Medición puntual isoeléctrica

El potencial zeta es la carga sobre una partícula en el plano de cizalladura. Este valor de carga superficial es útil para entender y predecir las interacciones entre partículas en suspensión. Un potencial zeta de gran magnitud (ya sea positiva o negativa), es decir, a unos 25 mV, se considera generalmente una indicación de que la suspensión de partículas será estabilizada electrostáticamente. El potencial Zeta puede medirse con el HORIBA SZ-100Z mostrado en la Figura 1.

El potencial zeta es función tanto de la química de la superficie de partículas como de la química del medio suspendente (1). Los iones que se encuentran en la superficie de la partícula y el potencial de control de la superficie dependen de la concentración y la naturaleza de los iones en el líquido a granel. Además, la concentración de iones afecta a la distancia a la que persisten los efectos de carga. Por ejemplo, una cantidad significativa de sal disuelta protegerá las interacciones electrostáticas entre partículas. Algunos iones, conocidos como iones específicos, prefieren adherirse a la superficie de la partícula a medida que aumenta la concentración de estos iones. Ejemplos de iones específicos incluyen H ⁺ y iones polivalentes. En este trabajo se estudia el efecto de la concentración de H ⁺ sobre la carga superficial de las partículas. Otros ejemplos del efecto de varias concentraciones de iones pueden encontrarse en (2) y (3).

Normalmente, y con razón, la concentración de H ⁺ se discute en términos de pH. El pH tiene un fuerte efecto sobre la carga superficial de muchos tipos de partículas. Además, el pH es un parámetro que a menudo y fácilmente cambia en una formulación. Por estas razones, a menudo se estudia el efecto del pH sobre la carga superficial de las partículas. Un número que caracteriza una superficie es el punto isoeléctrico, IEP, o punto de carga cero, PZC, que se refiere a las condiciones, a menudo pH, en las que la carga superficial de la partícula es cero. A valores de pH inferiores al IEP, la carga superficial de la partícula es positiva y a valores de pH superiores al IEP, la carga superficial de la partícula es negativa. Una regla general para suspensiones estables es asegurarse de que el pH esté a una unidad completa de pH del IEP.

Los valores del IEP se obtienen midiendo el potencial zeta en función del pH e identificando el pH en el que el valor del potencial zeta cruza cero. En la mayoría de los casos, esto se logra interpolando los datos experimentales. Los valores de los IEP en los libros de texto a menudo no son útiles para trabajos prácticos, ya que el valor del IEP puede variar drásticamente incluso con una pequeña cantidad de impureza que se introduce en la superficie de la muestra.  Los resultados de medición del IEP también pueden verse afectados por la humectación superficial incompleta de partículas o por la elección de tensioactivos. Por ejemplo, añadir TSPP a una suspensión de óxido metálico hará que el IEP cambie a valores de pH extremadamente bajos o desaparezca por completo. Por estas razones, los valores del IEP suelen medirse y ese es un proceso que puede automatizarse.

La automatización de la medición puntual isoeléctrica se logra con el accesorio HORIBA Autotitrator para el SZ-100 mostrado en la Figura 2.  El Autotitrator añade automáticamente ácido o base para ajustar el pH de la muestra, registra el pH y carga la muestra en la celda de electrodo de grafito en la SZ-100. A continuación, se determina el potencial zeta y el ciclo se repite automáticamente para el siguiente pH de la serie.

La crema artificial para café se diluyó hasta que quedó ligeramente turbia en agua DI. El pH de la muestra se redujo automáticamente a pH 2 y luego aumentó paso a paso con el autotitrator HORIBA. El potencial Zeta se midió con la celda electrodo de grafito reutilizable en el analizador de nanopartículas HORIBA SZ-100Z. El pH de la muestra se midió con el electrodo de pH compensado por temperatura HORIBA 9621C.

En este estudio, se utilizaron 100 mM de ácido nítrico y 100 mM de hidróxido de sodio como reactivos de ácido y base, respectivamente. Los contenedores de reactivos Autotitrator incluyen la posibilidad de tratamiento con tamiz molecular del aire entrante que sustituye al titulante retirado. Las buretas de 5 mL suministran los reactivos con precisión sin burbujas, eliminando la necesidad de desgasificar. La dosis mínima del reactivo que se puede administrar manualmente es de 0,0005 mL. El Autotitrator se configuraba en el software mediante una interfaz tipo asistente, como se muestra en la Figura 3 a continuación. El modo manual disponible no se utilizó en este estudio.

La sonda de pH se llenó y calibró usando HORIBA conjunto estándar de soluciones 101-S. Tras la limpieza, se mantenía en su sitio sobre el vaso de muestras con un soporte de anillo integrado. La placa de agitación integrada mezclaba la muestra como reactivo se entregaba automáticamente. Cuando se alcanzaba el pH objetivo, una bomba peristáltica enjuagaba la celda de potencial zeta y entregaba la muestra para su medición. El potencial zeta se midió en triplicado y se monitorizó el pH para detectar deriva durante la medición. Luego, el ciclo se repetía para el siguiente pH de la serie.

El potencial zeta de la suspensión en polvo de café en función del pH se muestra en la Figura 3 a continuación. Del pH 2 al pH 3, el valor potencial zeta de la emulsión de crema para café aumenta. Esto probablemente se deba a desplazamientos específicos en la estructura de la emulsión a pH bajo. De pH 3 a pH 11, la forma de la curva es la clásica forma de S al revés. A pH bajo, la carga de partícula es positiva debido a la alta concentración de H ⁺ iones. A pH alto, la carga de partículas es negativa debido a la alta concentración ^{de iones OH}. El valor obtenido del punto isoeléctrico donde el potencial zeta pasa de positivo a negativo está en pH 5. Finalmente, hay una disminución en la magnitud del potencial zeta entre pH 11 y pH 13. Esto se debe a otro cambio estructural en la emulsión o al efecto de blindaje del aumento del número de iones en la suspensión. El punto principal de este gráfico es que el punto isoeléctrico de este sistema está en pH 5.

El PEI de una suspensión puede determinarse automáticamente usando el HORIBA SZ-100 y el HORIBA Autotitrator. El IEP de este cremador artificial en particular se encontró en pH 5.

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