Elektrochemische Doppelschicht und Zeta-Potential

Ionen in einer polaren Flüssigkeit werden von polarisierten Molekülen des Lösemittels umgeben. Im Fall von Wasser wird diese Anordnung hydratisierte Ionen genannt.

Die meisten Oberflächen bilden eine Oberflächenladung aus, wenn sie mit Flüssigkeiten in Kontakt kommen. Die Oberflächenladung kann durch verschiedene Prozesse zustande kommen wie Ionen Adsorption sowie Protonierung oder Dissoziation von funktionellen Gruppen. Die Oberflächenladung erzeugt ein elektrisches Feld, welches Gegenionen in der Flüssigkeit an die Oberfläche zieht.

Vor der Oberfläche bildet sich die sogenannte elektrochemische Doppelschicht aus, die aus einer immobilen und einer diffusen Schicht besteht. Die immobile Schicht besteht aus der inneren Helmholtz-Schicht (IHP) und der äußeren Helmholtz-Schicht (OHP). Die IHP wird durch spezifisch adsorbierte Ionen, die auf kurzer Distanz sehr stark an die Oberfläche gebunden sind, definiert. Diese Ionen sind teilweise dehydratisiert.

Auf diese Schicht aus spezifisch adsorbierten Ionen folgen Gegenionen die nicht spezifisch adsorbiert und vollständig hydratisiert sind. Dies definiert die OHP. Auf die immobile Schicht folgt die mobile diffuse Schicht mit hydratisierten Koionen und Gegenionen. Die Anzahldichte der Ionen wird durch die Oberflächenladung beeinflusst und nimmt mit dem Abstand zur Oberfläche ab. Zusätzlich zum elektrostatischen Potential der immobilen Schicht erfahren die Ionen in der diffusen Schicht die Brownsche Bewegung. Da die Ionen in der diffusen Schicht nicht an die Oberfläche gebunden sind, können sie durch einen Flüssigkeitsfluss, abgeschert werden.

Das elektrische Potential entlang der Doppelschicht kann ebenfalls unterteilt werden. Entlang der immobilen Schicht wird davon ausgegangen, dass der Wert des Potentials linear abnimmt. In der diffusen Schicht wird das elektrische Potential durch eine Boltzmann Verteilung definiert.

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.

Erste oszillatorische bidirektionale Strömungspotentialanalyse der Welt

Die von DataPhysics Instruments patentierte Messmethode nutzt einen oszillatorischen Fluss der Elektrolytlösung durch oder entlang der Probe. 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. Die Methode hat die folgenden Vorteile:

• Oszillation mit Frequenzen bis zu 0,5 Hz ermöglichen eine hohe statistische Qualität der Daten, durch die Aufzeichnung von 60 Druckrampen in nur 60 s
• Oszillatorischer Fluss der Elektrolytlösung verhindert Polarisationseffekte auf den Messelektroden
• Kleine mit Elektrolyt in Kontakt stehende Fläche (keine Schläuche, keine extra Behälter) gewährleistet eine einfache vollständige Reinigung und verhindert Kreuzkontamination
• Offene Bauweise erlaubt schnelle Durchmischung und Datenerfassung bei zeitabhängigen ζ-Potential Messungen für Studien der Adsorption und Kinetik
• Offene Bauweise erlaubt Anpassungen durch Zusätze wie Spektrometer für simultane Erfassung von Konzentrationsänderungen und Strömungspotential
• Messzellen können außerhalb des Systems präpariert und befüllt werden was simultane Messung und Probenpräparation ermöglicht
• Unerreichte Reproduzierbarkeit bei der Probenpräparation von Fasern und Pulvern durch kontrollierte Packungsdichte mit einem Drehmomentschlüssel
• Transparente Messzelle erleichtert das Erkennen möglicher Defekte wie Luftblasen im System
• Hochsensible Messungen dank großer Elektrodenflächen, um selbst kleinste Änderungen der Oberflächeneigenschaften zu erkennen

ZPA 20

Der Zeta-Potential Analysator ZPA 20 ist ein kompaktes Messgerät, das die patentierte bidirektionale oszillatorische Strömungspotentialanalyse nutzt. Es ist für genaue und schnelle Messungen des Zeta-Potentials auf verschiedenen makroskopischen Festkörperproben konstruiert.

Der ZPA 20 verwendet herausnehmbare Messzellen für verschiedene Materialarten. Daher können plattenförmige Proben sowie Fasern und Pulver einfach präpariert und in das System eingebracht werden. Eine konsistente Packungsdichte der Pulver und Fasern wird mithilfe eines Drehmomentschlüssels gewährleistet. Der ZPA 20 verfügt über Messsensoren für Spannung, Strom, Leitfähigkeit, pH-Wert, Druck und Temperatur.

Dank seines leistungsstarken Schrittmotors kann der ZPA 20 oszillatorische Flüsse des Elektrolyt mit Frequenzen von bis zu 0,5 Hz erzeugen und somit das Zeta-Potential mit einer hohen statistischen Sicherheit und über eine Vielzahl an angelegten Drücken innerhalb einer Minute messen.

Konzentrationsabhängige Messungen können mit dem optionalen Flüssigkeitsdosiersystem LDU 25 realisiert werden. So kann z.B. der isoelektrische Punkt automatisiert bestimmt werden, indem Basen oder Säuren zur Elektrolytlösung dosiert und damit der pH-Wert geändert wird.

Hauptmerkmale

• patentierte bidirektionale oszillatorische Strömungspotentialanalyse
• leistungsstarker Schrittmotor für Oszillationen mit bis zu 0.5 Hz
• Messsonden für Spannung, Stromstärke, Leitfähigkeit, pH-Wert, Druck und Temperatur
• Typische Messdauer für einzelne Zeta-Potentiale unter 1 Minute
• optionales Flüssigkeitsdosiersystem LDU 25 für automatisierte Änderung des pH-Werts oder anderer Konzentrationsänderungen
• Messzellen für Fasern, Pulver & granuläre Materialien oder für plattenförmige Festkörperproben

Software

Der ZPA 20 wird über die ZPASoftware gesteuert. Erfahren Sie mehr über die Software für den ZPA 20.

Zubehör

Der ZPA 20 kann mit Messzellen für verschiedenste Materialien verwendet werden. Mit dem Flüssigkeitsdosiersystem LDU 25 können Konzentrationen, wie z.B. der pH-Wert, im Elektrolyt automatisiert geändert werden. Erfahren Sie mehr über das verfügbare Zubehör.

ZPA brochurefile_download