Введение
Слипание частиц в суспензии. Агломерация частиц относится к образованию агрегатов в суспензии и представляет собой механизм, приводящий к функциональной дестабилизации коллоидных систем. В ходе этого процесса частицы, диспергированные в жидкой фазе, прилипают друг к другу и спонтанно образуют неправильные агрегаты частиц, хлопья или агломераты. Это явление также называют коагуляцией или флокуляцией, а такая суспензия также считается нестабильной. Агломерация частиц может быть вызвана добавлением солей или других химических веществ, называемых коагулянтами или флокулянтами. Агломерация частиц может быть обратимым или необратимым процессом. Агломераты частиц, определяемые как "жёсткие агломераты", сложнее диспергировать обратно до исходных отдельных частиц. В процессе агломерации агломераты увеличиваются в размере, и, как следствие, могут оседать на дно ёмкости, что называется седиментацией. Альтернативно, в концентрированных суспензиях может образовываться коллоидный гель, изменяющий его реологические свойства. Обратный процесс, при котором агломераты частиц диспергируются в виде отдельных частиц, называемый пептизацией, редко происходит спонтанно, но может происходить при перемешивании или сдвиге. Коллоидные частицы также могут оставаться диспергированными в жидкостях в течение длительного времени (от дней до лет). Это явление называется коллоидной стабильностью, и такая суспензия считается функционально стабильной. Стабильные суспензии часто получают при низких концентрациях соли или добавлением химических веществ, называемых стабилизаторами. Стабильность частиц, коллоидных или иных, чаще всего оценивается по величине дзета-потенциала. Этот параметр обеспечивает легко измеримую количественную оценку межчастичного отталкивания, которое является ключевым ингибитором агрегации частиц. Подобные процессы агломерации происходят и в других дисперсных системах. В эмульсиях они также могут быть связаны с коалесценцией капель и приводить не только к седиментации, но и к всплытию. В аэрозолях взвешенные в воздухе частицы также могут агрегироваться и образовывать более крупные скопления (например, сажу).
Particle agglomeration refers to the formation of assemblages in a suspension and represents a mechanism leading to the functional destabilization of colloidal systems. During this process, particles dispersed in the liquid phase stick to each other, and spontaneously form irregular particle assemblages, flocs, or agglomerates. This phenomenon is also referred to as coagulation or flocculation and such a suspension is also called unstable. Particle agglomeration can be induced by adding salts or other chemicals referred to as coagulant or flocculant. Particle agglomeration can be a reversible or irreversible process. Particle agglomerates defined as "hard agglomerates" are more difficult to redisperse to the initial single particles. In the course of agglomeration, the agglomerates will grow in size, and as a consequence they may settle to the bottom of the container, which is referred to as sedimentation. Alternatively, a colloidal gel may form in concentrated suspensions which changes its rheological properties. The reverse process whereby particle agglomerates are re dispersed as individual particles, referred to as peptization, hardly occurs spontaneously, but may occur under stirring or shear. Colloidal particles may also remain dispersed in liquids for long periods of time (days to years). This phenomenon is referred to as colloidal stability and such a suspension is said to be functionally stable. Stable suspensions are often obtained at low salt concentrations or by addition of chemicals referred to as stabilizers or stabilizing agents. The stability of particles, colloidal or otherwise, is most commonly evaluated in terms of zeta potential. This parameter provides a readily quantifiable measure of interparticle repulsion, which is the key inhibitor of particle aggregation. Similar agglomeration processes occur in other dispersed systems too. In emulsions, they may also be coupled to droplet coalescence, and not only lead to sedimentation but also to creaming. In aerosols, airborne particles may equally aggregate and form larger clusters (e. g., soot).
Ранние стадии
Хорошо диспергированная коллоидная суспензия состоит из отдельных, разрозненных частиц и стабилизируется отталкивающими межчастичными силами. Когда отталкивающие силы ослабевают или становятся притягательными при добавлении коагулянта, частицы начинают агрегировать. Первоначально из одиночных частиц A1 будут образовываться двойники A2 согласно следующей схеме.
На ранней стадии процесса агрегации суспензия преимущественно содержит отдельные частицы. Скорость этого явления характеризуется коэффициентом скорости агрегации k. Поскольку образование двойников является реакцией второго порядка, единицы измерения этого коэффициента – м³/с, так как концентрации частиц выражаются как число частиц на единицу объема (м⁻³). Поскольку абсолютные скорости агрегации сложно измерить, часто используют безразмерное отношение стабильности W, определяемое как kfast/k, где kfast – коэффициент скорости агрегации в быстром режиме, а k – коэффициент в интересующих условиях. Отношение стабильности близко к единице в быстром режиме, возрастает в медленном режиме и становится очень большим при стабильной суспензии. Часто коллоидные частицы суспендированы в воде. В этом случае они приобретают поверхностный заряд и вокруг каждой частицы формируется электрический двойной слой. Перекрытие диффузных слоев двух сближающихся частиц приводит к отталкивающему потенциалу взаимодействия двойного слоя, обеспечивающему стабилизацию частиц. При добавлении соли в суспензию отталкивание электрических двойных слоев экранируется, а притяжение Ван-дер-Ваальса становится доминирующим и вызывает быструю агрегацию. На рисунке справа показана типичная зависимость отношения стабильности W от концентрации электролита, с указанием режимов медленной и быстрой агрегации. В таблице ниже приведены диапазоны критических концентраций коагуляции (ККК) для различных валентностей противоионов. Заряд выражен в единицах элементарного заряда. Эта зависимость отражает правило Шульце-Харди, согласно которому ККК изменяется обратно пропорционально шестой степени заряда противоиона. ККК также в некоторой степени зависит от типа иона, даже если они несут одинаковый заряд. Эта зависимость может отражать различные свойства частиц или различную аффинность ионов к поверхности частиц. Поскольку частицы часто несут отрицательный заряд, многовалентные металлические катионы являются высокоэффективными коагулянтами. Заряд ККК (× 10⁻³ моль/л) 1 50 300 2 2 30 3 0.03 0.5
Адсорбция частиц с противоположным зарядом (например, протонов, специфически адсорбирующихся ионов, поверхностно-активных веществ или полиэлектролитов) может дестабилизировать суспензию частиц путем нейтрализации заряда или стабилизировать ее путем накопления заряда, приводя к быстрой агрегации вблизи точки нейтрализации заряда и медленной агрегации вдали от нее. Количественная интерпретация коллоидной стабильности впервые была сформулирована в рамках теории ДЛВО. Распределение размеров кластеров также различается в этих двух режимах. Кластеры DLCA относительно монодисперсны, в то время как распределение размеров кластеров RLCA очень широкое. Чем больше размер кластера, тем выше их скорость осаждения. Следовательно, агрегирующие частицы осаждаются, и этот механизм обеспечивает способ их отделения от суспензии. При более высоких концентрациях частиц растущие кластеры могут переплетаться и образовывать частичный гель. Такой гель является упругим твердым телом, но отличается от обычных твердых тел очень низким модулем упругости.
Гомоагрегация против гетероагрегации
Когда агрегация происходит в суспензии, состоящей из аналогичных монодисперсных коллоидных частиц, процесс называется гомоагрегацией (или гомокоагуляцией). Когда агрегация происходит в суспензии, состоящей из различных коллоидных частиц, она называется гетероагрегацией (или гетерокоагуляцией). Простейший процесс гетероагрегации происходит при смешивании двух типов монодисперсных коллоидных частиц. На ранних стадиях могут образовываться три типа дублетов: в то время как первые два процесса соответствуют гомоагрегации в чистых суспензиях, содержащих частицы А или В, последняя реакция представляет собой собственно процесс гетероагрегации. Каждая из этих реакций характеризуется соответствующими коэффициентами агрегации kAA, kBB и kAB. Например, если частицы А и В несут положительный и отрицательный заряд соответственно, скорость гомоагрегации может быть низкой, а скорость гетероагрегации – высокой. В отличие от гомоагрегации, скорость гетероагрегации увеличивается с уменьшением концентрации соли. Кластеры, сформированные на более поздних стадиях таких процессов гетероагрегации, еще более разветвлены, чем те, которые получаются при DLCA (d ≈ 1.4). Важным частным случаем процесса гетероагрегации является осаждение частиц на подложку.
While the first two processes correspond to homoaggregation in pure suspensions containing particles A or B, the last reaction represents the actual heteroaggregation process. Each of these reactions is characterized by the respective aggregation coefficients kAA, kBB, and kAB. For example, when particles A and B bear positive and negative charge, respectively, the homoaggregation rates may be slow, while the heteroaggregation rate is fast. In contrast to homoaggregation, the heteroaggregation rate accelerates with decreasing salt concentration. Clusters formed at later stages of such heteroaggregation processes are even more ramified that those obtained during DLCA (d ≈ 1.4). An important special case of a heteroaggregation process is the deposition of particles on a substrate. Light transmission. The variation of transmitted light through an aggregating suspension can be studied with a regular spectrophotometer in the visible region. As aggregation proceeds, the medium becomes more turbid, and its absorbance increases. The increase of the absorbance can be related to the aggregation rate constant k and the stability ratio can be estimated from such measurements. The advantage of this
technique is its simplicity. Light scattering. These techniques are based on probing the scattered light from an aggregating suspension in a time resolved fashion. Static light scattering yields the change in the scattering intensity, while dynamic light scattering the variation in the apparent hydrodynamic radius. At early stages of aggregation, the variation of each of these quantities is directly proportional to the aggregation rate constant
k.
At later stages, one can obtain information on the clusters formed (e. g., fractal dimension). Light scattering works well for a wide range of particle sizes. Multiple scattering effects may have to be considered, since scattering becomes increasingly important for larger particles or larger aggregates. Such effects can be neglected in weakly turbid suspensions. Aggregation processes in strongly scattering systems have been studied with transmittance, backscattering techniques or diffusing wave spectroscopy. Single particle counting. This technique offers excellent resolution, whereby clusters made out of tenths of particles can be resolved individually. The aggregating suspension is forced through a narrow capillary particle counter and the size of each aggregate is being analyzed by light scattering. From the scattering intensity, one can deduce the size of each aggregate, and construct a detailed aggregate size distribution. If the suspensions contain high amounts of salt, one could equally use a Coulter counter. As time proceeds, the size distribution shifts towards larger aggregates, and from this variation aggregation and breakup rates involving different clusters can be deduced. The disadvantage of the technique is that the aggregates are forced through a narrow capillary under high shear, and the aggregates may disrupt under these conditions. Indirect techniques. As many properties of colloidal suspensions depend on the state of aggregation of the suspended particles, various indirect techniques have been used to monitor particle aggregation too. While it can be difficult to obtain quantitative information on aggregation rates or cluster properties from such experiments, they can be most valuable for practical applications. Among these techniques settling tests are most relevant. When one inspects a series of test tubes with suspensions prepared at different concentration of the flocculant, stable suspensions often remain dispersed, while the unstable ones settle. Automated instruments based on light scattering/transmittance to monitor suspension settling have been developed, and they can be used to probe particle aggregation. One must realize, however, that these techniques may not always reflect the actual aggregation state of a suspension correctly. For example, larger primary particles may settle even in the absence of aggregation, or aggregates that have formed a colloidal gel will remain in suspension. Other indirect techniques capable to monitor the state of aggregation include, for example, filtration, rheology, absorption of ultrasonic waves, or dielectric properties.
Измерение пропускания света. Изменение пропускаемого света через агрегирующую суспензию можно изучать с помощью обычного спектрофотометра в видимой области спектра. По мере агрегации среда становится более мутной, и ее поглощение увеличивается. Увеличение поглощения можно связать с константой скорости агрегации k, а соотношение стабильности можно оценить на основе таких измерений. Преимущество этого метода – его простота.
While the first two processes correspond to homoaggregation in pure suspensions containing particles A or B, the last reaction represents the actual heteroaggregation process. Each of these reactions is characterized by the respective aggregation coefficients kAA, kBB, and kAB. For example, when particles A and B bear positive and negative charge, respectively, the homoaggregation rates may be slow, while the heteroaggregation rate is fast. In contrast to homoaggregation, the heteroaggregation rate accelerates with decreasing salt concentration. Clusters formed at later stages of such heteroaggregation processes are even more ramified that those obtained during DLCA (d ≈ 1.4). An important special case of a heteroaggregation process is the deposition of particles on a substrate. Light transmission. The variation of transmitted light through an aggregating suspension can be studied with a regular spectrophotometer in the visible region. As aggregation proceeds, the medium becomes more turbid, and its absorbance increases. The increase of the absorbance can be related to the aggregation rate constant k and the stability ratio can be estimated from such measurements. The advantage of this
technique is its simplicity. Light scattering. These techniques are based on probing the scattered light from an aggregating suspension in a time resolved fashion. Static light scattering yields the change in the scattering intensity, while dynamic light scattering the variation in the apparent hydrodynamic radius. At early stages of aggregation, the variation of each of these quantities is directly proportional to the aggregation rate constant
k.
At later stages, one can obtain information on the clusters formed (e. g., fractal dimension). Light scattering works well for a wide range of particle sizes. Multiple scattering effects may have to be considered, since scattering becomes increasingly important for larger particles or larger aggregates. Such effects can be neglected in weakly turbid suspensions. Aggregation processes in strongly scattering systems have been studied with transmittance, backscattering techniques or diffusing wave spectroscopy. Single particle counting. This technique offers excellent resolution, whereby clusters made out of tenths of particles can be resolved individually. The aggregating suspension is forced through a narrow capillary particle counter and the size of each aggregate is being analyzed by light scattering. From the scattering intensity, one can deduce the size of each aggregate, and construct a detailed aggregate size distribution. If the suspensions contain high amounts of salt, one could equally use a Coulter counter. As time proceeds, the size distribution shifts towards larger aggregates, and from this variation aggregation and breakup rates involving different clusters can be deduced. The disadvantage of the technique is that the aggregates are forced through a narrow capillary under high shear, and the aggregates may disrupt under these conditions. Indirect techniques. As many properties of colloidal suspensions depend on the state of aggregation of the suspended particles, various indirect techniques have been used to monitor particle aggregation too. While it can be difficult to obtain quantitative information on aggregation rates or cluster properties from such experiments, they can be most valuable for practical applications. Among these techniques settling tests are most relevant. When one inspects a series of test tubes with suspensions prepared at different concentration of the flocculant, stable suspensions often remain dispersed, while the unstable ones settle. Automated instruments based on light scattering/transmittance to monitor suspension settling have been developed, and they can be used to probe particle aggregation. One must realize, however, that these techniques may not always reflect the actual aggregation state of a suspension correctly. For example, larger primary particles may settle even in the absence of aggregation, or aggregates that have formed a colloidal gel will remain in suspension. Other indirect techniques capable to monitor the state of aggregation include, for example, filtration, rheology, absorption of ultrasonic waves, or dielectric properties.
Измерение рассеяния света. Эти методы основаны на исследовании рассеянного света от агрегирующей суспензии во времени. Статическое рассеяние света дает изменение интенсивности рассеяния, а динамическое рассеяние света – изменение кажущегося гидродинамического радиуса. На ранних стадиях агрегации изменение каждой из этих величин прямо пропорционально константе скорости агрегации k. На более поздних стадиях можно получить информацию об образованных кластерах (например, фрактальную размерность). Рассеяние света хорошо работает для широкого диапазона размеров частиц. Возможно, потребуется учитывать эффекты многократного рассеяния, поскольку рассеяние становится более важным для более крупных частиц или агрегатов. Такие эффекты можно пренебречь в слабо мутных суспензиях. Процессы агрегации в сильно рассеивающих системах изучались с использованием методов измерения пропускания, обратного рассеяния или диффузионной волновой спектроскопии.
While the first two processes correspond to homoaggregation in pure suspensions containing particles A or B, the last reaction represents the actual heteroaggregation process. Each of these reactions is characterized by the respective aggregation coefficients kAA, kBB, and kAB. For example, when particles A and B bear positive and negative charge, respectively, the homoaggregation rates may be slow, while the heteroaggregation rate is fast. In contrast to homoaggregation, the heteroaggregation rate accelerates with decreasing salt concentration. Clusters formed at later stages of such heteroaggregation processes are even more ramified that those obtained during DLCA (d ≈ 1.4). An important special case of a heteroaggregation process is the deposition of particles on a substrate. Light transmission. The variation of transmitted light through an aggregating suspension can be studied with a regular spectrophotometer in the visible region. As aggregation proceeds, the medium becomes more turbid, and its absorbance increases. The increase of the absorbance can be related to the aggregation rate constant k and the stability ratio can be estimated from such measurements. The advantage of this
technique is its simplicity. Light scattering. These techniques are based on probing the scattered light from an aggregating suspension in a time resolved fashion. Static light scattering yields the change in the scattering intensity, while dynamic light scattering the variation in the apparent hydrodynamic radius. At early stages of aggregation, the variation of each of these quantities is directly proportional to the aggregation rate constant
k.
At later stages, one can obtain information on the clusters formed (e. g., fractal dimension). Light scattering works well for a wide range of particle sizes. Multiple scattering effects may have to be considered, since scattering becomes increasingly important for larger particles or larger aggregates. Such effects can be neglected in weakly turbid suspensions. Aggregation processes in strongly scattering systems have been studied with transmittance, backscattering techniques or diffusing wave spectroscopy. Single particle counting. This technique offers excellent resolution, whereby clusters made out of tenths of particles can be resolved individually. The aggregating suspension is forced through a narrow capillary particle counter and the size of each aggregate is being analyzed by light scattering. From the scattering intensity, one can deduce the size of each aggregate, and construct a detailed aggregate size distribution. If the suspensions contain high amounts of salt, one could equally use a Coulter counter. As time proceeds, the size distribution shifts towards larger aggregates, and from this variation aggregation and breakup rates involving different clusters can be deduced. The disadvantage of the technique is that the aggregates are forced through a narrow capillary under high shear, and the aggregates may disrupt under these conditions. Indirect techniques. As many properties of colloidal suspensions depend on the state of aggregation of the suspended particles, various indirect techniques have been used to monitor particle aggregation too. While it can be difficult to obtain quantitative information on aggregation rates or cluster properties from such experiments, they can be most valuable for practical applications. Among these techniques settling tests are most relevant. When one inspects a series of test tubes with suspensions prepared at different concentration of the flocculant, stable suspensions often remain dispersed, while the unstable ones settle. Automated instruments based on light scattering/transmittance to monitor suspension settling have been developed, and they can be used to probe particle aggregation. One must realize, however, that these techniques may not always reflect the actual aggregation state of a suspension correctly. For example, larger primary particles may settle even in the absence of aggregation, or aggregates that have formed a colloidal gel will remain in suspension. Other indirect techniques capable to monitor the state of aggregation include, for example, filtration, rheology, absorption of ultrasonic waves, or dielectric properties.
Подсчет отдельных частиц. Этот метод обеспечивает отличное разрешение, позволяя индивидуально определять кластеры, состоящие из десятков частиц. Агрегирующая суспензия пропускается через узкий капиллярный счетчик частиц, и размер каждого агрегата анализируется методом рассеяния света. По интенсивности рассеяния можно определить размер каждого агрегата и построить детальное распределение размеров агрегатов. Если суспензии содержат большое количество соли, можно также использовать счетчик Кальтера. Со временем распределение размеров смещается в сторону более крупных агрегатов, и по этому изменению можно определить скорости агрегации и распада, включающие различные кластеры. Недостатком этого метода является то, что агрегаты пропускаются через узкий капилляр под высоким сдвигом, и агрегаты могут разрушаться в этих условиях.
While the first two processes correspond to homoaggregation in pure suspensions containing particles A or B, the last reaction represents the actual heteroaggregation process. Each of these reactions is characterized by the respective aggregation coefficients kAA, kBB, and kAB. For example, when particles A and B bear positive and negative charge, respectively, the homoaggregation rates may be slow, while the heteroaggregation rate is fast. In contrast to homoaggregation, the heteroaggregation rate accelerates with decreasing salt concentration. Clusters formed at later stages of such heteroaggregation processes are even more ramified that those obtained during DLCA (d ≈ 1.4). An important special case of a heteroaggregation process is the deposition of particles on a substrate. Light transmission. The variation of transmitted light through an aggregating suspension can be studied with a regular spectrophotometer in the visible region. As aggregation proceeds, the medium becomes more turbid, and its absorbance increases. The increase of the absorbance can be related to the aggregation rate constant k and the stability ratio can be estimated from such measurements. The advantage of this
technique is its simplicity. Light scattering. These techniques are based on probing the scattered light from an aggregating suspension in a time resolved fashion. Static light scattering yields the change in the scattering intensity, while dynamic light scattering the variation in the apparent hydrodynamic radius. At early stages of aggregation, the variation of each of these quantities is directly proportional to the aggregation rate constant
k.
At later stages, one can obtain information on the clusters formed (e. g., fractal dimension). Light scattering works well for a wide range of particle sizes. Multiple scattering effects may have to be considered, since scattering becomes increasingly important for larger particles or larger aggregates. Such effects can be neglected in weakly turbid suspensions. Aggregation processes in strongly scattering systems have been studied with transmittance, backscattering techniques or diffusing wave spectroscopy. Single particle counting. This technique offers excellent resolution, whereby clusters made out of tenths of particles can be resolved individually. The aggregating suspension is forced through a narrow capillary particle counter and the size of each aggregate is being analyzed by light scattering. From the scattering intensity, one can deduce the size of each aggregate, and construct a detailed aggregate size distribution. If the suspensions contain high amounts of salt, one could equally use a Coulter counter. As time proceeds, the size distribution shifts towards larger aggregates, and from this variation aggregation and breakup rates involving different clusters can be deduced. The disadvantage of the technique is that the aggregates are forced through a narrow capillary under high shear, and the aggregates may disrupt under these conditions. Indirect techniques. As many properties of colloidal suspensions depend on the state of aggregation of the suspended particles, various indirect techniques have been used to monitor particle aggregation too. While it can be difficult to obtain quantitative information on aggregation rates or cluster properties from such experiments, they can be most valuable for practical applications. Among these techniques settling tests are most relevant. When one inspects a series of test tubes with suspensions prepared at different concentration of the flocculant, stable suspensions often remain dispersed, while the unstable ones settle. Automated instruments based on light scattering/transmittance to monitor suspension settling have been developed, and they can be used to probe particle aggregation. One must realize, however, that these techniques may not always reflect the actual aggregation state of a suspension correctly. For example, larger primary particles may settle even in the absence of aggregation, or aggregates that have formed a colloidal gel will remain in suspension. Other indirect techniques capable to monitor the state of aggregation include, for example, filtration, rheology, absorption of ultrasonic waves, or dielectric properties.
Косвенные методы. Поскольку многие свойства коллоидных суспензий зависят от состояния агрегации взвешенных частиц, для мониторинга агрегации частиц также использовались различные косвенные методы. Хотя из таких экспериментов может быть трудно получить количественную информацию о скоростях агрегации или свойствах кластеров, они могут быть наиболее ценными для практических применений. Среди этих методов наиболее актуальны тесты на отстой. При осмотре серии пробирок с суспензиями, приготовленными при различных концентрациях флокулянта, стабильные суспензии часто остаются диспергированными, а нестабильные – оседают. Были разработаны автоматические приборы, основанные на рассеянии/пропускании света для мониторинга отстоя суспензии, и они могут использоваться для исследования агрегации частиц. Однако следует понимать, что эти методы не всегда точно отражают фактическое состояние агрегации суспензии. Например, более крупные первичные частицы могут оседать даже при отсутствии агрегации, или агрегаты, образовавшие коллоидный гель, останутся во взвешенном состоянии. Другие косвенные методы, способные контролировать состояние агрегации, включают, например, фильтрацию, реологию, поглощение ультразвуковых волн или диэлектрические свойства.
While the first two processes correspond to homoaggregation in pure suspensions containing particles A or B, the last reaction represents the actual heteroaggregation process. Each of these reactions is characterized by the respective aggregation coefficients kAA, kBB, and kAB. For example, when particles A and B bear positive and negative charge, respectively, the homoaggregation rates may be slow, while the heteroaggregation rate is fast. In contrast to homoaggregation, the heteroaggregation rate accelerates with decreasing salt concentration. Clusters formed at later stages of such heteroaggregation processes are even more ramified that those obtained during DLCA (d ≈ 1.4). An important special case of a heteroaggregation process is the deposition of particles on a substrate. Light transmission. The variation of transmitted light through an aggregating suspension can be studied with a regular spectrophotometer in the visible region. As aggregation proceeds, the medium becomes more turbid, and its absorbance increases. The increase of the absorbance can be related to the aggregation rate constant k and the stability ratio can be estimated from such measurements. The advantage of this
technique is its simplicity. Light scattering. These techniques are based on probing the scattered light from an aggregating suspension in a time resolved fashion. Static light scattering yields the change in the scattering intensity, while dynamic light scattering the variation in the apparent hydrodynamic radius. At early stages of aggregation, the variation of each of these quantities is directly proportional to the aggregation rate constant
k.
At later stages, one can obtain information on the clusters formed (e. g., fractal dimension). Light scattering works well for a wide range of particle sizes. Multiple scattering effects may have to be considered, since scattering becomes increasingly important for larger particles or larger aggregates. Such effects can be neglected in weakly turbid suspensions. Aggregation processes in strongly scattering systems have been studied with transmittance, backscattering techniques or diffusing wave spectroscopy. Single particle counting. This technique offers excellent resolution, whereby clusters made out of tenths of particles can be resolved individually. The aggregating suspension is forced through a narrow capillary particle counter and the size of each aggregate is being analyzed by light scattering. From the scattering intensity, one can deduce the size of each aggregate, and construct a detailed aggregate size distribution. If the suspensions contain high amounts of salt, one could equally use a Coulter counter. As time proceeds, the size distribution shifts towards larger aggregates, and from this variation aggregation and breakup rates involving different clusters can be deduced. The disadvantage of the technique is that the aggregates are forced through a narrow capillary under high shear, and the aggregates may disrupt under these conditions. Indirect techniques. As many properties of colloidal suspensions depend on the state of aggregation of the suspended particles, various indirect techniques have been used to monitor particle aggregation too. While it can be difficult to obtain quantitative information on aggregation rates or cluster properties from such experiments, they can be most valuable for practical applications. Among these techniques settling tests are most relevant. When one inspects a series of test tubes with suspensions prepared at different concentration of the flocculant, stable suspensions often remain dispersed, while the unstable ones settle. Automated instruments based on light scattering/transmittance to monitor suspension settling have been developed, and they can be used to probe particle aggregation. One must realize, however, that these techniques may not always reflect the actual aggregation state of a suspension correctly. For example, larger primary particles may settle even in the absence of aggregation, or aggregates that have formed a colloidal gel will remain in suspension. Other indirect techniques capable to monitor the state of aggregation include, for example, filtration, rheology, absorption of ultrasonic waves, or dielectric properties.
Актуальность
Агрегация частиц – широко распространенное явление, которое спонтанно возникает в природе, но также широко изучается в промышленности. Некоторые примеры включают: Формирование дельты реки. Когда речная вода, несущая взвешенные частицы осадка, достигает соленой воды, агрегация частиц может быть одним из факторов, ответственных за образование речной дельты. Заряженные частицы стабильны в пресной речной воде с низким содержанием соли, но становятся нестабильными в морской воде с высоким содержанием соли. В последней среде частицы агрегируют, более крупные агрегаты оседают, тем самым формируя речную дельту. Производство бумаги. Для ускорения формирования бумажного полотна в бумажную массу добавляют вещества для удержания. Эти вещества являются коагулянтами, которые ускоряют агрегацию между целлюлозными волокнами и частицами наполнителя. Часто для этой цели используют катионные полиэлектролиты. Очистка воды. Очистка коммунальных сточных вод обычно включает стадию удаления мелких твердых частиц. Это разделение достигается путем добавления флокулянта или коагулянта, который вызывает агрегацию взвешенных твердых веществ. Агрегаты обычно отделяются путем осаждения, образуя осадочный шлам. Обычно используемые флокулянты в очистке воды включают многовалентные ионы металлов (например, Fe3+ или Al3+), полиэлектролиты или их комбинацию. Производство сыра. Ключевым этапом в производстве сыра является разделение молока на твердый сгусток и жидкую сыворотку. Это разделение достигается путем индуцирования процессов агрегации между казеиновыми мицеллами путем подкисления молока или добавления сычужного фермента. Подкисление нейтрализует карбоксилатные группы на мицеллах и вызывает агрегацию.