Точка нулевого заряда (PZC): определение, значение в коллоидной химии и электрохимии. Влияние pH на адсорбцию и флокуляцию. Важность в науках об окружающей среде.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Значение pH, при котором поверхность коллоидного твердого тела не несет чистого электрического заряда.
The pH value at which the surface of a colloidal solid carries no net electrical charge
Точка нулевого заряда (pzc) обычно определяется как pH, при котором суммарный заряд всей поверхности частиц (то есть поверхности адсорбента) равен нулю. Эта концепция была введена в исследованиях коллоидной флокуляции для объяснения влияния pH на это явление. В электрохимии существует связанное понятие – потенциал электрода в точке нулевого заряда. Как правило, pzc в электрохимии представляет собой значение отрицательного десятичного логарифма активности иона, определяющего потенциал в объеме жидкости. pzc имеет фундаментальное значение в науке о поверхностях. Например, в области экологических наук она определяет, насколько легко субстрат способен адсорбировать потенциально вредные ионы. Она также имеет множество применений в технологии коллоидов, например, при флотации минералов. Поэтому значение pzc изучалось во многих областях применения адсорбции в экологических науках. Значение pzc обычно определяется с помощью титрования, и разработано несколько методов титрования. Наряду со значением pzc существуют связанные величины, характеризующие свойства почвы, такие как нулевая точка заряда (zpc), точка нулевого чистого заряда (pznc) и другие.
The point of zero charge (pzc) is generally described as the pH at which the net charge of total particle surface (i. e. absorbent's surface) is equal to zero, which concept has been introduced in the studies dealt with colloidal flocculation to explain pH affecting the phenomenon. A related concept in electrochemistry is the electrode potential at the point of zero charge. Generally, the pzc in electrochemistry is the value of the negative decimal logarithm of the activity of the potential determining ion in the bulk fluid. The pzc is of fundamental importance in surface science. For example, in the field of environmental science, it determines how easily a substrate is able to adsorb potentially harmful ions. It also has countless applications in technology of colloids, e. g., flotation of minerals. Therefore, the pzc value has been examined in many application of adsorption to the environmental science. The pzc value is typically obtained by titrations and several titration method has been developed. Related values associated with the soil characteristics exist along with the pzc value, including zero point of charge (zpc), point of zero net charge (pznc), etc.
Определение термина "точка нулевого заряда"
Точка нулевого заряда – это pH, при котором суммарный поверхностный заряд адсорбента равен нулю. Эта концепция возникла в связи с растущим интересом к pH раствора в процессе адсорбции. Это часто наблюдается для чистых оксидов ("первичной поверхности") в воде. В присутствии специфической адсорбции значения точки нулевого заряда и изоэлектрической точки обычно различаются.
The point of zero charge is the pH for which the net surface charge of adsorbent is equal to zero. This concept has been introduced by an increase of interest in the pH of the solution during adsorption. This is often the case for pure ("pristine surface") oxides in water. In the presence of specific adsorption, pzc and isoelectric point generally have different values.
Метод экспериментального определения
Точка нулевого заряда (pzc) обычно определяется посредством кислотно-основного титрования коллоидных дисперсий с одновременным контролем электрофоретической подвижности частиц и pH суспензии. Для дифференциации pzc от iep требуется проведение нескольких титрований с использованием различных электролитов (включая изменение ионной силы электролита). После получения удовлетворительных графиков (количество кислоты/основания – pH и pH – дзета-потенциал), pzc определяется как общая точка пересечения (cip) этих линий. Следовательно, pzc также иногда называют точкой общей интерсекции (cip).
The pzc is typically obtained by acid base titrations of colloidal dispersions while monitoring the electrophoretic mobility of the particles and the pH of the suspension. Several titrations are required to distinguish pzc from iep, using different electrolytes (including varying the electrolyte ionic strength). Once satisfactory graphs are obtained (acid/base amount—pH, and pH—zeta potential), the pzc is established as the common intersection point (cip) of the lines. Therefore, pzc is also sometimes referred to as cip.
Связанные сокращения
Кроме pzc, iep и cip, в литературе используется множество других терминов, обычно представленных аббревиатурами, с идентичным или (что вводит в заблуждение) почти идентичным значением: точка нулевого заряда (zpc), точка нулевого чистого заряда (pznc), точка нулевого чистого заряда протонов (pznpc), исходная точка нулевого заряда (ppzc), точка нулевого солевого эффекта (pzse), точка нулевого титрования (zpt) коллоидной дисперсии, изоэлектрическая точка твердого тела (ieps) и точка нулевого поверхностного натяжения (pzst или pzs).
Besides pzc, iep, and cip, there are also numerous other terms used in the literature, usually expressed as initialisms, with identical or (confusingly) near identical meaning: zero point of charge (zpc), point of zero net charge (pznc), point of zero net proton charge (pznpc), pristine point of zero charge (ppzc), point of zero salt effect (pzse), zero point of titration (zpt) of colloidal dispersion, and isoelectric point of the solid (ieps) and point of zero surface tension (pzst or pzs).
Применение в геохимии окружающей среды
В области экологической науки адсорбция играет роль во многих технологиях, предназначенных для устранения загрязняющих веществ, и определяет концентрацию химических веществ в почвах и/или атмосфере. При изучении деградации загрязнителей или геохимических процессов исследуется значение pzc, связанное с адсорбцией. Например, природные и органические субстраты, такие как древесная зола, опилки и т.п., используются в качестве адсорбентов для удаления вредных тяжелых металлов, таких как мышьяк, кобальт, ионы ртути и другие, из загрязненного нейтрального дренажа (CND) – пассивного реактора, обеспечивающего возможность адсорбции металлов с использованием недорогих материалов. Следовательно, значения pzc органических субстратов оцениваются для оптимизации выбора материалов в CND. Другой пример – эмиссия азотистой кислоты, которая контролирует окислительный потенциал атмосферы. Различные значения pH почвы приводят к различным поверхностным зарядам минералов, что влияет на эмиссию азотистой кислоты и, как следствие, на биологический цикл, связанный с соединениями азотистой кислоты.
In the field of environmental science, adsorption is involved in many parts of technologies that can eliminate pollutants and governs the concentration of chemicals in soils and/or atmosphere. When studying pollutant degradation or the geochemical process, the pzc value related to adsorption has been examined. For example, natural and organic substrates including wood ash, sawdust, etc. are to be used as an adsorbent by eliminating harmful heavy metals like arsenic, cobalt, mercury ion and so forth in contaminated neutral drainage (CND), which is a passive reactor that could possible metal adsorption with low cost materials. Therefore, the pzc values of the organic substrates were evaluated to optimize the selection of materials in CND. Another example is that the emission of nitrous acid, which controls the atmosphere's oxidative capacity. Different soil pH leads to the different surface charges of minerals so the emission of nitrous acid would be varied, further impacting on the biological cycle involved in the nitrous acid species.