Mesure du point isoélectrique

Le potentiel zêta est la charge d'une particule au niveau du plan de cisaillement. Cette valeur de charge de surface est utile pour comprendre et prédire les interactions entre particules en suspension. Une amplitude élevée (positive ou négative), c'est-à-dire supérieure à environ 25 mV, indique généralement que la suspension de particules sera stabilisée électrostatiquement. Le potentiel zêta peut être mesuré avec le HORIBA SZ-100Z, illustré à la figure 1.

Le potentiel zêta dépend à la fois de la chimie de surface des particules et de la chimie du milieu de suspension (1). Les ions présents à la surface des particules, qui contrôlent le potentiel de surface, dépendent de la concentration et de la nature des ions dans le liquide. De plus, la concentration ionique influence la distance sur laquelle les effets de charge persistent. Par exemple, une quantité significative de sel dissous peut écranter les interactions électrostatiques entre les particules. Certains ions, appelés ions spécifiques, ont tendance à s’adsorber préférentiellement à la surface des particules lorsque leur concentration augmente. Des exemples d’ions spécifiques incluent H⁺ et les ions polyvalents. Dans ce travail, l'effet de la concentration en H⁺ sur la charge de surface des particules est étudié. D'autres exemples de l'effet de diverses concentrations ioniques sont présentés dans les exemples (2) et (3).

Généralement, et à juste titre, la concentration en H⁺ est exprimée en termes de pH. Le pH a un effet important sur la charge de surface de nombreux types de particules. De plus, le pH est un paramètre souvent et facilement modifié dans une formulation. C'est pourquoi l'effet du pH sur la charge de surface des particules est souvent étudié. Un nombre caractérisant une surface est le point isoélectrique (IEP), ou point de charge nulle (PZC), qui désigne les conditions, souvent le pH, où la charge de surface des particules est nulle. À des pH inférieurs à l'IEP, la charge de surface des particules est positive et à des pH supérieurs à l'IEP, elle est négative. Pour des suspensions stables, il est conseillé de s'assurer que le pH est à une unité de pH près de l'IEP.

Les valeurs de l'IEP sont obtenues en mesurant le potentiel zêta en fonction du pH et en identifiant le pH auquel la valeur du potentiel zêta passe par zéro. Dans la plupart des cas, cette mesure est réalisée par interpolation des données expérimentales. Les valeurs de l'IEP classiques sont souvent inutilisables pour les travaux pratiques, car elles peuvent varier considérablement avec la moindre impureté déposée à la surface de l'échantillon. Les résultats de mesure de l'IEP peuvent également être affectés par un mouillage incomplet de la surface des particules ou par le choix des tensioactifs. Par exemple, l'ajout de TSPP à une suspension d'oxyde métallique entraînera un glissement de l'IEP vers des valeurs de pH extrêmement basses, voire sa disparition complète. C'est pourquoi les valeurs de l'IEP sont généralement mesurées, un processus qui peut être automatisé.

L'automatisation de la mesure du point isoélectrique est réalisée grâce à l'accessoire autotitrateur HORIBA pour le SZ-100, illustré à la figure 2. L'autotitrateur ajoute automatiquement un acide ou une base pour ajuster le pH de l'échantillon, enregistre le pH et charge l'échantillon dans la cellule à électrode en graphite du SZ-100. Le potentiel zêta est ensuite déterminé et le cycle est automatiquement répété pour le pH suivant de la série.

Un crémant artificiel pour café a été dilué dans de l’eau déionisée jusqu’à obtenir une légère turbidité. Le pH de l’échantillon a été automatiquement abaissé jusqu’à pH 2, puis augmenté par paliers à l’aide de l’Autotitrateur HORIBA. Le potentiel zêta a été mesuré à l’aide de la cellule réutilisable à électrodes en graphite du nanoparticuleur HORIBA SZ-100Z. Le pH de l’échantillon a été mesuré à l’aide de l’électrode pH compensée en température HORIBA 9621C.

Dans cette étude, une solution d’acide nitrique à 100 mM et une solution d’hydroxyde de sodium à 100 mM ont été utilisées respectivement comme réactifs acide et basique. Les réservoirs de réactifs de l’Autotitrateur sont équipés d’un dispositif de tamis moléculaire pour le traitement de l’air entrant, qui remplace le volume de titrant retiré. Les burettes de 5 mL délivrent les réactifs avec une grande précision, sans formation de bulles, éliminant ainsi la nécessité d’un dégazage. La plus petite dose de réactif pouvant être délivrée manuellement est de 0,0005 mL. L’Autotitrateur a été configuré via le logiciel à l’aide d’une interface guidée de type assistant, comme illustré à la Figure 3 ci-dessous. Le mode manuel disponible n’a pas été utilisé dans cette étude.

La sonde pH a été remplie et étalonnée à l’aide du jeu de solutions étalons HORIBA 101-S. Après nettoyage, elle a été maintenue en position au-dessus du bécher d’échantillon à l’aide d’un support intégré. La plaque d’agitation intégrée assurait l’homogénéisation de l’échantillon pendant l’ajout automatique des réactifs. Une fois le pH cible atteint, une pompe péristaltique rinçait la cellule de mesure du potentiel zêta et acheminait l’échantillon vers la cellule pour l’analyse. Le potentiel zêta était mesuré en triplicat, et le pH était surveillé afin de détecter toute dérive pendant la mesure. Le cycle était ensuite répété pour la valeur de pH suivante de la série.

Le potentiel zêta de la suspension de poudre de crème à café en fonction du pH est présenté sur la Figure 3 ci-dessous. Entre pH 2 et pH 3, la valeur du potentiel zêta de l’émulsion de crème à café augmente. Cela est probablement dû à des modifications spécifiques de la structure de l’émulsion à faible pH. Entre pH 3 et pH 11, la forme de la courbe correspond à la forme classique en S inversé. À faible pH, la charge des particules est positive en raison de la forte concentration en ions H⁺. À pH élevé, la charge des particules est négative en raison de la forte concentration en ions OH^-. La valeur du point isoélectrique obtenue, où le potentiel zêta passe du positif au négatif, est à pH 5. Enfin, on observe une diminution de l'amplitude du potentiel zêta entre pH 11 et pH 13. Ceci est dû soit à un autre changement structurel de l'émulsion, soit à l'effet de protection dû à l'augmentation du nombre d'ions dans la suspension. Le point principal de ce graphique est que le point isoélectrique de ce système est à pH 5.

L'IEP d'une suspension peut être déterminé automatiquement à l'aide du HORIBA SZ-100 et du titrateur automatique HORIBA. L'IEP de cette crème à café artificielle a été déterminée à un pH de 5.

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