Elektroakustik: Zetapotentialmessung in konzentrierten Dispersionen

Das Zetapotential ist das elektrische Potential an der Scherebene eines bewegten Teilchens in einem flüssigen Medium und damit charakteristisch für die elektrochemischen Eigenschaften eines Emulsionströpfchens oder Partikels in einer Flüssigkeit. Aus dem Zetapotential lassen sich Rückschlüsse auf Dispersionsstabilität oder Teilchenmobilität in externen Feldern ziehen. Ein charakteristischer Wert ist der so genannte isoelektrische Punkt (IEP), hier ist das Zetapotential gleich Null, die Partikel agglomerieren und das System flockt aus.

Messgeräte

DT-300: Bestimmung des Zetapotentials DT-310: Bestimmung des Zetapotentials inkl. Titrationseinheit	DT-1202: Partikelgrößenmessung 5 nm – 1000 µm; Messung in Originalkonzentration bis 50 Vol.-%; Messung des Zetapotentials

Messmethode

Die Zetapotentialbestimmung nach der elektroakustischen Methode erfolgt durch die Messung des kolloidalen Vibrationsstroms (CVI). Die Abbildung zeigt das Messgerät DT-310 (inkl. vollautomatischer Titrationseinheit) mit den Zusatzsonden zur Bestimmung der Temperatur, des pH-Wertes sowie der Leitfähigkeit.

Bei dem Messverfahren werden durch eine Ultraschallwelle die in der Dispersion befindlichen kolloidalen Teilchen, aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte zum Medium, zu einer Relativbewegung zur Flüssigkeit veranlasst. Dadurch verschieben sich die Teilchen aus ihrer elektrostatischen Gleichgewichtslage – es entstehen kurzzeitig Dipole, die einen messbaren Wechselstrom erzeugen, den kolloidalen Vibrationsstrom CVI. Dieser wird als Potential zwischen zwei Elektroden gemessen und das Zetapotential lässt sich daraus berechnen.
Wesentlicher Vorteil der Elektroakustik und der Messgeräte der DT-Serie ist die Möglichkeit, Dispersionen mit hohen Feststoffkonzentrationen ohne Veränderung des Systems durch Verdünnung zu charakterisieren. Damit ist die Untersuchung von originalen Dispersionen möglich, das Zetapotential wird nicht durch Verdünnungseffekte verändert. Der Konzentrationsbereich erstreckt sich bis zu 50 Vol-%. Zu den Messgeräten sind Optionen (Rheologie, poröse Stoffe, nichtwässrige Leitfähigkeit u. a.) verfügbar, welche die DT-Serie zu einzigartigen Analysegeräten für die komplexe Untersuchung von Dispersionen in Originalkonzentration machen.
Die folgende Abbildung zeigt exemplarisch die Zetapotential-vs.-pH-Verläufe zweier hochgefüllter Suspensionen. Untersucht wurden konzentrierte Dispersionen (jeweils 40 Gew.-%) von Aluminiumoxid und Titandioxid mit dem DT-310. Es wurde jeweils eine automatische pH-Titration mit Messung des entsprechenden Zetapotentials durchgeführt. Die dargestellten Abhängigkeiten des Zetapotentials vom pH-Wert zeigen die deutlichen Unterschiede zwischen beiden Proben. Die Messkurven verdeutlichen jeweils die stabilen Bereiche der Dispersionen bei hohem Betrag des Zetapotentials, sowie die Bereiche der Instabilität am isoelektrischen Punkt, an dem das Zetapotential gleich Null ist.

Zetapotential-vs.-pH-Wertverlauf zweier hochgefüllter Suspensionen

Literatur und Normen

/1/ ISO 13099-3 Colloidal systems – Methods for zeta potential determination.
/2/ A. Dukhin, P. Goetz: Characterization of Liquids, Nano- and Microparticulates, and Porous Bodies using Ultrasound. 2nd Edition. Oxford: Elsevier, 2010.
/3/ Partikelwelt 8 „Partikelgröße und Zetapotenzial von Dispersionen in Originalkonzentration“ (Sonderheft zur Messmethode).
/4/ Partikelwelt 4, S. 6 „Repräsentative on-line Messung von Zerkleinerungsergebnissen bei der Herstellung von Nanopartikeln in Rührwerkskugelmühlen“.
/5/ Partikelwelt 3, S. 3 „Zetapotenzialbestimmung in konzentrierten Dispersionen: Elektroakustik“.
/6/ Partikelwelt 1, S. 6 „Zetapotential und Partikelgröße: Der Weg zu optimierten Keramikaufschlämmungen“.