Colloid

1 Introduktion

kolloider är överallt som vi ser, så varför är det att de flesta människor vet så lite om dem? Även om Michael Faraday, en av grundarna av kolloidvetenskap, hade slagit oss till det med mer än ett sekel, som studenter vi såg för oss själva fascinationen av guld sols, nanometerstora partiklar av guld spridda i vatten som en stabil kolloid med en röd färg som ändras till blått vid tillsats av salt. Guld sols har för närvarande fått förnyat intresse som en byggsten för nanoteknik.

kolloid betyder limliknande, härrörande från grekiska, ko Jacobs. Termen kolloidal hänvisar till ett tillstånd av underavdelning, vilket innebär att molekylerna eller polymolekylära partiklar dispergerade i ett medium har åtminstone i en riktning en dimension ungefär mellan 1 nm och 1 kg, eller att i systemet diskontinuiteter finns på avstånd av den ordningen. Det är inte nödvändigt att alla tre dimensionerna ligger i kolloidalområdet: fibrer där endast två dimensioner finns i detta intervall och tunna filmer, i vilka en dimension ligger i detta intervall, kan också klassificeras som kolloidala. Det är inte heller nödvändigt att enheterna i ett kolloidalt system är diskreta: kontinuerliga nätverksstrukturer, vars basenheter är av kolloidala dimensioner faller också i denna klass (t.ex. porösa fasta ämnen, geler och skum). En kolloidal dispersion är ett system där partiklar av kolloidal storlek av vilken natur som helst (t.ex. fast, flytande eller gas) dispergeras i en kontinuerlig fas med en annan sammansättning (eller tillstånd).

kolloider är material som är övervägande flytande men som har andra egenskaper: antingen optisk, vilket ger upphov till grumlighet såsom mjölk eller viskös, med egenskaper hos slem, gelatin eller våt lera. Dessa effekter härrör från närvaron av makromolekyler upplösta i vätska och/eller genom att blanda två eller flera fasta, flytande eller gasfaser. Kolloidvetenskap kan därför beskrivas å ena sidan som studier av lösningar av makromolekyler, till exempel proteiner i vatten eller lösningar av syntetiska polymerer, såsom klara lim för modellbyggnadssatser. Å andra sidan är det studien av dispersioner av en fas i en annan, till exempel emulsioner (olja i vatten eller vatten i olja), fast i vätska, skum och komplexa lyotropa flytande kristalldispersioner av tvål eller syntetiska tvättmedel. Vissa läsare kommer ihåg det gamla problemet med grumliga tvålstänger när de lämnas i kontakt med vatten, vilket uppstår genom att vatten tränger ut och expanderar den en gång hårda komprimerade tvålen.

de flesta forskare är överens om att termen kolloid appliceras på suspenderat material i storleksintervallet 1 kg till 1000 nm som kan innefatta oorganiska material, mineralfragment och mineralfällningar, biocolloider, såväl som naturligt organiskt material och andra organiska föreningar och nedbrytningsprodukter associerade med avfallsström på låg och mellannivå. Olika arbetare har nämnt olika storleksintervall; den övre gränsen är dock 1 kg. Termen kan användas för att beteckna antingen partiklarna eller hela systemet. Kolloidala system (även kallade kolloidala lösningar eller kolloidala suspensioner) är föremål för gränssnitt och kolloidvetenskap. Detta studieområde introducerades 1861 av skotsk forskare Thomas Graham. Följande är några förklaringar av olika typer av kolloidala system.

namnet dispergerad fas för partiklarna bör endast användas om de väsentligen har egenskaperna hos en bulkfas med samma sammansättning.

termen kolloid kan användas som en kort synonym för kolloidalt system. Storleksgränserna som anges ovan är inte styva eftersom de i viss utsträckning beror på de aktuella egenskaperna. Denna nomenklatur kan tillämpas på grovare system, särskilt när en gradvis övergång av egenskaper beaktas.

beskrivningen av kolloidala system kräver ofta numrering av komponenterna eller beståndsdelarna. Det anses att en fast numreringsregel är onödigt restriktiv. Författaren bör dock i alla fall klargöra hur han numrerar och i synnerhet om han numrerar med oberoende termodynamiska komponenter (alla neutrala) eller efter arter eller beståndsdelar, av vilka vissa kan vara joniska, och som kan relateras av jämviktsförhållanden eller av tillståndet för elektronutralitet. Ett vätskekolloidalt system som består av två eller flera komponenter kan kallas en sol, till exempel en proteinsol, en guldsol, en emulsion, en ytaktiv lösning ovanför den kritiska micellkoncentrationen eller en aerosol.

i en suspension dispergeras fasta partiklar i en vätska; en kolloidal suspension är en där partiklarnas storlek ligger i det kolloidala området. I en emulsionsvätska dispergeras droppar och/eller flytande kristaller i en vätska. I emulsioner överskrider dropparna ofta de vanliga gränserna för kolloider i storlek. En emulsion betecknas med symbolen O / W om den kontinuerliga fasen är en vattenlösning och med W/O om den kontinuerliga fasen är organisk vätska (olja). Mer komplicerade emulsioner såsom O / W / O (dvs oljedroppar som finns i vattendroppar dispergerade i en kontinuerlig oljefas) är också möjliga. Fotografiska emulsioner, även om kolloidala system, är inte emulsioner i betydelsen av denna nomenklatur.

en latex (plural = latices eller latexes) är en emulsion eller sol där varje kolloidal partikel innehåller ett antal makromolekyler.

ett skum är en dispersion i vilken en stor andel gas i volym i form av gasbubblor dispergeras i en vätska, fast eller gel. Bubblornas diameter är vanligtvis större än 1 mm, men tjockleken på lamellerna mellan bubblorna ligger ofta i det vanliga kolloidala storleksintervallet.

termen skum har använts omväxlande med skum. I synnerhet kan fall av skum särskiljas från skum genom det faktum att den förstnämnda stabiliseras av fasta partiklar (som i skumflotation) och den senare av lösliga ämnen.

aerosoler är dispersioner i gaser. I aerosoler överskrider partiklarna ofta de vanliga storleksgränserna för kolloider. Om de dispergerade partiklarna är fasta talar man om aerosoler av fasta partiklar; om de är flytande talar man om aerosoler av flytande partiklar. Användning av termerna fast aerosol och flytande aerosol är avskräckt. En aerosol är varken ”fast” eller ”flytande” men, om något, gasformigt.

en stor variation av termer som damm, dis, dimma, dimma, duggregn, rök och smog används för att beskriva aerosoler enligt deras egenskaper, ursprung och så vidare. Av dessa ingår endast termerna dimma och rök i denna nomenklatur.

en dimma är en aerosol av flytande partiklar, särskilt ett lågt moln.

en rök är en aerosol som härrör från förbränning, termisk sönderdelning eller termisk avdunstning. Dess partiklar kan vara fasta (magnesiumoxidrök) eller flytande (tobaksrök).

en gel är ett kolloidalt system med en ändlig, vanligtvis ganska liten avkastningsspänning. Material som silikagel som har passerat ett gelstadium under beredningen kallas felaktigt geler.

termen xerogel används för sådana torkade öppna strukturer; och även för torkade kompakta makromolekylära geler såsom gelatin eller gummi.

termen aerogel används när strukturens öppenhet i stor utsträckning upprätthålls.kolloidala dispersioner kan vara lyofoba (hydrofoba, om dispersionsmediet är en vattenlösning) eller lyofil (hydrofil). Lyofila Soler bildas spontant när det torra koherenta materialet (t.ex. gelatin, gummi, tvål) bringas i kontakt med dispersionsmediet; därför är de termodynamiskt stabilare än i det ursprungliga tillståndet av torrt kolloidmaterial plus dispersionsmedium. Lyofoba Soler (t.ex. guld sol) kan inte bildas genom spontan spridning i mediet. De är termodynamiskt instabila med avseende på separation i makroskopiska faser, men de kan förbli länge i ett metastabilt tillstånd.

lyofila Soler innefattar både associeringskolloider i vilka aggregat av små molekyler bildas reversibelt och makromolekyler i vilka molekylerna själva är av kolloidal storlek.

blandningar av lyofoba och lyofila kolloider kan bilda skyddade lyofoba kolloider.

termerna lyofil (hydrofil, lipofil, oleofil, etc.) och lyofobisk(lipofobisk, etc.) kan också användas för att beskriva karaktären av interaktion mellan en viss atomgrupp och mediet. I denna användning har termerna den relativa kvalitativa betydelsen av” lösningsmedel som föredrar ” (vatten-föredrar, fett-föredrar etc.) och” lösningsmedelsavvisande ” (vattenavvisande, fettavvisande etc.), respektive.termerna lösningsmedel som föredrar eller lösningsmedel som avvisar hänvisar alltid till en differentiell process vanligtvis i betydelsen att föredra lösningsmedlet ovanför sig själv eller föredra sig över lösningsmedlet, men ibland föredrar ett lösningsmedel (t.ex. vatten) över en annan (t. ex. olja).

en kolloidal elektrolyt är en elektrolyt som ger joner, varav minst en är av kolloidal storlek. Denna term innefattar därför hydrofoba Soler, Joniska föreningskolloider och polyelektrolyter.

joner med låg relativ molekylmassa, med en laddning motsatt den hos den kolloidala Jonen, kallas motjoner; om deras laddning har samma tecken som den kolloidala Jonen kallas de co-joner.

en polyelektrolyt är en makromolekylär substans som vid upplösning i vatten eller annat joniserande lösningsmedel dissocierar för att ge polyjoner (polykationer eller polyanioner)–multiplicera laddade joner–tillsammans med en ekvivalent mängd joner med liten laddning och motsatt tecken. Polyelektrolyter som dissocierar till polykationer och polyanioner, utan joner med liten laddning, är också tänkbara. En polyelektrolyt kan vara en polysyra, en polybas, en polysalt eller en polyampholyte.

om alla partiklar i ett kolloidalt system är av (nästan) samma storlek kallas systemet monodisperse; i motsatta fall är systemen heterodisperse.

Om endast ett fåtal partikelstorlekar förekommer i ett kolloidalt system är systemet paucidisperse, och om många partikelstorlekar uppstår är det polydisperse.på grund av deras storlek kan kolloidala partiklar passera genom vanliga filter, men inte genom de extremt fina öppningarna i ett semipermeabelt membran, såsom pergament. En vätska kan inte strömma genom ett semipermeabelt membran, men diffunderar långsamt genom det om vätska är på andra sidan. Även om en kolloidal dispersion inte kan renas genom filtrering, kan den dialyseras genom att placera den i en semipermeabel påse med rent vatten på utsidan. Upplösta föroreningar diffunderar sedan gradvis genom påsen, medan de kolloidala partiklarna förblir fängslade i den. Om dialysprocessen utförs till färdigställandet kommer suspensionen ofta att bryta ner eller lösa sig, eftersom stabiliteten hos kolloidala system ofta beror på de elektriska laddningarna på de enskilda partiklarna, och dessa är i sin tur i allmänhet beroende av närvaron av upplösta elektrolyter.

även om enskilda kolloidala partiklar är för små för att ses med ett vanligt mikroskop, kan de synliggöras med hjälp av ett ultramikroskop eller mörkfältmikroskop. Om en kolloidal dispersion placeras under ett mikroskop och en ljusstråle riktas igenom från ena sidan blir strålens väg synlig genom spridning från de kolloidala partiklarna. Samma fenomen gör vägen för en ljusstråle synlig i ett mörkt rum, men under mikroskopet observeras separata ljusblixtar. Partiklarna ses vara i slumpmässig rörelse som ett resultat av brunisk rörelse, och deras hastighet är exakt den som beräknas för molekyler storleken på de kolloidala partiklarna. Partiklarna är direkt synliga i ett elektronmikroskop. Vissa kolloider är genomskinliga på grund av Tyndall-effekten, vilket är spridningen av ljus av partiklar i kolloiden. Andra kolloider kan vara ogenomskinliga eller ha en liten färg. En kolloidal dispersion av sub-kubhm-partiklar kan vara stabil eller instabil för aggregering. Brunisk rörelse säkerställer att partiklarna är i kontinuerlig rörelse, vilket ger upphov till kollisioner med en hastighet som bestäms av diffusionsteori. På grund av den höga gränssnittsfria energin är lyofoba kolloider termodynamiskt instabila och tenderar att aggregeras. Detta är i allmänhet oönskat, och kolloidforskare syftar till att förhindra att det uppstår.

i en stabil dispersion leder partikelkollisionerna inte till aggregering eftersom interpartikelrepulsionskrafter dominerar. Det kommer att förbli dispergerat på obestämd tid, även om partiklar som är större än cirka 0,1 cdr kommer att sedimentera beroende på deras densitet. I en instabil dispersion leder kollisionerna till aggregatbildning; större aggregat antingen sediment eller grädde beroende på deras relativa densitet.

de repulsiva krafterna i en stabil dispersion identifierades för länge sedan som elektriska ursprung. En ytpotential finns vid gränssnittet mellan den fasta partikeln och den omgivande vätskan på grund av närvaron av en ytladdning. För att upprätthålla elektrisk neutralitet lockas joner av motsatt laddning som finns i mediet närmare partikelytan, vilket resulterar i ett diffust skikt av högkoncentrerade motjoner. Koncentrationen av motjoner i detta skikt sönderfaller exponentiellt från ytan över ett avstånd av tiotals nanometer. Det resulterande Joniska molnet kallas den diffusa regionen i det elektriska dubbelskiktet. Vid partikelpartikelkollision ger överlappning av de joniska molnen upphov till en osmotisk repulsion som skjuter partiklarna isär.

dlvo-teorin om kolloidstabilitet, utvecklad av Derjaguin och Landau och Verwey och Overbeek under 1940-talet, föreslår en balans mellan de repulsiva elektriska dubbelskiktskrafterna (positiva enligt konvention) och de attraktiva van der Waals-krafterna (negativa enligt konvention) som finns mellan alla frågor. Dessa två krafter befanns vara av liknande intervall och storlek. De elektriska krafterna ökar exponentiellt när partiklar närmar sig varandra och de attraktiva krafterna ökar som en omvänd separationskraft. Som en konsekvens kan dessa tillsatskrafter uttryckas som en potentiell energi kontra separationskurva. Ett positivt resultat motsvarar en energibarriär och repulsion, medan ett negativt resultat motsvarar attraktion och därmed aggregering. Det anses allmänt att grundteorin och dess efterföljande modifieringar ger en sund grund för att förstå kolloidstabilitet.

adsorptionen av lyofila kolloider-makromolekyler-vid ytan av lyofoba kolloider ger upphov till en ytterligare repulsiv kraft. Makromolekyler fäster vid ytan för att bilda en slingliknande konfiguration av tåg av segment fästa vid ytan och slingor och svansar av segment som sträcker sig ut i vätskefasen. Forskning, främst under 1960-och 1970-talet, identifierade arten av de repulsiva krafterna som härrör från sådan adsorption. Dessa är en kombination av entropisk repulsion, som härrör från den begränsade konfigurationsfriheten hos de adsorberade molekylerna när två partiklar kolliderar; och osmotisk repulsion, som härrör från den ökade koncentrationen av segment i överlappningsområdet för de adsorberade skikten vid partikelpartikelkontakt. Förutom under speciella förhållanden leder närvaron av ett mättat adsorberat skikt alltid till en total stabilisering av dispersionen till koagulering. Tidigare publikationer hänvisade till denna effekt som kolloidskydd, men det kallas nu sterisk stabilisering.

1.1 miljöbetydelse av kolloider

kolloider är av miljöbetydelse eftersom deras interaktion med spårorganiska och oorganiska föroreningar, såsom metaller och långlivade organiska föroreningar (POPs), spelar en viktig roll i bioupptag och biogeokemisk Cykling av föroreningarna. Dessutom är kolloider viktiga, ofta dominerande, ligander som påverkar speciering av spårmetaller (Geckeis et al., 2002) och andra föroreningar i miljösystem och påverkar beteendet hos mikrobiella patogener. Betydelsen av dessa kolloider i föroreningstransporter i flodmynningar, sjöar och floder har länge erkänts (Tessier et al., 1994), med potentiella ekologiska och mänskliga hälsoeffekter. I allt högre grad är det erkänt att bioupptag och bioeffekter av föroreningar till många organismer som mikroorganismer, filter och detritusmatare, fisk och till och med däggdjur kan förändras på komplexa sätt genom association med kolloider, som kan produceras biologiskt eller icke-biologiskt (Wilkinson och Buffle, 2004). En stor del av det senaste arbetet har fokuserat på bioupptag av fria metaller och kolloidbundna metaller (t.ex. Pan och Wang, 2003; Wang och Guo, 2000; Carvallho et al, 1999), även om betydande framsteg fortfarande krävs.

trots den uppenbara betydelsen saknas kvantitativ förståelse för strukturen hos vattenkolloider och hur detta relaterar till deras miljö ”funktion” i spårföroreningar och patogenreglering (Muirhead and Lead, 2003). Dessutom har det skett en enorm tillväxt i antalet tekniker som kan användas för nonperturbing och kvantitativ separation och analys av kolloider och kolloidförorenande komplex, såsom typer av kraft och elektronmikroskopi (Muirhead och bly, 2003; Mondi et al., 2002; Balnois och Wilkinson, 2002), fluorescenskorrelationsspektroskopi (FCS, bly et al., 2003), fältflödesfraktionering (FFF; Lyven et al., 2003) och röntgenspektroskopi (Gaillard et al., 2001). De flesta av dessa metoder används för närvarande inte för studier av icke-perturbed miljökolloidala system.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *