Межгосударственный стандарт ГОСТ 8.653.1-2016 "Государственная система обеспечения единства измерений. Методы определения дзета-потенциала. Часть 1. Электрокинетические методы" (введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 октября 2016 г. N 1424-ст)

State system for ensuring the uniformity of measurements. Methods for zeta-potential determination. Part 1. Electrokinetic methods

Дата введения - 1 марта 2017 г.

Введен впервые

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ")

2 Внесен Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 29 января 2016 г. N 84-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Код страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Армения	AM	Минэкономики Республики Армения
Беларусь	BY	Госстандарт Республики Беларусь
Казахстан	KZ	Госстандарт Республики Казахстан
Киргизия	KG	Кыргызстандарт
Россия	RU	Росстандарт
Таджикистан	TJ	Таджикстандарт

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 октября 2016 г. N 1424-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 8.653.1-2016 введен в действие в качестве межгосударственного стандарта Российской Федерации с 1 марта 2017 г.

5 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения международного стандарта ISO 13099-1:2012 "Коллоидные системы. Методы определения дзета-потенциала. Часть 1. Электроакустические и электрокинетические методы" ("Colloidal systems - Methods for zeta-potential determination - Part 1: Electroacoustic and electrokinetic phenomena", NEQ)

6 Введен впервые

Введение

Дзета-потенциал - параметр, который может использоваться для определения долгосрочной стабильности суспензий и эмульсий и изучения поверхностной морфологии и адсорбции на частицах и других поверхностях в контакте с жидкостью. Дзета-потенциал не является непосредственно измеряемой величиной. Его можно определить, используя соответствующие теоретические модели, из экспериментально определенных параметров, таких как электрофоретическая подвижность. Цель настоящего стандарта состоит в описании электрокинетических методов измерения электрофоретической подвижности и вычисления на этой основе дзета-потенциала.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на электрокинетические методы определения дзета-потенциала в гетерогенных системах, таких как дисперсные системы, эмульсии, пористые тела с жидкой дисперсионной средой.

Метод реализуется в разбавленных или в концентрированных гетерогенных системах.

Форма частиц или геометрия пор может быть любая. Важным параметром для количественного описания результата является соотношение радиуса кривизны поверхности и дебаевской длины экранирования. Жидкость дисперсионной среды может быть как водной, так и неводной, с различными значениями электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, различным химическим составом. Материал частиц может быть как проводящим электрический ток, так и непроводящим. Двойные слои могут быть изолированными или перекрывающимися с различной толщиной перекрытия.

2 Термины, определения и обозначения

2.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1.1 двойной электрический слой, ДЭС (electric double layer): Пространственное распределение электрических зарядов, которое появляется на и в непосредственной близости от поверхности объекта, когда он находится в контакте с жидкостью.

2.1.2 приближение Дебая-Хюккеля (Debye-Huckel approximation): Модель, предполагающая небольшие электрические потенциалы в двойном электрическом слое.

2.1.3 длина Дебая , нм (Debye length): Характерная длина двойного электрического слоя в растворе электролита.

2.1.4 коэффициент диффузии D (diffusion coefficient): Среднеквадратичное смещение частицы в единицу времени.

2.1.5 число Духина Du (Dukhin number): Безразмерное число, которое характеризует вклад поверхностной проводимости в электрокинетических и электроакустических явлениях, а также в проводимость и диэлектрическую проницаемость гетерогенных систем.

2.1.6 динамическая вязкость , Па/с (dynamic viscosity): Соотношение между приложенным напряжением сдвига и скоростью сдвига жидкости.

Примечания

1 В настоящем стандарте динамическая вязкость используется в качестве меры сопротивления жидкости, деформированной напряжением сдвига.

2 Динамическая вязкость определяет динамические свойства несжимаемой ньютоновской жидкости.

2.1.7 поверхностная плотность электрического заряда , (electric surface charge density): Заряд на границе раздела сред на единицу площади за счет специфической адсорбции ионов из объема жидкости или за счет диссоциации поверхностных соединений.

2.1.8 поверхностный потенциал , В (electric surface potential): Разность потенциалов на поверхности и в объеме жидкости.

2.1.9 электрокинетический потенциал, дзета-потенциал, -потенциал, В (electrokinetic potential, zeta-potential, -potential): Разность между электрическими потенциалами в плоскости скольжения и в объеме жидкости.

2.1.10 модель Гуи-Чепмена-Штерна (Gouy-Chapman-Stern model): Модель, описывающая двойной электрический слой.

2.1.11 изоэлектрическая точка (isoelectric point): Условие состояния жидкой среды, описываемое обычно значением рН, которое соответствует нулевому дзета-потенциалу дисперсных частиц.

2.1.12 плоскость скольжения, плоскость сдвига (slipping plane): Абстрактная плоскость в непосредственной близости от границы раздела жидкость/твердое тело, где жидкость начинает скользить по отношению к поверхности под воздействием напряжения сдвига.

2.1.13 потенциал Штерна , В (Stern potential): Электрический потенциал на внешней границе слоя специфически адсорбированных ионов.

2.2 Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

а - радиус частицы, м;

с - концентрация электролита, ;

- емкость двойного слоя, Ф;

- концентрация ионов i-го типа, ;

- коэффициент диффузии катионов, ;

- эффективный коэффициент диффузии электролита, ;

- число Духина;

D_ - коэффициент диффузии анионов, ;

е - элементарный электрический заряд, Кл;

F - постоянная Фарадея, F = 96485,33 Кл/моль;

- поверхностная проводимость, См;

- постоянная Больцмана, Дж/К, = Дж/К;

- проводимость дисперсионной среды, См/м;

- проводимость дисперсной частицы, См/м;

- проводимость дисперсной среды, См/м;

m - параметр, характеризующий вклад электроосмотического потока в поверхностной проводимости;

- число Авогадро, , = ;

р - давление, Па;

- электроосмотическая скорость жидкости на единицу силы тока, ;

R - универсальная газовая постоянная, , R = 8,3144621 ;

r - расстояние от центра частицы, м;

- радиус воображаемой оболочки вокруг частиц, рассчитанный при условии, что объемная доля твердых тел внутри оболочки и в дисперсной системе равны, м;

Т - абсолютная температура, К;

- потенциал в потоке флюидов, В;

х - расстояние от поверхности частиц, м;

- валентности катионов и анионов;

- валентность i-го вида ионов;

- диэлектрическая постоянная, Ф/м, = Ф/м;

- относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- электрокинетический потенциал, дзета-потенциал, В;

- динамическая вязкость, ;

к - обратная длина Дебая, ;

- электрофоретическая подвижность, ;

- плотность среды, ;

- плотность частиц, ;

- поверхностная плотность заряда, ;

- плотность электрического заряда диффузного слоя, ;

- объемная доля частиц;

- критическая объемная доля частиц;

- потенциал Штерна, В;

- электрический потенциал в двойном слое, В.

3 Теория: основные положения

Дзета-потенциал является расчетной величиной, получаемой в результате количественной обработки экспериментальных данных в рамках известных теоретических моделей. Существует множество различных теорий, которые действительны для определенных условий и для определенной группы реальных дисперсных систем. Теории делятся на две группы: элементарные и модифицированные.

Элементарные теории для непроводящих твердых тел являются общими для всех электрокинетических явлений [1]. В них рассматривается только один параметр двойного электрического слоя (ДЭС) - дзета-потенциал, определяемый из экспериментальных данных. Элементарные теории имеют границы применимости. Вне этих границ их применение приводит к существенной погрешности расчета значений дзета-потенциала.

В настоящем стандарте модифицированные теории рассмотрены в приложении Г. Теории содержат дополнительные параметры ДЭС, например, длину Дебая (см. приложение А), поверхностную проводимость, потенциал Штерна [2 - 4].

4 Расчет дзета-потенциала. Элементарные теории

Существуют три условия, определяющих область применения теории Смолуховского для любых электрокинетических явлений.

Первым условием является то, что размеры ДЭС должны быть малы по сравнению с характеристическим размером гетерогенной системы [см. приложение А, формула (А.4)]:

,

(1)

где к - обратная длина Дебая, ;

а - радиус частицы, м.

Условию (1) удовлетворяют многие водные дисперсные системы. Условие (1) не распространяется на наночастицы в водных растворах с низкой ионной силой и для многих органических жидкостей.

Второе условие заключается в незначительном вкладе поверхностной проводимости . В приложении Б дано подробное описание поверхностной проводимости. Величина относительной поверхностной проводимости выражается безразмерным числом Духина Du, которое удовлетворяет следующему условию:

.

(2)

Третье условие заключается в том, что граница раздела сред не проводит электрический ток между фазами. Это условие действует для непроводящих частиц, для идеально поляризованных частиц металлов и для пористых тел с токоизолирующей основой.

Уравнение Смолуховского для электрофоретической подвижности имеет вид [1]:

,

(3)

где - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- диэлектрическая постоянная, Ф/м;

- динамическая вязкость, ;

- дзета-потенциал, В.

Уравнение справедливо для любой модели ДЭС.

Электроосмотическая скорость жидкости на единицу силы тока вычисляется по формуле:

,

(4)

где - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- диэлектрическая постоянная, Ф/м;

- динамическая вязкость, ;

- дзета-потенциал, В;

- проводимость дисперсионной среды, См/м.

В целом, невозможно количественно определить распределение электрического поля и скоростей в порах с неизвестной или сложной геометрией. Тем не менее, эта проблема устраняется приближением Смолуховского, когда гидродинамические и электродинамические поля имеют одинаковое пространственное распределение.

Значение потенциала получается из условия равенства проводимостей и равенства токов в потоке флюидов, т.е. суммарный ток равен нулю. Уравнение Смолуховского в этом случае имеет вид [5]:

,

(5)

где - значение потенциала в потоке флюидов, В;

- разность давления в потоке флюидов, Па;

- относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- диэлектрическая постоянная, Ф/м;

- динамическая вязкость, ;

- дзета-потенциал, В;

- проводимость дисперсионной среды, См/м.

Формула (5) не содержит геометрические параметры, что делает ее удобной для определения дзета-потенциала.

Аналогично уравнению Смолуховского (5), потенциал седиментации выражается формулой:

,

(6)

где - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- диэлектрическая постоянная, Ф/м;

- дзета-потенциал, В;

- плотность частицы, ;

- плотность среды, ;

- динамическая вязкость, ;

- проводимость дисперсионной среды, См/м;

d - расстояние между точками, между которыми измеряется разность потенциалов, м;

g - ускорение свободного падения, .

5 Модифицированные теории

Применение модифицированных теорий является более сложной задачей, но позволяет намного более подробно описать электрические свойства поверхностей. Двумя наиболее важными параметрами являются длина Дебая и число Духина Du [2]. Расчет числа Духина Du приведен в приложении Б. Расчет длины Дебая приведен в приложении В.

Существуют две аналитические теории электрофореза, которые могут применяться в этом случае: упрощенная теория Духина-Семенихина (формула (Г.10) приложение Г) и теория О'Брайана (формула (Г.11) приложение Г).

Перекрытие ДЭС является еще одним фактором, который усложняет теоретическую интерпретацию. Этот фактор становится важным для неполярных суспензий. В случае неполярных суспензий перекрытие ДЭС может проявиться даже при низких объемных долях, как описано в А.4 (приложение А). Описание теории, которая принимает во внимание этот фактор для электрофореза, приведено в Г.6 (приложение Г).

Библиография

[1]	Smoluchowski M. Handbuch der Electrizitat und des Magnetismus [Handbook of electricity and magnetism]. Leipzig: Barth, Vol. 2, 1921
[2]	Lyklema J. Fundamentals of interface and colloid science. Academic Press, Vol. 2, 1995, pp. 3 - 208
[3]	Hunter R.J. Foundations of colloid science. Oxford: Oxford University Press, 1989
[4]	Dukhin S.S., Derjaguin B.V. Electrokinetic Phenomena. New York, NY: Wiley, 1974
[5]	Kruyt H.R. Colloid Science, Vol. 1, Irreversible systems. Elsevier, 1952
[6]	Helmholtz H. Pogg. Ann. 1853, LXXXIX, p. 211
[7]	Gouy L.G. Sur la constitution de la charge lectrique a la surface d'un lectrolyte [On the distribution of electric charge at the surface of an electrolyte]. Compt. Rend. Hebdo. Sances Acad. Sci. 1909, 149, pp. 354 - 357
[8]	Chapman D.L. A contribution to the theory of electrocapillarity. Philos. Mag. 1913, 6 (25), p. 475
[9]	Stern O. Zur Theorie der Electrolytischen Doppelshicht [On the theory of the electrolytic blocking layer]. Z. Electrochem. 1924, 30, p. 508
[10]	Loeb A.L., Overbeek, J.TH.G., Wiersema P.H. The electrical double layer around a spherical colloid particle. Cambridge, MA: MIT Press, 1961
[11]	Overbeek J.TH.G., Verhoeckx G.J., De Bruyn PL, Lekkerkerker H.N.W. On understanding microemulsions II: Thermodynamics of droplet-type microemulsions. J. Colloid Interface Sci. 1987, 119, p. 422
[12]	Dukhin S.S., Semenikhin N.M., Shapinskaya L.M., eds. Dokl. Phys. Chem. 1970, 193, p. 540
[13]	Dukhin A.S., Goetz P.J. Ultrasound for characterizing colloids. Elsevier, 2002
[14]	Shilov V.N., Borkovskaya Y.B., Dukhin A.S. Electroacoustic theory for concentrated colloids with overlapped DLs at arbitrary ка. Application to nanocolloids and nonaqueous colloids. J. Colloid Interface Sci. 2004, 277, pp. 347 - 358
[15]	Bikerman J.J. Electrokinetic equations and surface conductance: A survey of the diffuse double layer theory of colloidal solutions. Trans. Faraday Soc. 1940, 36, p. 154 - 160
[16]	Maxwell J.С Electricity and magnetism. Oxford: Clarendon Press, Vol. 1, 1892
[17]	Wagner K.W. Erklrung der dielektrischen Nachwirkungsvorgnge auf Grund Maxwellscher Vorstellungen [Explanation of the dielectric aftereffect processes on the basis of Maxwellian concepts]. Arch. Elektrotech. 1914, 2, p. 371
[18]	Dukhin S.S., Shilov V.N. Dielectric phenomena and the double layer in dispersed systems and polyelectrolytes. New York, NY: Wiley, 1974
[19]	Fuoss R.M. Ionic association III: The equilibrium between ion pairs and free ions. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, pp. 5059 - 5060
[20]	O'Brien R.W., White L.R. Electrophoretic mobility of a spherical colloidal particle. J. Chem. Soc. Faraday Trans. II 1978, 74, pp. 1607 - 1624
[21]	Henry D.C. The cataphoresis of suspended particles - Part 1: The equation of cataphoresis. Proc. R. Soc. London Ser. A 1931, 133, p. 106 - 129
[22]	Ohshima H. A simple expression for Henry's function for the retardation effect in electrophoresis of spherical colloidal particles. J. Colloid Interface Sci. 1994, 168, pp. 269 - 271
[23]	Delgado A.V., gonzlez-Caballero F., Hunter r.J., Koopal I.K., lyKlema J. Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2005, 77, pp. 1753 - 1805; J. Colloid Interface Sci 2007, 309, pp. 194 - 224
[24]	Hckel E. Die Kataphorese der Kugel [The cataphoresis of spheres]. Phys. Z. 1924, 25, p. 204
[25]	Dukhin S.S. Non-equilibrium electric surface phenomena. Adv. Colloid Interface Sci. 1993, 44, pp. 1 - 134
[26]	Dukhin S.S., Semenikhin N.M. Theory of Double layer polarization and its effect on the electrokinetic and electrooptical phenomena and the dielectric constant of dispersed systems. Kolloid. Zh. 1970, 32, pp. 360 - 368
[27]	Brien O.R.W., The solution of electrokinetic equations for colloidal particles with its double layers. J. Colloid Interface Sci. 1983, 92, pp. 204 - 216
[28]	Moller W.J.H.M., Van Os, G.A.J., Overbeek J.TH.G. Interpretation of the conductance and transference of bovine serum albumin solutions. Trans. Faraday Soc. 1961, 57, p. 325
[29]	Long R.P., Ross S. The effect of the overlap of double layers on electrophoretic mobilities of polydisperse suspensions. J. Colloid Interface Sci. 1968, 26, pp. 434 - 445
[30]	Dukhin A.S., ShiloV V.N., Ohshima H., Goetz P.J. Electroacoustics phenomena in concentrated dispersions: New theory and CVI experiment. Langmuir 1999, 15, pp. 6692 - 6706