим работам по коллоидной химии / Григоров О.Н., Карпова О.Ф., Кузьмина З.П. и др. - Ленинград: Химия, 1964. - 332 с. 3. Практикум по коллоидной химии / Баранов В.И., Бибик Е.Е., Кожевникова Н.М. и др. - М.: Высш. шк., 1983. - 216 с. 4. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции / Айвазов Б.В. - М.: Высш. шк., 1973. - 208 с. 5. Практикум по коллоидной химии и электронной микроскопии / Под ред. проф. С.С. Воюцкого и доц. Р.М. Панич - М.: Химия, 1974. - 224 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 1. Спосіб макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи, що включає заповнення електрофоретичної трубки боковою рідиною та дисперсною системою, пропускання електричного струму через електродні камери, агарові ключі та електрофоретичну трубку, вимірювання електричної напруги U 0 між струмовими електродами, тривалості пропускання 20 струму, переміщення межі бокова рідина/дисперсна система та визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі, який відрізняється тим, що агарові ключі готують на основі бокової рідини, додатково вимірюють напругу U 1 на першій електродній камері й відповідному агаровому ключі та напругу U2 на другій електродній камері й відповідному агаровому ключі, причому для визначення градієнта електричної напруги в дисперсній системі використовують величину напруги U, яку вираховують за співвідношенням U=U 0-(U1-U2). 2. Пристрій для макроелектрофоретичного визначення електрокінетичного потенціалу та електрофоретичної рухливості частинок дисперсної системи, що містить електрофоретичну трубку, дві електродні камери зі струмовими електродами та підключені до них джерело електричної напруги та вольтметр, два, приготовлені на основі бокової рідини, агарові ключі, які з'єднують електрофоретичну трубку з електродними камерами і ємність з краном для дисперсної системи, який відрізняється тим, що в нього додатково введено два потенціальні електроди, які розташовані в електрофоретичній трубці вище нижнього зрізу агарових ключів, і вольтметр з високим вхідним опором, підключений через двопозиційний перемикач до струмових та потенціальних електродів, причому в кожній позиції перемикача вольтметр підключено до одного зі струмових електродів та до відповідного потенціального електрода. 25 30 35 5 UA 109491 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6