КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 70, № 6, с. 748-755
УДК 537.31+541.183+541.13
ЭЛЕКТРООСМОС ВБЛИЗИ СФЕРИЧЕСКОЙ И ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
© 2008 г. Н. О. Баринова, Н. А. Мищук, Т. А. Несмеянова
Институт коллоидной химии и химии воды Национальной академии наук Украины 03680 Украина, Киев, проспект Вернадского, 42 Поступила в редакцию 02.11.2007 г.
Проведено экспериментальное исследование профилей и скоростей электроосмотических течений вблизи сферической и цилиндрической металлических поверхностей. Установлены основные различия между электроосмосом у поверхностей гранул ионита и частиц с электронной электропроводностью.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в связи с развитием нанотехно-логий, в том числе с использованием микротечений жидкости, большое внимание уделяется поляризационным процессам и нелинейным электрокинетическим явлениям [1-5], в частности электроосмосу у поверхности металлических частиц. Однако в основном исследования проводятся при не очень больших напряженностях электрического поля, когда металлическая частица ведет себя как непроводящая [6, 7]. Увеличение напряженности электрического поля приводит к возникновению тока через металлическую частицу [6, 7], что изменяет характер и основные закономерности ее поляризации, в том числе, может создать условия для электроосмоса второго рода [8-11].
Хотя теоретически поляризация металлических частиц изучается давно [7-13], экспериментальные исследования электрокинетических явлений для таких частиц немногочисленны. Они выполнены или для электрофореза, в том числе второго рода [14-16], или при достаточно низких значениях напряженности электрического поля, когда ток через частицу невозможен, т.е. условия для электроосмоса второго рода еще не сформированы [4, 17]. Поэтому в настоящей работе предпринята попытка экспериментально исследовать электроосмос возле металлической поверхности при напряженностях поля, обеспечивающих переход от бестокового режима к режиму протекания через частицу электрического тока, т.е. при переходе от классического электроосмоса к электроосмосу второго рода, характеризующемуся ярко выраженной нелинейностью, приближающейся к квадратичной зависимости скорости от напряженности поля.
Отметим, что в работах [4, 17] наблюдалась квадратичная зависимость скорости электроосмоса от напряженности электрического поля, но она по-
лучена в периодическом электрическом поле, т.е. имеет другую природу.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводили, используя ячейку из оргстекла с платиновыми электродами (расстояние между электродами 2.5 см). Для исследования были выбраны медные кольца и шайбы разного диаметра, а также стальные шарики диаметром около 1 мм. Как и в предыдущих работах по исследованию электроосмоса второго рода возле гранул ионита [18, 19], в качестве визуализирующих частиц применяли измельченный ионит КУ-2-8 (размер частиц около 3 мкм). Наблюдения проводили с помощью камеры слежения, соединенной с микроскопом. Напряженность электрического поля варьировали в пределах 10-40 В/см.
Через 1-2 мин после подключения поля на металлическом шарике или кольце начиналось интенсивное газовыделение, в основном, со стороны, обращенной к аноду. Как и следовало ожидать, скорость газовыделения возрастала с ростом напряжения и концентрации электролита, т.е. с ростом плотности тока. Естественно, что газовыделение влияет на поляризационные процессы и тем самым понижает точность измерений и корректность интерпретации полученных данных. Это ограничило выполненные нами эксперименты достаточно низкими значениями напряженности поля (до 40 В/см) и концентрации электролита (дистиллированная вода и миллинор-мальный раствор хлорида меди).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Картины, полученные при исследовании электроосмоса у поверхностей стального шарика и гранулы ионита такого же диаметра, принципиально различаются (рис. 1). Если для гранулы ионита в области полюсов жидкость движется в одном и том же направлении (вдоль поверхности ионита от
анода к катоду), то для стального шарика у обоих полюсов движение происходит от его поверхности. Профили течения у поверхностей ионита и металла также имеют разную форму.
Действительно, согласно теоретическим представлениям [8-11], объемный заряд у поверхности ионита существует только с той стороны, где проти-воионы движутся к его поверхности, причем знак объемного заряда совпадает со знаком противоио-нов. Поэтому жидкость движется вдоль поверхности в одном направлении, но в области объемного заряда скорость больше, что приводит к возникновению большего вихря с анодной стороны.
При протекании тока через металлическую частицу, благодаря электрохимическим реакциям на ее поверхности, возможно возникновение индуцированных зарядов как с катодной, так и с анодной стороны [10, 11, 16]. Поскольку индуцированные заряды сопоставимы по величине, но противоположны по знаку, электроосмотические вихри у металлической поверхности с анодной и катодной сторон не так сильно различаются по размеру, как в случае ионита, к тому же направлены в противоположные стороны.
Как следует из приведенных в таблице экспериментальных данных, скорость течения жидкости у поверхности стального шарика заметно ниже, чем у поверхности гранулы ионита. Это обусловлено тем, что, несмотря на использование одной и той же напряженности электрического поля, поляризация гранулы ионита и стального шарика происходит за счет разных значений падения потенциала. Действительно, как показано в работах [10, 11, 16], в отличие от частиц ионита, в которых роль эффективного электрокинетического потенциала играет величина 2aE (a - радиус частиц, E - напряженность электрического поля), в случае металлических частиц в поляризации задействован потенциал 2Ea - Фй, где Фй -падение напряжения на катодной и анодной сторонах металлической частицы, обеспечивающее электролиз воды. При использованных размере частиц и напряженности поля получаем, что 2Ea = 2 В. Учитывая, что Фй ~ 1.23 В [20], находим соотношение поляризующего частицу и приложенного к частице потенциалов (2Ea - Фd)/2aE = 0.385. Предполагая симметричную поляризацию металлической частицы, получаем, что, согласно [10, 11], эффективный электроосмотический потенциал (2aE - Ф^/2 для металлической частицы примерно в 5 раз меньше, чем для гранулы ионита.
Сопоставляя скорости электроосмоса для металлической частицы с симметричным расположением заряда (V™ ~ (2Ea - Ф^2) и для гранулы
ионита Veo ~ (2Ea)2, находим, что V™ / V\o ~ 0.04, т.е. скорость электроосмоса вблизи частицы металла более чем в 10 раз ниже скорости возле частицы ионита. Полученное соотношение каче-
3
[ 1
Анод
(а)
Рис. 1. Сравнительная картина профилей электроосмотического течения, возникающего вблизи гранулы катионита (а) и металлического шарика (б) в дистиллированной воде (Е = 20 В/см), 1 = 1 мм.
ственно соответствует экспериментальным результатам.
В случае медного кольца профили движения имеют такой же качественный вид, как и для стального шарика (рис. 2). С увеличением приложенного напряжения вихри увеличиваются в размере, при этом несколько изменяя форму. Скорость течения в
Скорости электроосмотического течения, возникающего возле гранулы ионита и стального шарика (диаметр 1 мм), измеренные в точках 1, 2, 3 (см. рис. 1) при напряженности поля 20 В/см
Материал Скорость течения, мм/с
точка 1 точка 2 точка 3
Ионит КУ-2-8 0.4 0.2 0.7
Металл 0.04 0.05 0.04
Е = 20 В/см
Анод
Рис. 2. Профили электроосмотического течения, возникающего вблизи медного кольца диаметром 2.2 мм, погруженного в дистиллированную воду, при разных напряженностях поля.
Скорость, мм/с 0.30
0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0
10 12 14 16 18 20 22 Напряженность поля, В/см
Рис. 3. Зависимость скорости электроосмотического течения, возникающего вблизи медного кольца диаметром 2.2 мм, от напряженности поля (в точках 1, 2, 3, указанных на рис. 1). Толщина кольца 0.1 мм.
точке 3, в которой должен наблюдаться максимум тангенциальной компоненты скорости электроосмоса второго рода, возрастает с увеличением напряженности поля нелинейно (рис. 3).
Различия в размере вихрей и измеренных скоростях течения качественно согласуется с поляризационными кривыми, полученными для медной пластинки с помощью потенциостата ПИ 50-1.1 (рис. 4). Как видно из этого рисунка, зависимость тока от приложенной разности потенциалов явно слабее, чем линейная, что свидетельствует о поляризационных процессах. Наблюдается также существенная асимметрия кривых: при положительных значениях разности потенциалов, когда медная пластинка выступает в роли катода, ток как в дистиллированной воде, так и в растворе хлорида меди выше, чем при таких же по абсолютной величине отрицательных значениях потенциала, когда пластинка является анодом. Отсюда можно сделать вывод, что поляризация анода более выражена, чем поляризация катода, т.е. здесь величина индуцированного заряда должна быть большей.
В случае медного кольца, помещенного между двумя электродами, роль анода играет часть его поверхности, обращенная к катоду. Поэтому именно с
Плотность тока, мА/см2
Рис. 4. Вольтамперные кривые, полученные для медной пластинки, помещенной в дистиллированную воду (1) и 0.001 н. раствор СиС12 (2).
этой стороны кольца должны возникать больший индуцированный заряд и более быстрое электроосмотическое течение, что и наблюдается в эксперименте.
Проведем оценку скорости электроосмоса. Хотя ток через кольцо течет совсем по-другому, чем через сплошные шарики, однако даже в случае достаточно тонких колец должно выполняться основное условие возникновения электрокинетических явлений второго рода: электропроводность частицы должна быть на два-три десятичных порядка больше электропроводности раствора [10, 11]. Поскольку электропроводность меди по сравнению с растворами электролита очень высока, это условие для эффективной электропроводности использованной "частицы" (кольца с обладающим низкой проводимостью раствором внутри него) выполняется очень хорошо. Поэтому для количественного анализа поляризации кольца можно воспользоваться формулами для спл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.