입자집합

입자 응집이란 정지 상태에서 조립체의 형성을 말하며, 콜로이드 시스템의 기능적 불안정화를 유도하는 메커니즘을 나타낸다. 이 과정 동안 액체 위상에 분산된 입자들은 서로 달라붙어 자연적으로 불규칙한 입자 조립체, 플록 또는 응집체를 형성한다. 이러한 현상을 응고 또는 편광이라고도 하며, 이러한 정지를 불안정한 상태라고도 한다. 입자 응고제는 응고제 또는 편도체로 언급되는 소금이나 다른 화학물질을 첨가하여 유도할 수 있다.^[1]

입자 응고는 되돌릴 수 있거나 되돌릴 수 없는 과정이 될 수 있다. "하드 응집체"로 정의되는 입자 응집체는 초기 단일 입자에 다시 붙이기가 더 어렵다. 응집 과정에서 응집체의 크기가 커지며, 그 결과 용기의 바닥에 정착할 수 있으며, 이를 침전이라고 한다. 또는, 콜로이드 겔은 그 rheological 특성을 바꾸는 농축된 서스펜션을 형성할 수 있다. 입자 응집물이 펩타이드라고 불리는 개별 입자로 재분산되는 역방향 과정은 거의 자연적으로 발생하지 않지만 교반 또는 전단 시 발생할 수 있다.

콜로이드 입자는 또한 오랜 기간(일 ~ 년) 동안 액체로 분산되어 있을 수 있다. 이러한 현상을 콜로이드 안정이라고 하며 이러한 정지는 기능적으로 안정적이라고 한다. 안정정지는 낮은 염분 농도 또는 안정제 또는 안정제라고 하는 화학물질을 첨가하여 얻는 경우가 많다. 입자의 안정성은 콜로이드성 또는 그 외의 방법으로 가장 일반적으로 제타 잠재력의 관점에서 평가된다. 이 매개변수는 입자 집적의 핵심 억제제인 인터피러터 반발에 대해 쉽게 정량화할 수 있는 척도를 제공한다.

유사한 응집 프로세스는 다른 분산 시스템에서도 발생한다. 유화에서 그것들은 또한 물방울 결합에 결합될 수 있으며 침전뿐만 아니라 크림을 유발할 수 있다. 에어로졸에서 공기 중 입자는 균일하게 응집되어 더 큰 군집(예: 그을음)을 형성할 수 있다.

초기 단계

잘 분산된 콜로이드 서스펜션은 분리된 개별 입자로 구성되며, 혐오스러운 입자간 힘에 의해 안정된다. 반발력이 약해지거나 응고제를 첨가하여 매력적이 되면 입자들이 모여들기 시작한다. 처음에, 입자 이중화 A는₂ 계획에^[2] 따라 싱글트 A로부터₁ 형성될 것이다.

A₁ + A₁ → A₂

집적 프로세스 초기에는 서스펜션이 주로 개별 입자를 포함하고 있다. 이 현상의 비율은 집계율 계수 k가 특징이다. doublet 형성은 2차 순서율 공정이기 때문에 입자 농도는 단위 부피(m⁻³)당 입자 번호로 표현되기 때문에 이 계수의 단위는³⁻¹ ms이다. 절대집계율은 측정이 어렵기 때문에 종종 치수 없는 안정성비 W = k/k_fast/k를 가리키는데 여기서 k는_fast 빠른 체계의 집계율 계수, k는 관심 조건의 계수다. 안정비율은 빠른 정권에서는 단결에 가깝고 느린 정권에서는 증가하며, 중단이 안정되면 매우 커진다.

종종 콜로이드 입자들이 물에 매달려 있다. 이 경우 표면 전하를 축적하고 각 입자를 중심으로 전기적 이중층이 형성된다.^[3] 접근하는 두 입자의 분산층 사이의 중첩은 반발하는 이중층 상호작용 전위를 초래하여 입자 안정화를 초래한다. 서스펜션에 소금을 넣으면 전기적 이중층 반발력이 차단되고 판데르발스의 매력이 지배적이 되어 빠른 집적을 유도한다. 오른쪽 그림은 안정비 W 대 전해질 농도의 전형적인 의존성을 보여 주며, 여기에서 느리고 빠른 집계의 방법이 표시된다.

아래 표에는 카운터 이온의 다른 순충전에 대한 임계 응고 농도(CCC) 범위가 요약되어 있다.^[4] 충전량은 기본 충전 단위로 표시된다. 슐제-의존도를 반영한 것이다.CCC가 카운터 이온 전하의 역6전력에 따라 달라진다는 것을 기술한 하디 규칙.^[5][6] CCC도 같은 전하를 띠더라도 다소 이온의 종류에 의존한다. 이러한 의존성은 입자 표면에 대한 다른 입자 특성 또는 다른 이온 친화도를 반영할 수 있다. 입자가 음전하되는 경우가 많기 때문에, 다차원 금속 양이온들은 따라서 매우 효과적인 응고제를 나타낸다.

충전	CCC (×10−3 mol/L)
1	50-300
2	2-30
3	0.03-0.5

반대방향으로 충전된 종(예: 양성자, 특히 이온, 계면활성제 또는 다극성 물질)의 흡착은 전하중화에 의해 입자정지를 불안정하게 하거나 전하의 축적에 의해 안정화시켜 전하중화점 부근의 급속한 집적을 초래하고 그것으로부터 서서히 멀어지는 결과를 초래할 수 있다.

콜로이드 안정성에 대한 정량적 해석은 DLVO 이론 내에서 먼저 공식화되었다.^[2] 이 이론은 비록 느린 정권에서 종종 소금 농도에 대한 의존이 실험적으로 관찰된 것보다 훨씬 더 강할 것으로 예측되지만 느리고 빠른 집산 체제의 존재를 확인시켜 준다. 더 슐츠-하디 룰은 DLVO 이론에서도 파생될 수 있다.

콜로이드 안정화의 다른 메커니즘도 마찬가지로 가능한데, 특히 폴리머를 포함한다. 흡착 또는 접붙인 중합체는 입자 주위에 보호층을 형성하여 강직물 반발력을 유도할 수 있으며, 콘크리트의 수축을 줄이면서 콘크리트의 작업성을 증가시키도록 특수 설계된 마지막 세대인 폴리카복실산 에테르(PCE)의 경우다.그것의 특성과 내구성을 향상시키기 위하여. 폴리머 체인이 입자에 느슨하게 흡착될 때, 폴리머 체인은 두 개의 입자를 결합하고 브리징 힘을 유도할 수 있다. 이 상황을 브리징 플로크레이션이라고 한다.

입자 집적이 확산에 의해서만 추진되는 경우, 하나는 근위축적 집적을 가리킨다. 전단 응력(예: 교반)을 통해 집계를 강화할 수 있다. 후자의 경우를 직교동학집계라고 한다.

후기 단계

집적 과정이 계속되면 더 큰 클러스터가 형성된다. 이러한 성장은 주로 서로 다른 클러스터 간의 충돌을 통해 발생하며, 따라서 클러스터-클러스터 통합 프로세스를 가리킨다. 결과 군집은 불규칙하지만 통계적으로 자체 유사하다. 그것들은 질량 프랙탈의 예로서, 그들의 질량 M은 힘^[2] 법칙으로서 자임 R의_g 반경으로 특징지어지는 전형적인 크기로 자란다.

${\displaystyle M\propto R_{g}^{d}}}$

여기서 d는 질량 프랙탈 차원이다. 집계가 빠른지 느린지에 따라 확산제한클러스터집계(DLCA) 또는 반응제한클러스터집계(RLCA)를 가리킨다. 군집은 정권마다 성격이 다르다. DLCA 클러스터는 느슨하고 래미드(d ≈ 1.8)된 반면, RLCA 클러스터는 더 컴팩트(d 2 2.1)하다.^[7] 군집 크기 분포는 또한 이 두 정권에서 다르다. DLCA 클러스터는 상대적으로 단일화된 반면, RLCA 클러스터의 크기 분포는 매우 넓다.

클러스터 크기가 클수록 안착 속도가 빨라진다. 그러므로, 입자 침전물과 이 메커니즘을 통합하면 입자 침전물을 서스펜션으로부터 분리할 수 있다. 더 높은 입자 농도에서 자라는 군집은 서로 연결되어 입자 겔을 형성할 수 있다. 이런 젤은 탄성 고형체지만 탄성 계수가 매우 낮아 일반 고형체와는 다르다.

호모agration 대 이질화

유사한 모노디스페르스 콜로이드 입자로 구성된 보류지에서 집계가 일어날 때, 그 과정을 호모아그 분리(또는 호모코아게이션)라고 부른다. 서로 다른 콜로이드 입자로 구성된 서스펜션에서 집계가 발생할 때, 하나는 이단 분리(또는 이단응고)를 가리킨다. 가장 간단한 이단분리 과정은 두 종류의 모노디세이드 콜로이드 입자가 혼합될 때 발생한다. 초기 단계에서는 세 종류의 더블트(doubt)가 형성될 수 있다.

A + A → A₂

B + B → B₂

A + B → AB

처음 두 프로세스는 입자 A 또는 B를 포함하는 순수한 중단에서 호모agration에 해당하지만, 마지막 반응은 실제 이단 분리 과정을 나타낸다. 이러한 각각의 반응은 각각의 집계 계수 k_AA, k, k로_BBAB 특징지어진다. 예를 들어 입자 A와 B가 각각 양극과 음극 전하를 갖는 경우 호모agration 속도는 느린 반면, 이극화 속도는 빠를 수 있다. 호모아그 분리와는 대조적으로, 이단 분리는 염분 농도 감소와 함께 가속화된다. 이러한 이단 분리 프로세스의 후기 단계에서 형성된 클러스터는 DLCA (d 1 1.4) 동안에 얻은 클러스터보다 훨씬 더 많이 파괴된다.^[9]

이단분리 과정의 중요한 특별한 경우는 기질에 입자가 쌓이는 것이다.^[1] 공정의 초기 단계는 기질에 개별 입자를 부착하는 것과 일치하며, 이것은 또 다른, 훨씬 더 큰 입자로서 그림이 될 수 있다. 이후 단계는 입자 간의 반발적 상호작용을 통해 기질 차단을 반영할 수 있는 반면, 매력적인 상호작용은 다층 성장을 유발할 수 있으며, 숙성이라고도 한다. 이러한 현상은 막이나 필터 파울링과 관련이 있다.

실험기법

입자 집적을 연구하기 위해 수많은 실험 기법이 개발되었다. 가장 많이 사용되는 것은 빛의 투과율이나 산란을 기반으로 한 시간 분해 광학 기법이다.^[10]

광전송. 집적 정지를 통해 전달되는 빛의 변화는 가시 영역의 정규 분광도계로 연구할 수 있다. 집계가 진행될수록 매질은 탁해지고 흡광도는 높아진다. 흡광도의 증가는 집계율 상수 k와 관련될 수 있으며 그러한 측정치를 통해 안정성 비율을 추정할 수 있다. 이 기술의 장점은 간단하다는 것이다.

빛 산란. 이 기법들은 총집적 서스펜션으로부터 산란된 빛을 시간적으로 분해된 방식으로 조사하는 것에 기초한다. 정적 빛의 산란은 산란 강도의 변화를 생성하는 반면 동적 광은 겉보기 유체 역학 반경의 변화를 산란시킨다. 집합의 초기 단계에서 이들 수량의 변동은 집합률 상수 k에 정비례한다.^[11] 나중에 형성된 군집(예: 프랙탈 치수)에 대한 정보를 얻을 수 있다.^[7] 빛의 산란은 다양한 입자 크기에 잘 작용한다. 더 큰 입자 또는 더 큰 골재에 대해 산란이 점점 더 중요해지기 때문에 다중 산란 효과를 고려해야 할 수 있다. 이러한 효과는 약하게 탁한 정지 상태에서는 무시될 수 있다. 강하게 산란되는 시스템에서 집적 프로세스는 투과율, 백스캐터링 기법 또는 확산파 분광법으로 연구되었다.

단일 입자 계수. 이 기법은 뛰어난 분해능을 제공하며, 10분의 1의 입자로 이루어진 군집을 개별적으로 분해할 수 있다.^[11] 집적 서스펜션은 좁은 모세관 입자 계수기를 통해 강제되며 각 집적물의 크기는 빛 산란으로 분석되고 있다. 산란 강도로부터 각 골재의 크기를 추론할 수 있으며, 상세한 골재 크기 분포를 구성할 수 있다. 만약 서스펜션이 많은 양의 소금을 포함하고 있다면, 똑같이 콜터 카운터를 사용할 수 있을 것이다. 시간이 경과함에 따라 크기 분포는 더 큰 Aggregate로 이동하며, 서로 다른 클러스터와 관련된 이러한 변동 집계 및 분리 비율을 추론할 수 있다. 이 기술의 단점은 높은 전단 하에서 골재가 좁은 모세관을 통해 강제되고 골재가 이러한 조건에서 붕괴될 수 있다는 것이다.

간접 기술. 콜로이드 정지의 많은 성질은 부유 입자의 집적 상태에 따라 달라지기 때문에 입자 집적을 감시하는 다양한 간접 기법도 사용되어 왔다. 그러한 실험에서 집적률이나 군집 속성에 대한 정량적 정보를 얻는 것은 어려울 수 있지만, 그것들은 실제 적용에 가장 유용할 수 있다. 이러한 기법 중 시험 안착이 가장 목적적합하다. 다른 농도의 편평한 농도로 준비된 서스펜션이 있는 일련의 테스트 튜브를 검사할 때 안정적 서스펜션이 분산된 상태로 유지되는 경우가 많고, 불안정한 서스펜션이 정착되는 경우도 많다. 서스펜션 안착을 모니터링하기 위한 광 산란/투과성에 기반한 자동 계측기가 개발되었으며, 입자 집적을 조사하는 데 사용할 수 있다. 그러나 이러한 기법이 항상 정지의 실제 집계 상태를 정확하게 반영하는 것은 아니라는 점을 깨달아야 한다. 예를 들어, 더 큰 1차 입자가 집적이 없는 경우에도 정착할 수 있거나, 콜로이드 겔을 형성한 골재는 중단 상태를 유지할 수 있다. 집적 상태를 감시할 수 있는 다른 간접 기법으로는 여과, 적혈구, 초음파 흡수 또는 유전체 특성이 있다.^[10]

관련성

입자 집적은 자연에서 자연적으로 발생하지만 제조업에서도 광범위하게 탐구되는 광범위한 현상이다. 몇 가지 예는 다음과 같다.

강 삼각주의 형성. 부유 퇴적물 입자를 운반하는 강물이 짠물에 이르면 입자 집적은 강 삼각주 형성을 담당하는 요인 중 하나가 될 수 있다. 충전된 입자는 낮은 수준의 소금을 함유한 강의 담수에서는 안정적이지만 높은 수준의 소금을 함유한 바닷물에서는 불안정해진다. 후자의 매질에서는 입자가 응집하고, 큰 입자가 침전물을 응집하여 강 삼각주를 만든다.

페이퍼 메이킹. 제지 보조 기구를 펄프에 넣어 종이 형성을 가속화한다. 이러한 보조 기구는 응고 보조 기구로, 셀룰로오스 섬유와 필러 입자 사이의 집적을 가속화한다. 종종, 계양성 다전극이 그 목적으로 사용되고 있다.

수처리. 도시 폐수의 처리에는 보통 미세한 고체 입자가 제거되는 단계가 포함된다. 이 분리는 부유물질의 집적을 유도하는 플록코팅 또는 응고제를 첨가하여 달성된다. 골재는 일반적으로 침전물에 의해 분리되어 오수 슬러지로 이어진다. 수처리 시 일반적으로 사용되는 플록코팅제는 다발성 금속 이온(예: Fe³⁺ 또는 Al³⁺), 다극성 또는 둘 모두를 포함한다.

치즈 만들기. 치즈 생산의 핵심 단계는 우유를 고체 덩어리와 액체 유장으로 분리하는 것이다. 이 분리는 우유를 산성화하거나 레넷을 첨가하여 케이스인 마이크로셀 사이의 집적 과정을 유도함으로써 달성된다. 산화는 마이크로멜의 카르복실산 그룹을 중화시키고 집적을 유도한다.

참고 항목

참조

외부 링크

• 극미중력으로