kolloidi

1 Johdanto

kolloidit ovat kaikkialla, mistä etsimme, joten miksi useimmat ihmiset tietävät niistä niin vähän? Vaikka Michael Faraday, yksi perustajista kolloidinen tiede, oli voittanut meidät siihen yli vuosisadan, kuten opiskelijat näimme itse kiehtovuus gold sols, nanometrin kokoinen hiukkasia kultaa dispergoidaan veteen vakaa kolloidi punainen väri, joka muuttuu siniseksi lisättäessä suolaa. Kultaiset solit ovat tällä hetkellä saaneet uutta mielenkiintoa nanoteknologian rakennuspalikkana.

kolloidi tarkoittaa liimamaista, joka on peräisin kreikan kielestä koλλα. Kolloidisella termillä tarkoitetaan osastoimistilaa, mikä tarkoittaa, että väliaineeseen dispergoituneilla molekyyleillä tai polymolekulaarisilla hiukkasilla on ainakin yhteen suuntaan suunnilleen 1 nm: n ja 1µm: n välinen ulottuvuus tai että järjestelmässä esiintyy epäjatkuvuuksia tämän suuruisilla etäisyyksillä. Kaikkien kolmen ulottuvuuden ei tarvitse olla kolloidisella alueella: kuidut, joissa vain kaksi ulottuvuutta on tällä alueella, ja ohutkalvot, joissa yksi ulottuvuus on tällä alueella, voidaan myös luokitella kolloidisiksi. Kolloidisen järjestelmän yksiköiden ei myöskään tarvitse olla erillisiä: tähän luokkaan kuuluvat myös jatkuvat verkostorakenteet, joiden perusyksiköt ovat kolloidisia (esim.huokoiset kiinteät aineet, geelit ja vaahdot). Kolloidinen dispersio on järjestelmä, jossa kolloidiset hiukkaset, jotka ovat minkä tahansa kokoisia (esim.kiinteä, neste tai kaasu), hajoavat jatkuvassa faasissa, jonka koostumus on erilainen (tai olomuoto).

kolloidit ovat materiaaleja, jotka ovat pääasiassa nestemäisiä, mutta joilla on muita ominaisuuksia: joko optinen, joka aiheuttaa sameutta, kuten maito, tai viskoosi, ominaisuuksiltaan limaa, liivate, tai märkä savi. Nämä vaikutukset johtuvat nesteeseen liuenneiden makromolekyylien läsnäolosta ja / tai sekoittamalla kahta tai useampaa kiinteää, nestemäistä tai kaasufaasia. Kolloiditiedettä voidaankin kuvata yhtäältä makromolekyylien liuosten, esimerkiksi veden valkuaisaineiden tai synteettisten polymeerien liuosten, kuten mallien rakennussarjojen kirkkaiden liimojen tutkimiseksi. Toisaalta siinä tutkitaan yhden faasin dispersioita toiseen, esimerkiksi emulsioita (öljy vedessä tai vesi öljyssä), kiinteää nestettä, vaahtoja sekä saippuan tai synteettisten pesuaineiden monimutkaisia lyotrooppisia nestekidedispersioita. Jotkut lukijat muistavat vanhan ongelman, joka johtuu veden kanssa kosketuksiin joutuvien pehmeiden saippuapatukoiden joutumisesta veden sisään laajentamalla kerran kovaa tiivistettyä saippuaa.

useimmat tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että termiä kolloidi käytetään suspendoituneesta materiaalista, jonka koko on 1 µm – 1000 nm ja joka voi sisältää epäorgaanisia aineita, mineraalifragmentteja ja mineraalisaostumia, biokolloideja sekä luonnollista orgaanista ainesta ja muita orgaanisia yhdisteitä ja hajoamistuotteita, jotka liittyvät matala-ja keskiaktiiviseen jätevirtaan. Eri työntekijät ovat maininneet eri kokoluokat; yläraja on kuitenkin 1 µm. Termillä voidaan tarkoittaa joko hiukkasia tai koko systeemiä. Kolloidiset systeemit (joita kutsutaan myös kolloidisiksi liuoksiksi tai kolloidisiksi suspensioiksi) ovat rajapinta-ja kolloiditutkimuksen kohteena. Tämän tutkimusalan esitteli vuonna 1861 skotlantilainen tiedemies Thomas Graham. Seuraavassa on joitakin selityksiä erilaisista kolloidisista järjestelmistä.

partikkelien nimeä dispergoitunut faasi tulee käyttää vain, jos niillä on oleellisesti saman koostumuksen bulkkifaasin ominaisuudet.

termiä kolloidi voidaan käyttää kolloidisen järjestelmän lyhyenä synonyyminä. Edellä esitetyt kokorajoitukset eivät ole jäykkiä, koska ne riippuvat jossain määrin tarkasteltavista ominaisuuksista. Tätä nimikkeistöä voidaan soveltaa karkeampiin järjestelmiin, varsinkin kun harkitaan ominaisuuksien asteittaista siirtymistä.

kolloidisten systeemien kuvaus edellyttää usein aineosien tai aineosien numerointia. Koetaan, että kiinteä numerointisääntö on tarpeettoman rajoittava. Kuitenkin tekijän olisi tehtävä selväksi kaikissa tapauksissa, miten hän on numerointi ja erityisesti onko hän numerointi riippumattomien termodynaamisten komponenttien (kaikki neutraaleja) tai lajien tai osatekijöiden, joista jotkut voivat olla ionisia, ja jotka voivat liittyä tasapainon olosuhteissa tai ehto elektroneutrality. Kahdesta tai useammasta komponentista koostuvaa nestekolloidista järjestelmää voidaan kutsua sol: ksi, esimerkiksi proteiinisoliksi, kultasoliksi, emulsioksi, kriittisen mikellepitoisuuden ylittäväksi pinta-aktiiviseksi liuokseksi tai aerosoliksi.

suspensiossa kiinteät hiukkaset hajoavat nesteeseen; kolloidinen suspensio on sellainen, jossa hiukkasten koko on kolloidisella alueella. Emulsionesteessä pisarat ja / tai nestekiteet hajoavat nesteeseen. Emulsioissa pisarat ylittävät usein kolloidien tavanomaiset kokorajat. Emulsiota merkitään tunnuksella O/W, jos jatkuva faasi on vesiliuos, ja tunnuksella W / O, jos jatkuva faasi on orgaaninen neste (öljy). Monimutkaisemmat emulsiot, kuten O/W/O (eli öljypisarat, jotka sisältyvät vesipisaroihin, jotka ovat hajallaan jatkuvassa öljyfaasissa) ovat myös mahdollisia. Valokuvausemulsiot, vaikka ne ovatkin kolloidisia järjestelmiä, eivät ole tässä nimikkeistössä tarkoitettuja emulsioita.

lateksi (monikko = lateksit tai lateksit) on emulsio tai soli, jossa jokainen kolloidinen hiukkanen sisältää joukon makromolekyylejä.

vaahto on dispersio, jossa suuri osa kaasukuplien muodossa olevasta kaasusta dispergoituu nesteeseen, kiinteään tai geeliin. Kuplien halkaisija on yleensä suurempi kuin 1 mm, mutta kuplien välinen lamellien paksuus on usein tavallista kolloidista kokoluokkaa.

termiä vaahto on käytetty vaihdellen vaahdon kanssa. Vaahto voidaan erottaa vaahdosta erityisesti sillä, että ensin mainittu stabiloituu kiinteillä hiukkasilla (kuten vaahdotuksessa) ja jälkimmäinen liukenevilla aineilla.

aerosolit ovat dispersioita kaasuissa. Aerosoleissa hiukkaset ylittävät usein kolloidien tavanomaiset kokorajat. Jos hiukkaset ovat kiinteitä, puhutaan kiinteiden hiukkasten aerosoleista; jos ne ovat nestemäisiä, puhutaan nestemäisten hiukkasten aerosoleista. Termien kiinteä aerosoli ja nestemäinen aerosoli käyttö on kielletty. Aerosoli ei ole ”kiinteä” eikä ”nestemäinen”, vaan mahdollisesti kaasumainen.

hyvin erilaisia termejä kuten pöly, Usva, sumu, sumu, tihkusade, savu ja savusumu käytetään kuvaamaan aerosoleja niiden ominaisuuksien, alkuperän ja niin edelleen mukaan. Näistä ainoastaan termit sumu ja savu sisältyvät tähän nimikkeistöön.

sumu on nestehiukkasista koostuva aerosoli, erityisesti matala pilvi.

savu on palamisesta, termisestä hajoamisesta tai termisestä haihdutuksesta peräisin oleva aerosoli. Sen hiukkaset voivat olla kiinteitä (magnesiumoksidisavu) tai nestemäisiä (tupakansavu).

geeli on kolloidinen systeemi, jonka myötörasitus on rajallinen, yleensä melko pieni. Materiaaleja, kuten silikageeliä, joka on läpäissyt geelivaiheen valmistuksen aikana, kutsutaan väärin geeleiksi.

termiä xerogel käytetään tällaisista kuivuneista avoimista rakenteista sekä myös kuivuneista kompakteista makromolekyyligeeleistä, kuten gelatiinista tai kumista.

termiä aerogel käytetään, kun rakenteen avoimuus pääosin säilyy.

kolloidinen dispersio voi olla lyofobinen (hydrofobinen, jos dispersioaine on vesiliuos) tai lyofiili (hydrofiilinen). Lyofiiliset solit muodostuvat spontaanisti, kun kuiva koherentti materiaali (esim.liivate, kumi, saippua) joutuu kosketuksiin dispersioväliaineen kanssa; näin ollen ne ovat termodynaamisesti stabiilimpia kuin kuivan kolloidimateriaalin ja dispersioväliaineen alkuperäisessä tilassa. Lyofobiset solit (esim.kultaiset solit) eivät voi muodostua spontaanista dispersiosta väliaineessa. Ne ovat termodynaamisesti epästabiileja erottautumisen suhteen makroskooppisiin vaiheisiin, mutta ne saattavat jäädä pitkiäkin aikoja metastabiiliin tilaan.

Lyofiiliset solit koostuvat sekä assosiaatiokolloideista, joissa pienten molekyylien aggregaatit muodostuvat reversiibelisti, että makromolekyyleistä, joissa itse molekyylit ovat kolloidisia.

lyofobisten ja lyofiilisten kolloidien seokset voivat muodostaa suojattuja lyofobisia kolloideja.

termit lyofiilinen (hydrofiilinen, lipofiilinen, oleofiilinen jne.) ja lyofobinen (lipofobinen jne.) voidaan käyttää myös kuvaamaan tietyn atomiryhmän vuorovaikutuksen luonnetta väliaineen kanssa. Tässä käytössä termeillä on suhteellinen kvalitatiivinen merkitys ”liuottimen suosiminen”(vesi-suosiminen, rasva-suosiminen jne.) ja ”liuotinta hylkivä” (vettä hylkivä, rasvaa hylkivä jne.), vastaavasti.

termit liuottimen suosiminen tai liuottimen hylkiminen viittaavat aina differentiaaliprosessiin yleensä siinä mielessä, että liuotin on parempi itsensä yläpuolella tai se on parempi liuottimen yläpuolella, mutta joskus se suosii yhtä liuotinta (esim.vettä) toisen yläpuolella (esim. öljyä).

kolloidinen elektrolyytti on elektrolyytti, joka antaa ioneja, joista ainakin yksi on kolloidinen. Tämä termi sisältää siis hydrofobiset solit, ioniset assosiaatiokolloidit ja polyelektrolyytit.

ioneja, joiden suhteellinen molekyylimassa on pieni ja joiden varaus on päinvastainen kuin kolloidisella ionilla, kutsutaan vasta-ioneiksi; jos niiden varauksella on sama merkki kuin kolloidisella ionilla, niitä kutsutaan ko-ioneiksi.

polyelektrolyytti on makromolekyylinen aine, joka veteen tai muuhun ionisoivaan liuottimeen liuetessaan dissosioituu niin, että syntyy polyioneja (polykationeja tai polyanioneja)–moninkertaistuu varautuneita ioneja–yhdessä vastaavan määrän pienen varauksen omaavia ja vastakkaisen merkin omaavia ioneja kanssa. Myös polyekstrolyytit, jotka hajoavat polykationeiksi ja polyanioneiksi, joissa ei ole pienvarauksisia ioneja, ovat ajateltavissa. Polyelektrolyytti voi olla polyasidi, polybase, polysaltti tai polyampholyytti.

Jos kaikki kolloidisen systeemin hiukkaset ovat (lähes) samankokoisia, systeemiä kutsutaan monodisperseeksi; päinvastaisissa tapauksissa systeemit ovat heterodisperse.

Jos kolloidisessa järjestelmässä esiintyy vain muutamia partikkelikokoja, systeemi on paucidisperse, ja jos esiintyy monia partikkelikokoja, se on polydisperse.

kokonsa vuoksi kolloidiset hiukkaset voivat kulkeutua tavallisten suodattimien läpi, mutta eivät puoliperäisen kalvon, kuten pergamentin, erittäin hienojen aukkojen läpi. Neste ei voi virrata puolipermeikkäisen kalvon läpi, vaan diffuusi sen läpi hitaasti, jos neste on toisella puolella. Vaikka kolloidista dispersiota ei voida puhdistaa suodattamalla, se voidaan dialysoida laittamalla se puoliperimättömään pussiin, jonka ulkopuolella on puhdasta vettä. Liuenneet epäpuhtaudet leviävät sitten vähitellen pussin läpi, kun taas kolloidiset hiukkaset pysyvät vangittuina sen sisällä. Jos dialyysiprosessi suoritetaan loppuun, suspensio usein hajoaa tai asettuu, koska kolloidisten järjestelmien vakaus riippuu usein yksittäisten hiukkasten sähkövarauksista, ja nämä puolestaan ovat yleensä riippuvaisia liuenneiden elektrolyyttien läsnäolosta.

vaikka yksittäiset kolloidiset hiukkaset ovat liian pieniä nähdäkseen tavallisella mikroskoopilla, ne voidaan tehdä näkyviksi ultramikroskoopilla eli pimeäkenttämikroskoopilla. Jos kolloidinen dispersio asetetaan mikroskoopin alle ja valonsäde ohjataan yhdeltä puolelta läpi, säteen reitti tulee näkyviin kolloidisista hiukkasista sironneena. Sama ilmiö tekee valonsäteen reitin näkyväksi pimennetyssä huoneessa, mutta mikroskoopin alla havaitaan erillisiä valonvälähdyksiä. Hiukkasten nähdään olevan Brownian liikkeen seurauksena satunnaisessa liikkeessä, ja niiden nopeus on juuri se, mikä lasketaan kolloidisten hiukkasten kokoisille molekyyleille. Hiukkaset näkyvät suoraan elektronimikroskoopissa. Jotkut kolloidit ovat läpikuultavia Tyndall-ilmiön vuoksi, joka on kolloidissa olevien hiukkasten valon sirontaa. Muut kolloidit voivat olla läpinäkymättömiä tai väriltään vähäisiä. Sub-µm-hiukkasten kolloidinen dispersio voi olla stabiili tai epästabiili aggregoituessaan. Brownian liike varmistaa, että hiukkaset ovat jatkuvassa liikkeessä, mikä aiheuttaa törmäyksiä diffuusioteorian määrittämällä nopeudella. Koska korkea interfacial vapaa energia, lyofobinen kolloidit ovat termodynaamisesti epävakaa ja yleensä aggregoida. Tämä on yleensä epätoivottavaa, ja kolloiditutkijat pyrkivät estämään sen syntymisen.

stabiilissa dispersiossa hiukkastörmäykset eivät johda aggregaatioon, koska hiukkasten väliset repulsiovoimat hallitsevat. Se pysyy hajaantuneena loputtomiin, joskin noin 0,1 µm suurempia hiukkasia sedimenttinä riippuen niiden tiheydestä. Epästabiilissa dispersiossa törmäykset johtavat aggregaatin muodostumiseen; suurempia aggregaatteja joko sedimenttiin tai kermaan riippuen niiden suhteellisesta tiheydestä.

stabiilissa dispersiossa olevat vastenmieliset voimat tunnistettiin jo kauan sitten sähköisiksi. Kiinteän hiukkasen ja ympäröivän nesteen rajapinnassa esiintyy pintavarauksen vuoksi pintapotentiaali. Sähköneutraaliuden säilyttämiseksi väliaineessa olevat vastakkaisvarauksiset ionit houkutellaan lähemmäksi hiukkasen pintaa, jolloin muodostuu diffuusi kerros erittäin väkeviä vasta-ioneja. Tämän kerroksen vastaionien konsentraatio hajoaa eksponentiaalisesti pinnalta kymmenien nanometrien etäisyydeltä. Syntyvää ionista pilveä kutsutaan sähköisen kaksoiskerroksen diffuusiksi alueeksi. Hiukkas-hiukkastörmäyksessä ionipilvien päällekkäisyys synnyttää osmoottisen repulsion, joka työntää hiukkaset erilleen toisistaan.

Derjaguinin ja Landaun sekä Verweyn ja Overbeekin 1940-luvulla kehittämä kolloidisen stabiilisuuden dlvo-teoria ehdottaa tasapainoa kaikkien asioiden välillä vallitsevien vastenmielisten sähköisten kaksikerroksisten voimien (sopimuksen mukaan positiiviset) ja viehättävien van der Waalsin voimien (sopimuksen mukaan negatiiviset) välillä. Näiden kahden voiman havaittiin olevan samankokoisia ja suuruisia. Sähköiset voimat kasvavat eksponentiaalisesti hiukkasten lähestyessä toisiaan ja vetovoimat kasvavat käänteisenä erotusvoimana. Tämän seurauksena nämä additiiviset voimat voidaan ilmaista potentiaalienergian erotuskäyränä. Positiivinen resultantti vastaa energiaestettä ja repulsiota, kun taas negatiivinen resultantti vastaa vetovoimaa ja siten aggregaatiota. Yleisesti katsotaan, että perusteoria ja sen myöhemmät muunnokset tarjoavat vankan pohjan kolloidisen stabiilisuuden ymmärtämiselle.

lyofiilisten kolloidien—makromolekyylien—adsorptio lyofobisten kolloidien pintaan aiheuttaa ylimääräisen vastenmielisen voiman. Makromolekyylit kiinnittyvät pintaan muodostaen silmukkamaisen kokoonpanon janoista, jotka ovat kiinnittyneet pintaan, ja silmukoista ja häntistä, jotka ulottuvat nestefaasiin. Lähinnä 1960-ja 1970-luvuilla tehdyissä tutkimuksissa tunnistettiin tällaisesta adsorptiosta aiheutuvien vastenmielisten voimien luonne. Nämä ovat yhdistelmä entropista repulsiota, joka johtuu adsorboituneiden molekyylien rajoitetusta konfiguraatiovapaudesta, kun kaksi hiukkasta törmäävät; ja osmoottista repulsiota, joka johtuu segmentin lisääntyneestä pitoisuudesta päällekkäisalueella adsorboituneiden kerrosten partikkeli-hiukkaskontaktissa. Erityisiä olosuhteita lukuun ottamatta tyydyttyneen adsorboituneen kerroksen läsnäolo johtaa aina dispersion täydelliseen stabiloitumiseen hyytymiseen. Aiemmissa julkaisuissa tätä vaikutusta kutsuttiin kolloidisuojaukseksi, mutta nykyään sitä kutsutaan steeriseksi stabiloinniksi.

1.1 kolloidien merkitys ympäristölle

kolloidit ovat tärkeitä ympäristön kannalta, koska niiden yhteisvaikutuksella pienten orgaanisten ja epäorgaanisten epäpuhtauksien, kuten metallien ja pysyvien orgaanisten yhdisteiden (Pop), kanssa on tärkeä merkitys epäpuhtauksien bioliuotuksessa ja biogeokemiallisessa syklityksessä. Lisäksi kolloidit ovat tärkeitä, usein dominoivia ligandeja, jotka vaikuttavat hivenainemetallien lajiutumiseen (Geckeis et al., 2002) ja muut saasteet ympäristöjärjestelmissä ja vaikuttavat mikrobipatogeenien käyttäytymiseen. Näiden kolloidien merkitys epäpuhtauksien kuljetuksessa estuaareissa, järvissä ja joissa on jo pitkään tunnustettu (Tessier et al., 1994), jolla on mahdollisia ekologisia ja ihmisten terveyteen liittyviä vaikutuksia. Yhä useammin tunnustetaan, että saasteiden bio-kertymä ja biovaikutukset moniin organismeihin, kuten mikro-organismeihin, suodattimiin ja detritukseen, kaloihin ja jopa nisäkkäisiin, voivat muuttua monimutkaisilla tavoilla kolloidien yhdistyessä, jotka voivat olla biologisesti tai ei-biologisesti tuotettuja (Wilkinson and Buffle, 2004). Suuri osa viimeaikaisesta työstä on keskittynyt vapaiden metallien ja kolloidisidonnaisten metallien Bio-ottoon (esim.Pan and Wang, 2003; Wang and Guo, 2000; Carvallho et al, 1999), vaikka merkittävää edistystä tarvitaan edelleen.

ilmeisestä merkityksestä huolimatta ei ole kvantitatiivista ymmärrystä vesieläinten kolloidien rakenteesta ja siitä, miten tämä liittyy niiden ympäristöön liittyvään ”toimintaan” epäpuhtauksien ja taudinaiheuttajien säätelyssä (Muirhead and Lead, 2003). Lisäksi on kasvanut valtavasti niiden tekniikoiden määrä, joita voidaan käyttää kolloidien ja kolloidisaastekompleksien hajottamiseen ja kvantitatiiviseen erottamiseen ja analysointiin, kuten voima-ja elektronimikroskopia (Muirhead and Lead, 2003; Mondi et al., 2002; Balnois and Wilkinson, 2002), fluoresenssikorrelaatiospektroskopia (FCS, Lead et al., 2003), field flow fraktiointi (FFF; Lyven et al., 2003)ja Röntgenspektroskopia (Gaillard et al., 2001). Suurinta osaa näistä menetelmistä ei kuitenkaan tällä hetkellä käytetä häiriöttömien ympäristön kolloidisten järjestelmien tutkimiseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *