Partikelabscheidung

Amelie Konradi Juli 26, 2016 P 1 0
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Partikelabscheidung ist die spontane Befestigung der Partikel an die Oberfläche. Die Partikel sind in der Regel kolloide Teilchen, während die beteiligten Oberflächen können planar, gekrümmt oder kann Teilchen viel größer sind als die Abscheidung Einsen zu repräsentieren. Abscheidungsverfahren kann durch geeignete hydrodynamischen Strömungsverhältnisse und günstige Korn-Oberflächenwechselwirkungen ausgelöst werden. Abscheiden von Teilchen können nur bilden eine Monoschicht, die weiter hemmt zusätzliche Partikelabscheidung und damit eine bezieht sich auf die Oberfläche blockieren. Zunächst befestigt Teilchen können auch als Keime für die weitere Ablagerung von Partikeln, die zur Bildung von dickeren Partikelablagerungen führt, und dieser Prozess wird als Oberflächen Reifung oder Fouling bezeichnet dienen. Während Abscheidungsprozesse sind in der Regel irreversibel, kann anfänglich abgeschiedenen Partikel auch zu lösen. Das letztere Verfahren wird als Partikelfreisetzung bekannt und wird oft durch die Zugabe von geeigneten Chemikalien oder Änderung der Strömungsbedingungen ausgelöst.

Mikroorganismen können auf Oberflächen in einer ähnlichen Weise als kolloidale Teilchen abzuscheiden. Möglich, Makromoleküle, wie etwa Proteine, Polymere oder Polyelektrolyte befestigen Oberflächen eher nennt man diesen Prozess Adsorption. Während die Adsorption von Makromolekülen weitgehend ähnelt Partikelabscheidung können Makromoleküle im Wesentlichen während der Adsorption zu verformen. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich hauptsächlich mit Partikelabscheidung aus Flüssigkeiten, aber ähnlicher Prozess tritt auf, wenn Aerosole oder Staubablagerungen aus der Gasphase.

Anfangsphase

Ein Partikel kann auf eine Oberfläche in ruhigen Bedingungen zu diffundieren, aber dieses Verfahren ist ineffizient, da eine dicke Sperrschicht entwickelt, was zu einer fortschreitenden Verlangsamung der Abscheidung führt. Wenn Teilchenablagerung effizient ist, schreitet sie fast ausschließlich in einem System unter Fluss. Unter solchen Bedingungen wird die hydrodynamische Strömung der Teilchen nahe der Oberfläche zu transportieren. Sobald ein Teilchen in der Nähe der Oberfläche, wird es spontan zu befestigen, wenn die Teilchen-Oberflächen-Wechselwirkungen sind attraktiv. In dieser Situation spricht man günstige Abscheidebedingungen. Wenn die Interaktion ist abstoßend in größeren Abständen, aber attraktiven bei kürzeren Entfernungen wird Abscheidung immer noch auftreten, aber es wird verlangsamt werden. Eine bezieht sich auf ungünstige Ablagerungsbedingungen hier. Die Anfangsstufen der Abscheidung Prozess kann mit dem Geschwindigkeitsgleichung beschrieben werden

wobei Γ ist die Anzahldichte der abgeschiedenen Teilchen ist, t die Zeit, c die Konzentration der Partikelanzahl und k die Abscheiderate Koeffizienten. Der Geschwindigkeitskoeffizient hängt von der Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsgeometrie und die Wechselwirkungspotential der Ablagerungspartikel mit dem Substrat. In vielen Situationen kann dieses Potenzial durch eine Überlagerung von attraktiven van der Waals-Kräften und abstoßenden elektrischen Doppelschicht Kräfte angenähert werden und kann durch DLVO-Theorie beschrieben werden. Wenn die Ladung der Teilchen mit dem gleichen Vorzeichen wie das Substrat wird Abscheidung günstiger bei hohen Salzgehalt, während es ungünstig bei niedrigeren Salzgehalt sein. Wenn die Ladung der Teilchen ist das entgegengesetzte Vorzeichen wie das Substrat ist Abscheidung günstiger für alle Salzgehalt, und man beobachtet eine geringe Verbesserung der Abscheidungsrate mit abnehmender Salzgehalt aufgrund der anziehenden elektrostatischen Doppelschicht Kräfte. Anfangsstufen der Abscheidung relativ ähnlich zu den frühen Stadien der Partikel heteroaggregation, wobei eines der Partikel wesentlich größer als die andere.

Blockierung

Bei der Hinterlegung Partikel gegenseitig abstoßen, wird die Abscheidung durch die Zeit zu stoppen, wenn genug Partikel abgeschieden. An einer Stelle wird eine solche Oberflächenschicht keine Partikel, die noch versucht, zu hinterlegen machen kann abzuwehren. Die Oberfläche wird gesagt, gesättigten oder durch die abgelagerten Partikel blockiert. Das Sperrverfahren kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden

wobei B die Oberflächensperrfunktion. Wenn es keine abgesetzten Teilchen, Γ = 0 und B = 1. Mit zunehmender Anzahl Dichte abgeschiedenen Partikel, nimmt die Sperrfunktion. Die Oberfläche sättigt bei Γ = Γ0 und B = 0. Das einfachste Blockierfunktion

und wird als der Langmuir Sperrfunktion bezeichnet wird, wie es ist mit dem Langmuir-Isotherme verwandt.

Die Sperrprozess wurde im Detail in Bezug auf die Zufalls sequentielle Adsorption Modell untersucht. Die einfachste RSA-Modell, um die Abscheidung von sphärischen Teilchen bezogen ist der Auffassung, irreversible Adsorption von Kreisscheiben. Eine Festplatte nach der anderen wird nach dem Zufallsprinzip an einer Oberfläche platziert. Sobald eine Festplatte platziert wird, klebt es an der gleichen Stelle, und kann nicht entfernt werden. Wenn ein Versuch unternommen, um eine Scheibe deponieren würde in einer Überlappung mit einem bereits abgelegten Disk führt, wird dieser Versuch verworfen. Bei diesem Modell wird die Oberfläche zunächst schnell gefüllt, aber desto mehr je langsamer die Oberfläche gefüllt wird Sättigung nähert. Innerhalb der RSA-Modell wird die Sättigung als Stau bezeichnet. Für kreisförmige Scheiben tritt Verklemmen mit einer Bedeckung von 0,547. Wenn die Abscheidung Teilchen polydisperse können viel höhere Flächendeckung erreicht werden kann, da die kleinen Teilchen in der Lage, in die Löcher zwischen den größeren abgeschiedenen Partikel abzuscheiden. Andererseits können stabartige Teilchen viel kleiner Abdeckung führen, da einige fehl Stäbe können einen großen Bereich der Oberfläche zu blockieren.

Da die Abstoßung zwischen den Teilchen in wäßrigen Suspensionen stammt von elektrischen Doppelschichtkräfte, die Anwesenheit von Salz hat einen wichtigen Einfluss auf die Oberflächenblockierung. Für kleine Partikel und salzarme, wird die diffuse Schicht weit über die Partikel zu verlängern, und schaffen damit eine Sperrzone um ihn herum. Daher wird die Oberfläche bei einer wesentlich geringeren Reichweite als das, was auf der Grundlage des RSA-Modell erwartet werden blockiert. Bei höheren Salz und für größere Partikel, ist dieser Effekt weniger wichtig, und die Abscheidung kann auch durch die RSA-Modell beschrieben werden.

Reifende

Wenn die Abscheidung von Teilchen gegenseitig anziehen, werden sie gleichzeitig zu hinterlegen und zu aggregieren. Diese Situation wird in einer porösen Schicht von Partikelaggregate auf der Oberfläche hergestellt führen und wird als Reifung bezeichnet. Die Porosität dieser Schicht wird davon abhängen, ob die Partikelaggregationsprozeß schnell oder langsam ist. Langsame Aggregation wird zu einer kompakteren Schicht führen, während schnelle Aggregation zu einer porösen ein. Die Struktur der Schicht wird die Struktur der in den späteren Stadien des Aggregationsprozesses gebildeten Aggregate ähneln.

Versuchstechnik

Partikelabscheidung kann durch verschiedene experimentelle Techniken folgen. Direkte Beobachtung der abgelagerten Partikel ist mit einem optischen Mikroskop, Raster-Elektronenmikroskop oder das Atomkraftmikroskop möglich. Optische Mikroskopie hat den Vorteil, dass die Ablagerung von Partikeln können in Echtzeit von Videotechniken verfolgt werden, und die Folge von Bildern kann quantitativ ausgewertet werden. Andererseits ist die Auflösung der optischen Mikroskopie erfordert, dass die Partikelgröße untersucht mindestens 100 nm übersteigt.

Eine Alternative ist die Oberfläche zu verwenden empfindliche Techniken zur Ablagerung von Partikeln zu folgen, wie Reflektivität, Ellipsometrie, Oberflächenplasmonresonanz oder Quarzkristallmikrowaage. Diese Techniken liefern Informationen über die Menge an Teilchen als eine Funktion der Zeit mit guter Genauigkeit abgelegt, aber sie erlauben keine Information über die seitliche Anordnung der Teilchen zu erhalten.

Ein weiterer Ansatz zur Partikelablagerung zu studieren ist, ihre Transport in einer chromatographischen Säule zu untersuchen. Die Säule wird mit larges Teilchen oder mit einem porösen Medium zu unter verpackt. Anschließend wird die Säule mit dem Lösungsmittel gespült, um untersucht werden, und die Suspension der kleinen Teilchen wird am Säuleneingang injiziert. Die Teilchen werden am Ausgang mit einem Standard-chromatographischen Detektor detektiert. Wenn Teilchen Ablagerung in das poröse Medium, werden sie nicht an dem Auslass zu gelangen, und aus der beobachteten Differenz der Abscheidungsrate Koeffizienten abgeleitet werden.

Aktualität

Partikelabscheidung erfolgt in zahlreichen natürlichen und industriellen Systemen. Einige Beispiele sind unten angegeben.

  • Beschichtungen und Oberflächenfunktionalisierung. Lacken und Klebstoffen oft konzentrierten Suspensionen von kolloidalen Teilchen, und um auch auf der Oberfläche haften die Teilchen an der betreffenden Oberfläche abzuscheiden. Ablagerungen von einer Monoschicht von kolloidalen Teilchen können zum Strukturieren der Oberfläche auf einem um oder nm Maßstab verwendet werden, bezeichnet ein Verfahren, das als Kolloidlithographie.
  • Filter und Filtrationsmembranen. Als Partikelabscheidung, um Filter oder Filtrationsmembranen, führen sie zu Poren verstopfen eine Membranverschmutzung. Bei der Gestaltung von gut funktionierenden Membranen müssen Partikelablagerung vermieden werden, und die ordnungsgemäße Funktionalisierung der Membranen ist von wesentlicher Bedeutung.
  • Hinterlegung von Mikroorganismen. Mikroorganismen können in ähnlicher Weise zu kolloidalen Teilchen abzuscheiden. Diese Abscheidung ist eine gewünschte Phänomen in unterirdischen Gewässern, wie der Grundwasserleiter filtert schließlich injiziert Mikroorganismen während der Grundwasseranreicherung. Auf der anderen Seite ist eine solche Abscheidung höchst unerwünscht an der Oberfläche der menschlichen Zähne, da sie die Entstehung von Zahnbelag darstellen. Hinterlegung von Mikroorganismen ist auch bei der Bildung von Biofilmen relevant.
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