Päivän teemat. 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta. 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Päivän teemat. 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta. 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka"

Katriina Mäkelä
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Päivän teemat 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta a) Kolloidi- ja pintakemian käytännön haasteet b) Muutamat käsitteet 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

2 Miksi pintakerros on niin ohut? Kahden molekyylin välinen vuorovaikutusenergia: U A r 6 B r 12 U/kT r r o U = energia r = etäisyys Energia pienenee nopeasti etäisyyden funktiona r/r A = , B = , T = 298 K

3 Voimia rajapinnalla Molekyylien väliset vuorovaikutukset Kaasu Isotroopinen / homogeeninen rajapinta Anisotrooppinen/ heterogeeninen Neste Isotrooppinen Vaikutukset: pintajännitys, vesipisarat, kapilaarivoimat

4 Tyypillisiä käytännön haasteita kolloidikemiassa Miten valmistetaan stabiili dispersio, emulsio tai vaahto? Miten ph, T, suolakonsentraatio tai leikkausvoimat vaikuttavat dispersion (emulsion, vaahdon) stabiiliuteen? Miten kolloidi flokataan? Mikä on flokatun kolloidin rakenne? Pickering emulsion Huokoinen Järjestäytynyt Tiivis Mikä on dispersion ja liuoksen ero? Mitä tarkoittaa flokkaus?

5 Kolloidikemian käsitteitä Suspensio: kiinteät partikkelit nesteessä Kolloidaalinen suspensio: partikkelit kolloidaalisessa kokoluokassa (nm-µm) Dispersio: partikkelit ja väliaine voi olla kiinteä, neste tai kaasu Kolloidi/kolloidaalinen dispersio: dispersio, mutta partikkelit ovat kolloidaalista kokoluokkaa Kaksi faasia: jatkuva ja dispergoitunut faasi Liuos: esim NaCl + vesi: yksi faasi

6 Flokkuointi dispersio flokkulointi sedimentaatio Flokkulointi: reversiibeli aggregoituminen Koagulointi: irreversiibeli aggregoituminen

7 Pintakemian käytännön haasteet Miten puhdistaa pintaa? Miten pitää pintaa puhtaana? Miten kontrolloit miten neste kostuttaa pintaa? Miten saada pinnat tarttumaan toisiinsa? Miten nesteet tunkeutuvat huokoisiin?

8 Kolloidien stabilisuus Flokkulointi/koagulointi Mikä vaikuttaa flokkulointiin: Kuinka usein partikkelit törmäävät: - Partikkelikoko - Partikkelimuoto - Sekoitus - Sedimentaatio Törmäystehoon vaikuttaa: - Partikkeleiden välinen vuorovaikutus - Tämän vuorovaikutuksen riippuvuus etäisyydestä

9 Voimia kolloidaalisissa dispersioissa pintavoimia diffuusivoima(brownian motion) kitkavoima Hydrodynaamisia voimia Esim. sekoitus

10 Brownian motion (Brownin liike) Partikkelit liikkuvat koko ajan kolloidaalisessa dispersiossa. Tämä liike on nopea ja täysin satunnainen. x x

11 Miksi kannattaisi tutkia pintakemiaa? Uudet funktionaaliset (kestävät) materiaalit Nanosellu Nanolitografiaa käyttäen lohkopolymeerejä ja kontrolloimalla niiden itsejärjestätymistä liuotin- vaihdolla Nanoteknologiassa tärkeää Paljon avoimia kysymyksiä ACS Nano, 2014, 8 (10), pp

12 CHEM-C2230 Pintakemia 3. Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Monika Österberg Kevät 2016

13 Adsorptio muuttaa pintaominasuuksia Pinta-aktiivisen aineen adsorptio vedenpinnalle Miten vaikuttaa pintajännitykseen? Voidaan muuttaa pinnan varausta Retentiopolymeerien adsorptio Veden puhdistus (flokkaus) käyttäen polymeerejä flokkulantteina Voidaan muuttaa pinnan pintaenergia Vaikutetaan veden/liuosten leviämiseen Vaikutetaan aineiden tarttumiseen Pintojen likaantuminen Mitä adsorboituu? Mitkä ominaisuudet voi muuttua? Adsorptio voi muuttaa pintajännitystä, vuorovaikutusta, varausta, pintaenergiaa,

14 Adsorptio Adsorptio = aineen rikastuminen pintaan Adsorption suuruutta kuvataan pintakonsentraation, (surface concentration), avulla: n s A n s = pinta-alaan A adsorboituneen aineen määrä. 03/14

15 Adsorption kuvaaminen: adsorptioisotermi Pintakonsentraatio, Adsorptioisotermi = pinnalle adsorboitunut ainemäärä liuoksen konsentraation funktiona Konsentraatio liuoksessa, c HUOM: Kokonaiskonsentraatio = adsorboitunut määrä + konsentraatio liuoksessa 03/15

16 Adsorptioon vaikuttavia vuorovaikutuksia van der Waals-vuorovaikutuksia: fysikaalinen adsorptio (physisorption) Kemialliset reaktiot pinnassa: kemisorptio (hyvin tärkeä katalyysissä) (chemisorption) Sähköstaattiset vuorovaikutukset Adsorboitunut kerros on usein järjestäytynyt: molekyylit orientoituvat tiettyyn suuntaan ionit jakautuvat kerroksiin 03/16

17 Pintakonsentraation laskeminen: Gibbsin jakopinta β τ X B α A = liuotin, B = liennut aine 03/17

18 Fysikaalisesti ei voida yksiselitteisesti määrittää mistä toinen faasi alkaa ja toinen loppuu, koska aineiden konsentraatiot muuttuvat faasirajassa yleensä astettain. Määritetään matemaattinen rajapinta (X), jolla ei ole paksuutta. n s B Adsorboitunut määrä on se määrä ainetta B, joka on systeemissä yli sen määrän joka olisi siellä jos faasien koostumukset todella säilyisivät muuttumatomina tasoon X asti. X sijoittuu siten että liuotinylimäärä = 0 Merkitään aineen B pintaylimäärää Useimmiten käytetään liuotinta A referenssiaineena B (A) Pintakonsentraatiota kutsutaan näin määritettäessä myös pintaylimääräksi (surface excess)

19 Adsorption mittaaminen (kiinteät aineet) c A o Sekoitetaan Erotetaan c A c B 0 m c B m Liuos ja kiinteä aine (hiukkaset), jonka massa on m ja ominaispinta-ala on A s, sekoitetaan siten, että systeemi saavuttaa tasapainotilan. Kiinteä aine erotetaan liuoksesta ja mitataan aineiden konsentraatiot. Jos liuos on laimea ja adsorptio voimakasta voidaan pintakonsentraatio laskea kaavasta (V = liuoksen tilavuus) A ( ) B c B o cb A m s V Adsorptio nesteen pinnalle on mahdotonta mitata tällä tavalla, koska pintaala muuttuu nestettä erotettaessa 03/19

20 Gibbs in adsorptioyhtälö Adsorptio voidaan laskea pintajännityksestä. Pintaylimäärän ja pintajännityksen välinen yhteys saadaan, adsorptiotasapainon vallitessa, Gibbsin adsorptioyhtälön mukaan (Gibbs adsorption equation): d d B B (A) B = aineen kemiallinen potentiaali. Laimeassa liiuoksessa B B o RT ln cb joten B (A) 1 RT d dlnc B 03/20

21 Adsorption mittaaminen (liuokset) Pintajännitys Pintakonsentraatiota lasketaan käyrän kaltevuudesta Mitataan liuoksen pintajännitys aineen konsentraation (c B ) funktiona Lasketaan pintakonsentraatio käyttämällä Gibbs in adsorptioyhtälöä B (A) 1 RT d dlnc B ln c B 03/21

22 Esimerkkejä 03/22

23 Esimerkki: alifaaattisten alkoholien vesiliuosten pintajännitykset (25 o C) A = hexanoli (C 6 H 13 OH) B = heptanoli (C 7 H 15 OH) C = oktanoli (C 8 H 17 OH) D = nonanoli (C 9 H 19 OH) E = dekanoli (C 10 H 21 OH) Heptanolin pintakonsentraatio kun c 2 = 0,01 mol/dm 3 : Miten pinta-aktiivisen aineen ketjunpituus vaikuttaa d dl ln c B -2 d 21,5 mj m 2.303d log c B 2,303 0,5 (A) B = 7,55 mol m 2 45, molek. m 2 0, 2 nm 2 / molek 03/23

24 Surface modification of lignin nanoparticles (LNP) with polycation Zeta potential (mv) The surface charge can be reversed E-6 1E-4 1E-2 1E+0 PDADMAC/LNP (mg/mg) Lievonen et al Green Chemistry 2015 Mitä hyötyä on pintavarauksen muuttamisesta? PDADMAC

25 Application: Layer-by-Layer coatings Wax particles ZnO particles Pre-coating (PDDA/PSS)3 + - Possibilities: Pre-coating + (ZnO/PSS)n + Wax Pre-coating + (ZnO/Wax)n Pre-coating is required to even out the charges on wooden surface and make the coating homogeneous

26 Kostuminen Sinkkioksidipartikkeleita + vahapartikkeleita puupinnalla layer of ZnO Contact angle Polyelektrolyyttejä+ nanopartikkeleita Time, s Pre-coating Pre-coating + ZnO Pre-coating + Zno + Wax Lozhechnikova manuscript

27 Vaahdon muodostus air

28 Paperin valmistus: retentio Hubbe

29 Mitä ominaisuuksia voidaan muuttaa adsorption avulla? Antakaa käytännön esimerkkejä 1) Adsorptio neste-kaasu rajapinnalle 2) Adsorptio kiinteälle pinnalle - polymeeri - pinta-aktiivinen aine - partikkeli 03/29

30 Adsorptioilmiöt esimerkkejä paperin valmistuksesta Hemiselluloosan, uuteaineiden, ligniinin ja metalli-ionien adsorptio kuituihin Pesu, valkaistavuus, sitoutumiskyky Hydrofobisten aineiden ja hartsien adsorptio paperin pinnalle Hydrofobointi, pintakäsittelyt, märkä- ja kuivalujitteet Synteettisten polymeerien ja pinta-aktiivisten aineiden adsorptio kuitujen ja pigmenttien pinnoille Retentioaineiden toiminta, vedenpuhdistus Päällystyspastojen ja täyteaineiden dispergointi ja stabiilisuus Pinta-aktiivisten aineiden, polymeerien ja partikkelien adsorptio vesiliuosten pinnoille Vaahdon muodostus, vaahdonestoaineiden toiminta Hydrofobisten aineiden ja polymeerien adsorptio paperikoneen telapinnoille jne.

31 Eri paperikemikaalien toimintamekaniskmit Adsorptio esim. Retentiokemikaalit Adsorptio-Reaktio e.g. Märkälujahartsit Adsorption-Leviäminen-Reaktio hydrofobointiaineet (esim. AKD)

32 Polymeerien adsorptio

33 AKD (alkylketendimer) hydrofobointi 1) Retentio 2) Leviäminen 3) Reaktio AKD reagoi selluloosan OH-ryhmien kanssa

34 Yhteenveto Adsorptio = aineen rikastuminen pintaan Gibbsin adsorptioyhtälö pintaylimäärä Adsoption avulla voidaan muuttaa pintaominaisuuksia Varaus, vuorovaikutus, pintajännitys Kostuminen, likaantuminen Vaahtojen muodostus tai esto Emulsioiden muodostus 03/34

Samankaltaiset tiedostot

Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

CHEM-C2230 Pintakemia Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Monika Österberg 6.3.2017 1 Päivän teemat ja oppimistavoitteet 1) Kertaus viime luennolta ja laskuesimerkkejä: 1) Kapilaaripaine 2) Kelvinin