Оцените моделирование поверхности и методы определения адсорбции

В качестве модельных поверхностей при изучении адсорбции ПАВ обычно используют частицы латексов, причем чаще всего проводят исследования с полистирольными латексами. Реже используют другие латексы, например полиметилметакрилатные (ПММА). Для этих целей латексы синтезируют в отсутствие ПАВ, а их стабильность обеспечивают наличием заряженных групп инициатора полимеризации, локализованных на концах полимерных цепей. Эти заряды сообщают латексам достаточную стабильность при невысоком содержании твердой фазы (не более 5-10%). Соблюдая определенные условия, можно получить монодисперсные латексы. Размер частиц латексов обычно лежит в интервале 0.1-0.4 мкм, что соответствует удельным поверхностям -15-60 м²/г. Монодисперсность и большая удельная поверхность делает латексные системы очень удобными для изучения адсорбции.

Метод изучения адсорбции в дисперсных системах состоит в большинстве случаев в добавлении ПАВ, выдерживании системы в течение определенного времени, необходимого для достижения равновесия, отделении твердой фазы и в определении концентрации ПАВ в растворе. Уменьшение концентрации ПАВ позволяет определить адсорбцию (мг/м) по следующему уравнению:

                                                            (8)

где С и С_о - равновесная концентрация ПАВ (мг/мл) и начальная концентрация ПАВ (до адсорбции) соответственно, V - объем раствора (мл); m - масса твердых частиц (г) и a_sр - удельная поверхность частицы (м²/г). Определение концентрации ПАВ можно провести с помощью ионоселективных электродов, спектроскопии в УФ или видимой областях, измерений показателя преломления, а также титриметрией, хроматографией или измерениями поверхностного натяжения. В последнем случае не обязательно отделять твердую фазу, поскольку частицы не влияют на поверхностное натяжение, если они полностью смачиваются жидкостью. Отсюда вытекает возможность титрования дисперсных систем поверхностно-активными веществами. Этот метод получил название «мыльного титрования». Точность определения изотерм адсорбции зависит от метода определения ПАВ. При использовании ионоселективных электродов точность невысока, поскольку измеряемый потенциал пропорционален логарифму концентрации ПАВ, и небольшие изменения потенциала соответствуют большим изменениям поверхностной концентрации ПАВ.

Используются также проточные системы, которые действуют на принципе замены дисперсионной среды. Дисперсная система помещается в проточную ячейку, снабженную фильтром, препятствующим выходу дисперсной фазы из ячейки, и мешалкой. Раствор ПАВ медленно пропускается через ячейку, и на выходе из нее измеряется концентрация ПАВ.

На рис. 19, а и б показаны соответственно концентрационный профиль ПАВ и изотерма адсорбции. Существенными параметрами в этом методе являются скорость протекания раствора через ячейку и скорость перемешивания. Слишком большая скорость перемешивания может приводить к коагуляции, а слишком маленькая - к закупориванию фильтра.

Рисунок 19. Зависимость концентрации раствора ПАВ в вытекающем из ячейки потоке от объема элюирования (а) и соответствующая изотерма адсорбции ПАВ (б)

Время нахождения ПАВ в ячейке должно быть по крайней мере порядка одного часа, чтобы была уверенность в том, что в системе достигнуто равновесие. Изотерма адсорбции рассчитывается по массовому балансу.

В последние годы была доказана эффективность метода эллипсометрии для измерения адсорбции ПАВ из раствора на макроскопических поверхностях. Суть метода в том, что эллиптически поляризованный свет отражается от поверхности и измеряется изменение поляризации, зависящее от присутствия на поверхности адсорбционного слоя. Таким образом количественно регистрируется адсорбция; предел детектирования 0.1 мг/м². Это означает, что метод пригоден и для измерений адсорбции ниже плотного монослойного покрытия поверхности адсорбатом. Кроме того, метод позволяет измерять толщину и показатель преломления адсорбционного слоя. Метод обладает существенным преимуществом, поскольку позволяет измерять адсорбцию in situ, т. е. когда поверхность в контакте с раствором; таким образом появляется возможность изучать кинетику адсорбции.