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Applikationsbeispiel: Wie Messungen des Zeta-Potentials bei der Reinigung von Kleidung helfen können
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Wie Messungen des Zeta-Potentials bei der Reinigung von Kleidung helfen können

Tensid Adsorption - Schnelle und zuverlässige Zeta-Potential Analys mit oszillierender Elektrolytlösung

Die meisten Oberflächen bilden eine Oberflächenladung aus, wenn sie mit Flüssigkeiten in Kontakt kommen. Vor der Oberfläche bildet sich die sogenannte elektrochemische Doppelschicht aus, die aus einer immobilen und einer diffusen Schicht besteht. Das Potential in der immobilen Schicht ist zwar experimentell unzugänglich aber für praktische Anwendungen in der Regel nicht relevant. Das Potential am Übergang zwischen immobiler und diffuser Schicht hingegen kann gemessen werden. Indem Flüssigkeit und Oberfläche relativ zueinander bewegt werden, können die Ionen in der diffusen Schicht abgeschert werden. Das elektrische Potential an dieser Scherebene wird als Zeta-Potential (ζ-Potential) bezeichnet.

Das ζ-Potential beeinflusst direkt die Stabilität Kolloidaler Suspensionen und gibt Indizien für die Adhäsion zwischen Festkörpern. Zudem kann mit dem ζ-Potential die Adsorption und chemische Reaktion zwischen Festkörper und Ionen/Molekülen, Tensiden, Polymeren etc. beobachtet werden.

Konventionelle Methoden für die Bestimmung des Zeta-Potentials sind kompliziert und zeitaufwendig. Andererseits bietet die, von DataPhysics Instruments patentierte, oszillatorische bidirektionale Strömungspotentialanalyse eine neue schnelle, einfache und zuverlässige Methode, um Zeta-Potentiale zu bestimmen.

Während der sinusförmigen Oszillation der Elektrolytlösung verändert sich der erzeugte Druckunterschied Δp rapide. Zu jedem erzeugten Druck wird das entsprechende Strömungspotential Ustr gemessen. Zusammen mit Elektrolytspezifischen Parametern kann das Zeta-Potential ζ über die Helmholtz-Smoluchowski Gleichung bestimmt werden:

Helmholtz-Smoluchowski Gleichung

Dabei ist η die Viskosität, εr die relative Permittivität des Elektrolyt, ε0 die elektrische Feldkonstante und κ die Leitfähigkeit.

Oszillatorische bidirektionale Strömungspotentialanalyse
Die von DataPhysics Instruments patentierte Messmethode nutzt einen oszillatorischen Fluss der Elektrolytlösung durch oder entlang der Probe und stellt die Basis für den innovativen Zeta-Potential Analysator ZPA 20 dar. Das Strömungspotential und der momentan angelegte Druck werden zusammen mit der Temperatur, der Leitfähigkeit und dem pH-Wert des Elektrolyt gemessen. Dank des großen Bereichs anwendbarer Frequenzen und Amplituden ist eine schnelle und präzise Messung gewährleistet.

Durch manuelle oder automatisierte Dosierung von Flüssigkeiten direkt in die Elektrolytkammer, können die Eigenschaften des Elektrolyt wie pH-Wert, Leitfähigkeit oder Tensid-Konzentration geändert werden. Dank der ständigen oszillatorischen Bewegung des Elektrolyt ist eine schnelle Einstellung des Gleichgewichtszustandes gewährleistet. So können selbst schnelle Adsorptions- oder Reaktionsprozesse beobachtet werden.

Schematischer Messaufbau des Zeta-Potential Analysator ZPA 20

Um den industriellen Fertigungsprozess von Textilien zu optimieren, haben Reischl et al. die Adsorption von Tensiden auf Polymerfasern untersucht. Dank des schnellen Messsystems gelang es die Adsorptionskinetik des Tensids zu messen, was mit konventionellen Methoden, die das Zeta-Potential im Gleichgewichtszustand messen, nicht möglich wäre. Zunächst wurde die pH-Abhängigkeit des Zeta-Potentials und der Isoelektrische Punkt (IEP) für drei verschiedene Textilfasern bestimmt. Anschließend wurde das Adsorptionsverhalten für fünf Tenside, die typischerweise in der Textilindustrie eingesetzt werden, unter Gleichgewichtsbedingungen bestimmt.

Außerdem wurde die Kinetik der Tensid-Adsorption bestimmt (vgl. Abbildung). Nach einer Messzeit von 10 s wurde ein kationisches Tensid hinzugefügt und der Gleichgewichtszustand nach weiteren 50 s erreicht. Die Adsorption Kinetik spielt eine entscheidende Rolle bei der Prozessentwicklung und -optimierung. Die Suche nach passenden Tensiden für neue Prozesse oder die Anpassung an neue Tenside und Textilfasern profitieren immens vom Verständnis des Adsorptionsverhaltens.

Diese Studie zeigt, dass die Strömungspotentialanalyse mit oszillatorischem Fluss der Elektrolytlösung eine schnelle und zuverlässige Methode mit hohen Durchsatzraten, für die Bestimmung des Zeta-Potentials von Fasern ist. Außerdem ist es möglich zeitabhängige Änderungen des Zeta-Potentials auf kleinsten Zeitskalen zu beobachten, was zuvor nicht möglich war.

Schnelle Änderung des Zeta-Potentials kationisierter Zellulosefasern nach Zugabe eines kationischen Tensids bei t=10 s.

Schnelle Änderung des Zeta-Potentials kationisierter Zellulosefasern nach Zugabe eines kationischen Tensids bei t=10 s.