Phân bố kích thƣớc hạt và phân bố thế zeta của mẫu đƣợc xác định trên thiết bị Zetasizer-Nano ZS của hãng Malvern – UK bằng phƣơng pháp tán xạ laser động. Cấu tạo của thiết bị là 1 hệ quang học gồm 1 nguồn sáng laser rắn bán dẫn có bƣớc sóng 532nm, công suất 10mW. Thiết bị có dải đo kích thƣớc từ: 0.6nm - 6µm, dải đo thế zeta từ -200 - +200mV.
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị zetasizer
Phƣơng pháp tán xạ laser động là phép đo tính toán sự phụ thuộc của cƣờng độ tán xạ laser vào thời gian tán xạ laser trong mẫu. Từ đó xác định hệ số khuếch tán D và đƣờng kính thủy động lực học DH từ phƣơng trình Stokes-Einstein:
3 H kT D D Trong đó: k = hằng số Boltzmann, T = nhiệt độ tuyệt đối, = độ nhớt
Đại lƣợng đặc trƣng cho độ ổn định của hệ phân tán keo là thế Zeta (ζ). Các hạt với điện tích bề mặt nhất định sẽ hấp phụ từ dung dịch những ion có điện tích trái dấu. Sau đó, những ion đã bị hấp phụ sẽ hấp phụ các ion trái dấu với chúng trong dung dịch, tạo ra một lớp điện tích kép. Nhƣ vậy, lớp chất lỏng bao quanh các hạt gồm hai lớp : lớp trong (lớp Stern), trong đó các ion liên kết mạnh với bề mặt hạt và lớp ngoài (lớp khuếch tán) lực liên kết yếu hơn (Hình 2.8).
Hình 2.8 Mối tương quan giữa thế bề mặt, thế Stern và thế Zeta với lớp điện tích kép, lớp Stern và lớp khuếch tán
Thế Zeta thể hiện mức độ đẩy giữa các hạt tích điện cùng dấu gần nhau trong hệ phân tán. Đối với các phân tử và các hạt đủ nhỏ, thế Zeta cao (âm hoặc dƣơng) sẽ cho độ ổn định cao, hệ phân tán sẽ chống lại sự keo tụ.
Bảng 2.1 Sự phụ thuộc của độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta
Thế Zeta đƣợc đo bằng cách áp đặt một điện trƣờng qua hệ phân tán. Các hạt trong hệ phân tán sẽ di chuyển về điện cực trái dấu với một vận tốc tỷ lệ với độ lớn của thế zeta. Sự thay đổi tần số hoặc pha của một chùm tia laser gây ra bởi chuyển động của các hạt đƣợc đo và đƣợc chuyển đổi thành thế zeta khi biết độ nhớt của hệ phân tán và ứng dụng thuyết Smoluchowski [20].
Theo Frederick R. Eirich và Egon Matijević [21] tính chất bền vững của hệ phân tán có đƣợc là nhờ lớp hấp phụ định hƣớng các phân tử chất HĐBM tạo thành những cấu thể hai chiều có khả năng ngăn cản sự dính kết. Tính bền vững của hệ phân tán cũng có thể do các phân tử chất HĐBM có đuôi dài và linh động, chỉ bị hấp phụ trên bề mặt bằng các mắt xích riêng biệt, còn đuôi của mạch carbon nằm trong môi trƣờng có thể thực hiện chuyển động Brown, tạo cho hệ sự ổn định.F.Selmi, Th.Graham và I.Borshov [22] lại chứng minh rằng tất cả các chất
điện ly đều có khả năng gây ra sự keo tụ, ngay cả những chất điện ly là chất làm bền cho hệ keo. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp này nồng độ chất điện ly phải đủ lớn để ép mỏng lớp điện tích kép của hạt keo và hạ thấp hàng rào năng lƣợng, tạo điều kiện cho các hạt keo liên kết với nhau khi chúng va chạm vào nhau. Hardy [22] còn chỉ ra rằng không phải tất cả các ion của chất điện ly, mà chỉ những ion cùng dấu với các ion nghịch, nghĩa là ngƣợc dấu với các ion quyết định thế, mới có khả năng gây keo tụ cho các hệ keo. Nhƣ vậy, các cation sẽ gây keo tụ các hệ keo có hạt keo âm và các anion sẽ gây keo tụ các hệ keo có hạt keo dƣơng. Muller [21] đã xây dựng một lý thuyết tƣơng tự cho hệ keo đa phân tán : Hệ với các hạt có kích thƣớc khác nhau sẽ keo tụ nhanh hơn hệ với các hạt có kích thƣớc đồng đều, các hạt lớn sẽ đóng vai trò là các "mầm" keo tụ. Nhƣ vậy, để giảm hiện tƣợng keo tụ thì yêu cầu hạt phải thuộc hệ đơn phân tán (monodispersed).
Giá trị của thế zeta phụ thuộc vào nhiều yếu tố tác động bao gồm :
- Độ pH của môi trƣờng phân tán : Đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến thế zeta. Nếu thêm kiềm vào một hệ huyền phù có thế zeta âm thì các hạt sẽ tích điện âm hơn. Nếu thêm acid vào hệ huyền phù này thì đến thời điểm nào đó thế zeta sẽ đạt giá trị không, tiếp tục bổ sung thêm acid sẽ tạo thế zeta dƣơng. Nhƣ vậy thế zeta sẽ dƣơng ở pH thấp hoặc âm ở pH cao. Theo đồ thị biểu diễn sự biến thiên của thế zeta theo độ pH của môi trƣờng (hình 2.8), có thể dự đoán các khoảng giá trị pH của môi trƣờng mà các hệ keo sẽ ổn định hoặc không ổn định. Đồng thời sẽ có một điểm mà đồ thị đi qua có thế zeta bằng không, đƣợc gọi là điểm đẳng điện (isoelectric point - IEP), có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm, là điểm mà tại đó hệ keo kém ổn định nhất.
Hình 2.9 Sự biến thiên của thế Zeta theo giá trị pH của môi trường
- Độ dẫn điện của môi trƣờng : Độ dày của lớp điện tích kép phụ thuộc vào loại và nồng độ của các ion trong dung dịch và có thể đƣợc tính từ độ ion hóa của môi trƣờng. Độ ion hóa càng cao, càng nén các lớp điện tích kép. Hóa trị của các ion
cũng ảnh hƣởng đến độ dày của lớp điện tích kép. Ion hóa trị 3 sẽ nén lớp điện tích kép mạnh hơn so với ion hóa trị 2 và hóa trị 1, hệ càng kém ổn định.
- Nồng độ của các cấu tử hợp phần trong hệ : Tác động của nồng độ các cấu tử hợp phần trong hệ cũng nhƣ ảnh hƣởng của các tạp chất đến thế zeta rất phức tạp, phụ thuộc vào đặc trƣng cụ thể của từng hệ và chỉ xác định bằng thực nghiệm để có đƣợc sản phẩm có độ ổn định cao nhất.
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN