KOLLOİTLER YÜZEY YÜKÜ ZETA POTANSİYEL. Prof. Dr. Murat Erdemoğlu

Transkript

1 KOLLOİTLER YÜZEY YÜKÜ ZETA POTANSİYEL Prof. Dr. Murat Erdemoğlu İnönü Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü Cevher Hazırlama Anabilim Dalı MALATYA

2 Konular Başlangıç Kolloidal sistemler, özellikleri, uygulamaları Kolloidal sistemlerin kararlılığı Yüzey yükü ve kaynakları Yüzey potansiyeli ve Zeta potansiyel Zeta potansiyel; ph ve İyonik şiddet etkisi Zeta potansiyel ölçüm yöntemleri Kapanış: Kolloidal sistemlerde Nano Ufuklar Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 2

3 ÇÖZELTİLER, KOLLOİDAL SİSTEMLER ÇÖZELTİ SİSTEMLERİ o o o o Çözünen tanecikleri ya iyoniktir ya da moleküler ölçülerdedir (< 0,05 nm) Sıradan gün ışığını geçirirler. Çözücü uzaklaştırılmadığı sürece kararlıdırlar. Dialitik yöntemlerle ayırılabilirler. KOLLOİDAL SİSTEMLER o o o o Çözünen (burada dağılmış faz denir) yani tanecikler tipik olarak nm ölçülerindedir. Küçüklerin birleşmesiyle oluşmuş Dev moleküller ya da Topaklar bulunabilir. Tam transparan değildirler, Tyndall Etkisi görülür. Dağılmış faz dağıldığı fazdan ultra filtrasyon yöntemleriyle- kolayca ayırılabilir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 3

4 KOLLOİDAL SİSTEMLER Tyndall Etkisi Gerçek Çözelti Kolloidal Sistem Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 4

5 Kolloidal Sistemler Bir madde, -fiziksel olarak başka haldeki (gaz, sıvı veya katı)- başka bir madde içerisinde çok ince tane boyunda dağıtılırsa, KOLLOİDAL SİSTEM elde edilmiş olur. Koloidal sistemler, bir DİSERSİYON ortamında uniform ve çok ince taneli olarak dağılmış bir FAZ dan meydana gelirler. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 5

6 Dispersiyonların Sınıflandırılması Sınıf Tane iriliği Örnekler Moleküler Dispersiyon Nano Dispersiyon < 1 nm Oksijen gazı, Sıradan iyonlar, Glukoz nm CuO, TiO 2, Al 2 O 3 nanosıvıları Kolloidal Dispersiyon İri Dispersiyon 1 nm 0,5 µm Kolloidal sistemler, Doğal ve Yapay polimer örgüleri > 0,5 µm Çamurlar, Farmasötik emülsiyonlar, Kırmızı kan hücreleri Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 6

7 Kolloidal Sistemler Dağılmış Madde Dağınılan Ortam Oluşan Sistem Katı Katı Katı süspansiyon Katı Sıvı Süspansiyon Katı Gaz Katı aerosol Sıvı Katı Katı emülsiyon Sıvı Sıvı Emülsiyon Sıvı Gaz Sıvı aerosol Gaz Katı Katı köpük Gaz Sıvı Köpük Gaz Gaz Hava Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 7

8 Kolloidal Sistemler SOL: Genelde katıların sıvı içerisindeki dispersiyonları için kullanılan bir terimdir. Ancak katı ya da gaz içerisindeki dispersiyonları için de kullanılır. Hidrosol : Suda dispersiyon Alkosol : Alkolde dispersiyon Aerosol : Havada dispersiyon GEL : Bir dizi sıcaklık ve derişim koşulları altında katı ya da yarı katı hale geçebilen KOLLOİDAL sistemdir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 8

9 Kolloidal Sistem Uygulamaları Uygulama Farmasötikler, Kozmetikler, Mürekkepler, Boyalar, Gıdalar, Yağlama, Gıda ürünleri, Boyarmaddeler, Köpükler, Zirai kimyasallar Fotograf ürünleri, Seramikler, Kağıt kaplamaları, Manyetik ortamlar, Katalizörler, Kromatografik adsorbanlar, Membran ve lateks film, Elektrofotografik tonerler Tozların ıslatılması, Petrol kazanım deterjanları, Cevher mineral flotasyonu, Adsorbsiyonla saflaştırma, Elektrolitik kaplama, Kimyasal atık kontrolü, elektrofotografi, litografi Çamur pompalama, Kaplama teknolojisi, Topaklama, Toz akışı, Filtrasyon Atık uzaklaştırma, Aerosollerin çözülmesi, kirlilik kontrolü, Bira ve şarap saflaştırma, Radyoaktif atık uzaklaştırma, İstenmeyen köpüklerin ve emülsiyonların parçalanması Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel Prensip Kolloid oluşturma ve stabilizasyon Son mamül üretiminde kullanım için kolloid oluşturma Kolloidal sistemlerin doğrudan uygulanması Kolloidlerin eldengeçirim özellikleri, Reoloji, Sinterleme İstenmeyen kolloidal sistemlerin yıkımı 9

10 Kolloidal Sistemlerin Kararlılığı Dispersiyondaki tanecikler birbirlerine tutunarak topaklar oluşturabilirler. Tane boyunun bu şekilde artışı çökelmeye (sedimentation) yol açar. Başlangıçta oluşan kümeye TOPAK (floc) ve topak oluşumuna da TOPAKLANMA (flocculation) denir. Topaklar daha sıkı bir biçime dönüşürlerse PIHTILAŞMA (coagulation) ortaya çıkar. Boris Derjaguin, Lev Landau, Evert Verwey ve Teo Overbeek koloidal kararlılık hakkında, günümüzde çok meşhur ve kullanışlı bir teori (DLVO) geliştirdiler. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 10

11 Evert Verwey Teo Overbeek Lev Davidovich Landau 11

12 Kararlılık Teorisi Koloidal bir sistemin kararlılığını, Elektriksel çift tabaka itme ve Van der Waals çekme kuvvetlerinin toplamı belirler. V Toplam = V çekme + V itme + (V potansiyel ) Teori, itme kuvvetlerinden kaynaklanan bir enerji bariyerinin taneciklerin birbirlerine yaklaşmasını ve birlikte topaklanmalarını engellediğini ileri sürer. Ancak, eğer tanecikler, bu bariyeri yenecek kadar yeterli bir enerjiyle çarpışırlarsa, çekme kuvvetleri, tanecikleri tersinmez olarak tutunacakları bir temas noktasına doğru çekecektir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 12

13 Kararlılık 10 mmol/l 100 mmol/l Colloidal stability of magnetite sols at ph 4 exposed to the weak magnetic field of Nd Fe B permanent magnet between the sample vials, Pictures taken after 10 s exposure at NaCl concentration 10 (left) and 100 (right) mmol/l. V Total = V Attraction + V Repulsion + V Magnetic E. Illés, E. Tomb{cz / Journal of Colloid and Interface Science 295 (2006) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 13

14 Flokülasyon Sedimantasyon Kararlı Sistem Koagülasyon Flokülasyon Sedimantasyon Koagülasyon Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 14

15 Kolloidal Kararlılık Koloidal Kararlılığın Sağlanması Taneler arasında çekme kuvvetine karşı itme kuvvetinin daha fazla olması gerekir. Koloidal kararlılığı etkileyen iki temel mekanizma vardır: Polimerik itme ve Elektrostatik itme. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 15

16 Polimerik stabilizasyon o Sisteme, çekici van der Waals kuvvetlerine karşı koyup, tanelerin birbirlerini itmesini sağlayan polimerler eklenir. o Ancak daha sonra istendiğinde flokülasyon zor olabilir. o İki yolla sağlanabilir: o Sterik stabilizasyon : Polimerin kolloid yüzeyine tutturulduğu/adsorblandığı sistemler o Deplesyon stabilizasyon : Sistemde serbest dolaşabilen polimerlerin bulunduğu sitemler Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 16

17 Tipik Sterik Stabilizasyon Polimerleri Sulu Dispersiyonlar Bağlayıcı polimer Stabilize eden kısım polystyrene poly(oxyethylene) poly(vinyl acetate) poly(vinyl alcohol) poly(methyl methacrylate) poly(acrylic acid) poly(acrylonitrile) poly(methacrylic acid) poly(dimethylsiloxane) poly(acrylamide) Sulu Olmayan Dispersiyonlar Bağlayıcı polimer Stabilize eden Kısım poly(acrylonitrile) Poly(styrene) poly(oxyethylene) poly(lauryl methacrylate) poly(ethylene) poly(12-hydroxystearic acid) poly(propylene) polydimetoxysiloxane) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 17

18 Yüzey Yükü Kolloidal sistemlerin kararlılığını koloidal tanecikler arasındaki elektriksel etkileşimin şiddeti, bu şiddeti ise tanecik yüzeyindeki yük türü ve yoğunluğu belirler. Yüzey yükünün, taneciğin ve onu çevreleyen ortamın doğasına bağlı olarak bir çok kaynağı vardır. Bunlardan başlıcaları, Yüzey gruplarının iyonlaşması İyonların diferansiyel kaybı Yüklü türlerin adsorbsiyonu ve Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 18

19 Yüzey Yükü Yüzey gruplarının iyonlaşması o Yüzeydeki asidik grupların ayrışması yüzeyi negatif yüklü yapar. o Yüzeydeki bazik grupların ayrışması yüzeyi pozitif yüklü yapar. o Yüzey yükünün büyüklüğü, yüzey gruplarının asidik ya da bazik şiddetine ve çözelti ph ına bağlıdır. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 19

20 Yüzey Yükü İyonların Farklı (diferansiyel) Kaybı o Bir AgI kristali, suda çözünmeye başlar. o Eşit miktarlarda Ag+ ve I- iyonları çözünseydi, yüzey yüksüz olurdu. o Ama Ag + iyonları tercihli olarak çözünerek, tanecik yüzeyini negatif yüklü bırakırlar. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 20

21 Yüzey Yükü Yüklü Türlerin Adsorbsiyonu o Katyonik yüzey aktif maddeler pozitif yüklü yüzeye yol açarlar. o Anyonik yüzey aktif maddeler negatif yüzey yüküne yol açarlar. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 21

22 Yüzey Yükü Ayrıca Yüzey İyonlarının Yer değiştirmesi ve Anizotropik Kristal Yapısı (Kaolinit, montmorillonit, pirofillit vd.) Si-OH + H + Si-OH 2 + ve Al-OH + H + Al-OH 2 + Si-OH + OH - Si-O - + H 2 O ve Al-OH + OH - Al-O - + H 2 O nedeniyle de katı yüzeyinde yük oluşur. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 22

23 Yüzey Yükü Ayrıca Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 23

24 Yüzey Yükü Ayrıca Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 24

25 Elektriksel Çift Tabaka Tanecik yüzeyinde bir elektrik yükünün oluşumu, taneciği çevreleyen ortamla arayüzeydeki iyonların dağılışını etkiler. Bu durum, yüzeye yakın bölgede, tanecik yüzeyindekiyle zıt yüklü iyonların (counter ions) derişiminde artışa yol açar. Böylece, dispersiyon içerisindeki taneciklerin çevresinde bir ELEKTRİKSEL ÇİFT TABAKA oluşur. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 25

26 Zeta Potansiyel Taneciği çevreleyen sıvı tabakası iki parçadan oluşur: İyonların tanecik yüzeyine sıkıca tutunduğu İÇ BÖLGE (Stern Tabakası) ve iyonların daha gevşek olarak tutunduğu DIŞ BÖLGE (Dağılmış tabaka). Bu dağılmış tabaka içerisinde, kayma (slipping) düzlemi olarak bilinen soyut bir sınır vardır ve bu sınırdan itibaren tanecik TEK BİR NESNE olarak davranır. Bu sınırdaki potansiyele Zeta Potansiyel denir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 26

27 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 27

28 Çift Tabaka Kalınlığı, 1/ Düşük yüzey potansiyellerinde (< 25 mv) çift tabaka kalınlığı (1/ ) teorik olarak aşağıdaki eşitlikle hesaplanır. e : elementer yük (C) n : iyon sayısı : dielektrik sabiti 0 : vakum geçirgenliği k : Boltzman sabiti (J/K) T : sıcaklık (T) 1 0 kt 2 n ei ci z i 1 Elektriksek çift tabaka kalınlığı, sistemdeki elektrolit derişimiyle (c) ve ortamdaki iyonların değerliğinin (z) karesiyle ters orantılıdır. 2 i 1 2 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 28

29 Çift Tabaka Kalınlığı 1 0 kt 2 ei ci z 2 i 1 2 Elektrolit derişimi Çift tabaka kalınlığı, 1/, nm 1:1 (MX) 1:2 (MX 2 ) 2:2 (MX) 1:3 (MX 3 ) 2:1(M 2 X) 3:1 (M 3 X) 1x ,4 17,6 15,2 15,2 13,6 2:3 (M 2 X 3 ) 3:2 (M 3 X 2 ) 1x10-3 9,6 5,7 4,81 4,81 4,30 1x10-2 3,0 1,76 1,52 1,52 1,36 1x10-1 0,96 0,56 0,48 0,48 0,43 1 0,30 0,18 0,15 0,15 0,14 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 29

30 Zeta Potansiyel Zeta Potansiyel, bir taneciğin bir dispersiyonda kazandığı net yüktür. Simgesi,, birimi Volt tur. +30 mv 0 mv -30 mv KARARLI KARARSIZ KARARLI Zeta potansiyelin büyüklüğü, kolloidal sistemin kararlılığının bir göstergesidir. Tüm tanecikler çok büyük negatif ya da pozitif zeta potansiyele sahipse, tanecikler birbirini iterler ve dispersiyon kararlı olur. Tanecikler düşük zeta potansiyele sahipse taneciklerin bir araya toplanmasını engelleyecek kuvvet bulunmadığından dispersiyon kararsızlığı (topaklanma ve çökelme) oluşur. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 30

31 Zeta Potansiyel KARARLI ve KARARSIZ sulu dispersiyon arasındaki ayırım, genellikle ya +30 ya da -30 mv değerleriyle yapılır. +30 mv dan daha pozitif zeta potansiyel değeri olan tanecikler KARARLI olarak kabul edilir. -30 mv dan daha negatif zeta potansiyel değeri olan tanecikler KARARLI olarak kabul edilir. +30 mv 0 mv -30 mv KARARLI KARARSIZ KARARLI Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 31

32 Zaman Zeta Potansiyelin Süspansiyon Özelliklerine Etkisi Yüksek Çok iyi Dağılmış ZETA POTANSİYEL Zayıfça Topaklanmış Düşük Kuvvetlice Topaklanmış Yüksek Düşük Düşük Yüksek Kolloid Kararlılığı Çökelme Kararlılığı Viskozite Maksimum Katılar Düşük Yüksek Yüksek Düşük Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 32

33 Zeta Potansiyel ve ph Zeta potansiyeli etkileyen en önemli etken ph dır. Taneciğin çevresinin özellikleri (ph, iyonik şiddet, diğer maddelerin derişimi) belirtilmeden söylenen bir zeta potansiyel değerinin hiçbir anlamı yoktur. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 33

34 Zeta Potansiyel ve ph o Bir süspansiyon içerinde Zeta Potansiyel değeri NEGATİF olan bir tanecik VAR SAYALIM. o Süspansiyona BAZ eklendikçe tanecik daha çok negatif yük kazanma eğiliminde olur. o Bu süspansiyona ASİT eklenmeye başlanırsa yükün nötürleştiği bir ph noktasına ulaşılır. o o Daha fazla asit eklenmesi, taneciğin pozitif yük kazanmasına yol açar. Genelde, Zeta Potansiyel ph eğrisi, düşük ph da pozitif ve yüksek ph da negatif değerler kazanır. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 34

35 Zeta Potansiyel ve ph o Eğrinin SIFIR ZETA POTANSİYEL değerinden geçtiği bir nokta bulunabilir. o Bu nokta EŞ ELEKTRİK NOKTASI (Isoelectric point, iep) olarak da tanımlanır ve pratik bakımdan çok önemlidir. o Eş elektrik noktası kolloidal sistemin en kararsız olduğu ph değeri anlamına gelir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 35

36 Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 Çeşitli KNO 3 çözeltilerde doğal MANYETİT mineralinin zeta potansiyel ph eğrisi ph 4 den düşükse ya da 8 den büyükse kararlılığı sağlayacak yeterli kuvvet VARDIR demektir. Ancak, sistemin ph ı 4 ve 8 arasındaysa dispersiyon kararsız olmaktadır. Bu kararsız durum ph 5 civarında (IEP) daha da belirgin olmaktadır. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 36

37 Manyetit (FeO.Fe 2 O 3 ) Yüzey yükü Sulu sistemlerde, demir oksit tanecikleri hidratlanır, Yüzeyi, Fe-OH grupları kaplar. Çözeltinin ph ına bağlı olarak, Tanecik yüzeyinde Fe-OH kenarları H + ya da OH - iyonlarıyla tepkiyebilirler. Böylece, yüzeyde pozitif (Fe-OH 2+ ) ya da negatif (Fe-O - ) yük meydana gelir. Fe OH + H + Fe OH 2 + ya da Fe OH Fe O - + H + Fe OH + OH - Fe O - + H 2 O Fe 3 O 4 Altı çizili simgeler tanecik yüzeyindeki türü işaret etmektedir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 37

38 Zeta potential, mv Zeta Potansiyel ve ph 20 0 ph IEP Final ph Pirofillit (Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 ) mineralinin ph a bağlı zeta potansiyel değişimi. (Distile su içersinde disperse) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 38

39 Maddenin 0 Noktası Al 2 O 3 Tanım Tuz T Yöntem ph 0, >%99 0,1 M NaCl 25 ph 9,3 α, A16 Alcoa Yok IEP 8 Riedel Haen, %98 0,01 M KCl 20 IEP 8, Küre, NanoTek 0,01 M NaCl IEP 9,6, Aldrich, meso- 0-0,1 M NaCl CIP 9,1, Merck 0,1 M NaNO 3 25 CIP 8,2 Fisher 0-0,1 M NaCl CIP 8,7 İzopropoksitten Yok 20 IEP 8,7 Sec-butoksitten 0,001-0,1 M KNO 3 25 CIP 8,6 α, Safir 0,001 M KBr, KNO 3 IEP 5 M. Kosmulski, J. Colloid and Interface Science 275 (2004) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 39

40 Maddenin 0 Noktası Fe 2 O 3 Tanım Tuz T Yöntem ph 0 Nitrattan 0,1 M NaNO 3 25 ph 8,5 Baker 0,001-0,1 M NaCl IEP 8,5 Hematit, Alfa 0,001 M KNO 3 25 ph 6,3 Aldrich, >%99 0,001; 0,01 M NaNO 3 IEP 8 Doğal, Amerika 0,01 M NaNO 3 IEP <4 Doğal, İtalya 0,01 M NaNO 3 IEP 6,8 0,01 M KNO 3 Yapay 0,01 M NaNO 3 0,01 M KNO 3 IEP 7,3 M. Kosmulski, J. Colloid and Interface Science 275 (2004) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 40

41 Maddenin 0 Noktası TiO 2 Tanım Tuz T Yöntem ph 0 Anataz, DT-51 0,001 M KNO 3 25 IEP 6,6 Degussa, anataz 0,001-0,1 M NaClO 4 25 CIP 6,15 İzopropoksitten 0,001 M KNO 3 IEP 5,5 P25 Degussa 0,001 M KNO 3 IEP 6,2 P25 Degussa 0-0,005 M NaCl IEP 6,7 7,2 P25 Degussa 0,001 M NaCl IEP 6 (TiCl 4 den) P25 Degussa 0,1 M NaClO 4 ph 6,4 M. Kosmulski, J. Colloid and Interface Science 275 (2004) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 41

42 Maddenin 0 Noktası Killer, Aktif Karbon Tanım Tuz T Yöntem ph 0 Kaolinit 0,001 M NaCl 25 ph 2,8 Kaolinit 0,01 M KNO 3 22 ph Varsa, < 2 Pirofillit Yok 25 IEP Varsa, < 2 Malatya Zeolitik tüf, Yok 22 IEP Varsa, < 2 Gördes Aktif Karbon 0,1 M NaCl 20 ph 7,5 CS-1501 Aktif Karbon RS ,1 M NaCl IEP 9,5 M. Kosmulski, J. Colloid and Interface Science 275 (2004) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 42

43 Zeta Potansiyel ve İyonik Şiddet Kararlı bir kolloidal sistemde koagulasyon başlatabilmek için gerekli en DÜŞÜK elektrolit derişimi Kritik Koagulasyon Derişimi (CCC) olarak tanımlanır. Schulze-Hardy Kuralı der ki, zıt iyonların (counter ions) CCC değeri, iyonun değerliğinin altıncı kuvvetiyle ters orantılıdır. 3, 2 ve 1 değerlikteki zıt iyonlar için bu kural, CCC oranının ya da kabaca 1 : 11 : 729 olduğunu söyler : 6 2 : Spesifik adsorbsiyon yokluğunda geçerli olan Schulze-Hardy Kuralı Zeta potansiyel ile İyonik şiddeti arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 43

44 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 44

45 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 45

46 Bazı elektrolitlerin koagulasyon derişimleri (CCC), mmol/l. Zıt yüklü İyon Değerliği Negatif yüklü As 2 S 3 solü Negatif yüklü Au solü Pozitif yüklü Fe(OH) 3 solü Monovalent LiCl 58 NaCl 9,25 NaCl 51 NaCl 24 ½BaCl 2 9,65 KNO 3 50 KNO 3 23 KNO 3 12 Divalent MgCl 2 0,72 CaCl 2 0,41 K 2 SO 4 0,205 MgSO 4 0,81 BaCl 2 0,35 MgSO 4 0,22 ZnCl 2 0,69 K 2 Cr 2 O 7 0,195 Trivalent AlCl 3 0,093 ½Al 2 (SO 4 ) 3 0,096 ½Al 2 (SO 4 ) 3 0,009 Ce(NO 3 ) 3 0,080 Ce(NO 3 ) 3 0,003 R.J. Hunter, Foundations of Colloid Science, 2nd ed. Oxford University Press, Oxford, 2001, Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 46

47 Zeta Potansiyel ve İyonik Şiddet Dispersiyonda çökelme, iyonların değerlik değerlerinin artışıyla artar. Hidrofilik tanecikleri çöktürme yeteneğine göre bazı anyon ve katyonların sıralaması şu şekilde olur: Hofmeister serisi? Katyonlar; Al 3+ > Mg 2+ > Ca 2+ > Sr 2+ > Ba 2+ > Li + > Na + > K + Anyonlar; PO 4 3- > SO 4 2- > Cl - > NO 3 - {Sitrat > Tartarat = > Asetat = } Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 47

48 Elektrolit Türü ve Derişimi Basit inorganik elektrolitlerin zeta potansiyel üzerinde etkisi, iyonların göreceli değerlik değerine ve derişimine bağlıdır. Bununla birlikte, elektrolitin katyon ve anyon değerlikleri oranına da bağlıdır. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 48

49 ζmanyetit - NaCl Bir 1:1 Elektrolit olan NaCl ün çift tabaka kalınlığı üzerindeki etkisi aşırı asidik ph değerlerinde görünür hale gelmektedir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 49

50 ζmanyetit MgCl 2 Bir 2:1 elektrolit olan MgCl 2 düşük derişimlerde bile zeta potansiyeli sıfıra yaklaştırmakla kalmaz, yüksek derişimlerinde zeta potansiyel eğrisi ikinci kez IEP değeri kazanır. Artan derişimlerde çift tabaka daha da fazla sıkıştırılmıştır. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 50

51 ζmanyetit AlCl 3 AlCl 3, bir 3:1 elektrolittir ve onun üç değerlikli katyonları, özellikle artan derişimlerde daha belirgin olarak zeta potansiyeli ani biçimde artırarak sıfırdan uzaklaştırırlar. Derişim artışıyla birlikte ph ın artmasıyla Al(OH) 2+ ; Al(OH) 2 1+ gibi kompleks iyonlar da çift tabaka üzerinde baskı yapmaya başlarlar. Düşük derişimlerde belirgin olmayan Al(OH) 3 çökelimi yüksek derişimlerde belirgin olur ve zeta potansiyel okumak olanaksız olur. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 51

52 ζpirofillit Pirofillit zeta potansiyeline KCl NaCl CaCl 2 MgCl 2 derişiminin etkisi. M. Erdemoğlu / Journal of Dispersion Science and Technology, 28: , 2007 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 52

53 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 53

54 ζmanyetit Ağır metaller ve Okzalat etkisi M. Erdemoğlu, M. Sarıkaya / Journal of Colloid and Interface Science 300 (2006) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 54

55 ζmanyetit Zeta Potansiyel Farkı = (Deiyonize suda) - (Çözeltide) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 55

56 ζmanyetit Adsorbsiyonun yeteneğinin göstergesi Diğerlerini de temsil edebilen Pb 2+ göz önüne alındığında eğrisi üç bölgeye ayrılabilir: I. de H 3 O + ve Pb 2+ arasında yarışma vardır. II. de, Pb(OH) + gibi hidroliz ürünleri oluşmaya başlar ve Pb adsorbsiyonu artar. III. Bölgede Pb türlerinin adsorbsiyonu azalmaya başlar. Adsorbsiyon gibi görünen aslında Pb(OH) 2 nin manyetit yüzeyinde çökelmesinden başka bir şey değildir. M. Erdemoğlu, M. Sarıkaya / Journal of Colloid and Interface Science 300 (2006) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 56

57 ζtio 2 - İyonik Olmayan Yüzey Aktif Madde TiO 2 zeta potansiyeline 4(1,1,3,3tetramethylbutyl)phenyl poly(ethylene glycol) (Triton X-100) etkisi 1- Yok; 2-7,74x10-5 ; 4-1,5x10-3 mol/l R. S. Petryshyn, Z. M. Yaremko, and M. N. Soltys, Colloid Journal, 2010, Vol. 72, No. 4, pp

58 ζtio 2 - Anyonik Yüzey Aktif Madde TiO 2 zeta potansiyeline sodium dodecylbenzenesulfonate (DBSNa) etkisi 1- Yok; 2-1,44x10-4; 5-2,87x10-3 mol/l R. S. Petryshyn, Z. M. Yaremko, and M. N. Soltys, Colloid Journal, 2010, Vol. 72, No. 4, pp

59 ζtio 2 - Katyonik Yüzey Aktif Madde TiO 2 zeta potansiyeline benzethonium chloride (BTC) etkisi 1- Yok; 2-1,12x10-4 ; 5-2,23x10-3 mol/l R. S. Petryshyn, Z. M. Yaremko, and M. N. Soltys, Colloid Journal, 2010, Vol. 72, No. 4, pp

60 ζtio 2 TiO 2 süspansiyonlarının ph ve Yüzey Aktif Madde derişimine bağlı Kararlı ve Kararsız bölgeleri a) sodium dodecylbenzene sulfonate b) benzethonium chloride R. S. Petryshyn, Z. M. Yaremko, and M. N. Soltys, Colloid Journal, 2010, Vol. 72, No. 4, pp

61 Zeta Potansiyel Ölçümü Kolloidal bir taneciğin bir sıvı faz içerisindeki davranışı zeta potansiyelinin işareti ve değerine bağlı olarak değişir. Kolloidin zeta potansiyelini ölçebilmek için onun sıvı içerisindeki elektrik alanı içerisindeki davranışının belirlenmesi gerekir. Yüklü bir yüzeyin sıvı faz içerisindeki hareketi dört elektrokinetik olguya dayalı olarak ölçülebilir: o Elektroforez o Elektroozmoz o Akış (streaming) potansiyeli o Sedimantasyon potansiyeli Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 61

62 Elektroforez Bir kolloidal çözelti içerisindeki tanecikler uygulanan bir elektrik alanının etkisi altında zıt yüklü elektrotlara doğru hareket ederler. Taneciğin hareket hızının (elektroforetik hareketlilik) ölçülmesi temeline dayanır. Elektroozmoz Uygulanan potansiyel ile elektrik yüklü tanecikler sıvının bağıl olarak hareket etmesini sağlarlar. Zeta potansiyel, sıvının bir zardan geçme hızının saptanmasıyla hesaplanır. Akış Potansiyeli Elektroozmozdan farklıdır. Sıvının tanecik yatağından geçmeye zorlanmasıyla potansiyel yaratılır. Gözlenen potansiyelin ölçülmesi temeline dayanır. Sedimantasyon potansiyeli Elektroforezin tersidir. Taneciğin çökelme sırasında oluşturduğu potansiyelin ölçülmesi temeline dayanır. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 62

63 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 63

64 Elektroforetik Hareketlilik Ölçümü Zeta Meter 3+ model zetametre Elektroforetik hareketlilik, ve Zeta Potansiyel, arasındaki bağıntı Smoluchowski Eşitliği 4 V D V t Sıvının viskozitesi D t, Sıvının dielektrik sabiti; bir sabit. t t İnönü Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 64

65 Elektroforetik Hareketlilik Ölçümü Malvern Nano ZS zetasizer tane boyu ölçer, moleküler ağırlık ölçer ve Zetametre Laser Doppler Micro-electrophoresis Zeta potansiyel ölçümünde Lazer Doppler Mikro-elektroforez yöntemi kullanılır. Uygulanan elektrik alanı içerisinde hareket eden taneciklerin hızı Lazer interforemetrik teknik denilen bir yolla (M3-Phase analysis Light Scattering) ölçülür. Prof.Dr. Hikmet Sayılkan İleri Malzemeler Araştırma Laboratuvarı 65

66 Kolloidal sistemlerde Nano-Ufuklar Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 66

67 NANOSIVILAR Nanosıvılar, nanolif, nanotüp, nanotel, nançubuk, nanolevha ya da nanodamla gibi nano-ölçekli malzemelerin bir sıvı içerisnde dağıtılmasıyla elde edilen YENİ NESİL MÜHENDİSLİK DİSPERSİYONLARIDIR. Su veya Yağa göre Nanosıvılar Daha yüksek/gelişmiş termofiziksel özelliklere sahiptir. Isıl İletkenlik Isıl Yayılım Viskozite Konvektif Isı İletimi Katsayısı Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 67

68 NANOSIVILAR Isı Aktarımı o o o o o Elektronik soğutma sistemleri Otomotiv soğutma sistemleri Endüstriyel soğutma sistemleri Nükleer Sistemlerin soğutulması Savunma sistemlerinin soğutulması Kütle Aktarımı o Adsorbsiyon sistemleri Enerji Uygulamaları o o Enerji depolama Solar Absorpsiyon Mekanik Uygulamalar o Sürtünme azaltma Biomedikal Uygulamalar o o Antibakteriyel etkinlik Nanoilaç taşıma Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 68

69 NANOSIVILAR Güncel ve Gelecek Çalışma Konuları Nanosıvılar için Stabilite Karakterizasyonu o Sedimantasyon ve Santrifüj Yöntemleri o Zeta Potansiyel Analizi o Spektral Absorbans Analizi Nanosıvı stabilitesi o Yüzey aktif madde kullanımı (Non-iyonik, Katyonik, Anyonik maddeler) o Yüzey modifikasyonu (Kimyasal, Mekanokimyasal, Mekanik) uygulanarak sağlanmakta / artırılabilmektedir. Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 69

70 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 70

71 J Nanopart Res (2009) 11:77 89 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 71

72 J Nanopart Res (2009) 11:77 89 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 72

73 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 73

74 J. Am. Chem. Soc. 9 Vol. 132, No. 42, 2010 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 74

75 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 75

76 Bacillus subtilis strain (PCM2021) Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 76

77 Kolloidler, Yüzey yükü, Zeta potansiyel 77

78 J. L. Jiménez Pérez et al., Brazilian Journal of Physics 36 (3b) (2006) İlginize teşekkür ederim. Prof. Dr. Murat Erdemoğlu 78