Kolloidchemische Grundlagen der Nanotechnologie

Transkript

1 Kolloidchemische Grundlagen der Nanotechnologie Frank Babick PVT-Seminar, 16. November 2010

2 Themenreihe Nanotechnologie 1. Einführung in die Nanotechnologie, Beiträge der Verfahrenstechniker und Chemieingenieure 2. Einfluss von Magnetfeldern auf die Strömung von Ferrofluiden 3. Kolloidchemische Grundlagen der Nanotechnologie 4. Nanopartikel, Feinstaub, Dieselruß Emissionsquellen und Messtechnik 5. Charakterisierung von Nanopartikeln in flüssigen Systemen 6. Arbeits- Umwelt- und Gesundheitsschutz in der Nanotechnologie Folie 2 von 34

3 I. Einführung Folie 3 von 34

4 Tensidbedarf erforderl. Emulgatorgehalt, v/v Vol.-% Öl 50 Vol.-% Öl Partikelgröße, nm Nichtionisches Tensid (Triton X-100) in Wasser Folie 4 von 34

5 Zeolithe Folie 5 von 34

6 Anteil der Oberflächenmoleküle 1 Anteil der OF-Moleküle Partikelgröße, nm Folie 6 von 34

7 Haftkräfte zwischen zwei Partikeln Folie 7 von 34

8 Hohe Partikelanzahl Volumen eines Stecknadelkopf (d = 1 mm) entspricht Partikeln mit d 1µm Partikeln mit d 1 nm Oder 1 ml Blut enthält ca rote Blutkörperchen (2µm 8µm) 1 ml CMP-Suspension aus kolloidalem Silica (50 nm, 30 Ma.%) enthält Partikel Folie 8 von 34

9 Erythrozythen 1_1/Erythrozyten.html Folie 9 von 34

10 Querstromfiltration V F partikelfreies Medium u p Folie 10 von 34

11 Filtratdurchsatz bei der QS-Filtration Hydrodynamik Filtratstrom [l/m²h] Diffusion Partikelgröße [nm] Folie 11 von 34

12 Abscheidegrad von Tiefenfiltern M. Stieß, MVT 2, Springer S. 20 Folie 12 von 34

13 Lungengängigkeit von Feinstaub Folie 13 von 34

14 Quantendots 2,5 nm 6 nm Folie 14 von 34

15 II. Veränderung von Bulkeigenschaften Folie 15 von 34

16 Bulkeigenschaften bulk Folie 16 von 34

17 Phasengrenzen Grenzflächen Adhäsionskraft Kohäsionskraft Folie 17 von 34

18 Löslichkeit von Siliziumdioxid Löslichkeit, mol/l Partikelgröße, nm Folie 18 von 34

19 Ostwald-Reifung Folie 19 von 34

20 Schmelztemperatur von Aluminium M. Kreth, Dissertation, Uni Duisburg, Folie 20 von 34

21 Osmotischer Druck osmotischer Druck, Pa Vol.-% Partikel 50 Vol.-% Partikel Partikelgröße, nm Folie 21 von 34

22 III. Diffusion Folie 22 von 34

23 Was ist Diffusion? 1. Mikroskopischer Prozess stochastische Bewegung infolge von Stößen durch die Lösemittelmoleküle diffusive Bewegung 2 r 2 D t 2. Makroskopische Wirkung Ausgleich von Konzentrationsgradienten diffusiver Stofftransport J D grad diff c m Folie 23 von 34

24 Einfluss der Diffusion auf die Sedimentation c(y) c 0 Anfangszustand idealer Verlauf zur Zeit t tatsächlicher Verlauf zur Zeit t Endzustand H y Endzustand abhängig von der Partikelgröße und der Avogadro-Konstante? Folie 24 von 34

25 Sedimentations-Diffusions-Profile / max h/h Mess = v S /v Stokes hmess = 1 mm hmess = 10 mm hmess = 100 mm Einfluss der Messposition (Silica, 100 nm) / max h/h Mess = v S /v Stokes Einfluss der Größe (Messposition 10 mm) Silica, 10 nm Silica, 100 nm Silica, 1 µm Latex, 10 nm Latex, 100 nm Latex, 1 µm Folie 25 von 34

26 IV. Interpartikuläre Wechselwirkungen Folie 26 von 34

27 Interpartikuläre Wechselwirkungen Van-der-Waals-WW Doppelschicht-WW Sterische WW c Mizell = 0 Hydrophobe WW Hydratations-WW Verarmungs-WW Folie 27 von 34

28 Sterische Wechselwirkung elastische Abstoßung (lyophile Polymere) Durchdringung (lyophobe Polymere) abh. von Löseverhalten der Polymere im Lösungsmittel Folie 28 von 34

29 Verarmungsflockung p osm = 0 Verarmungszone Partikel kolloidales Teilchen minimale Verarmungszone nicht adsorbierende Polymere / Mizellen / Kolloide Flockung adsorbierende Polymere, Stabilisierung Folie 29 von 34

30 Elektrochemische Doppelschicht (r) diffuse Schicht Bulklösung r Einfaches Modell: OF-Ladung wird kompensiert durch Überschuss an mobilen Gegenionen in unmittelbarer Nähe der OF Folie 30 von 34

31 Partikel-Partikel-Wechselwirkung en (DLVO-Theorie) Interaction potential Born repulsion Electrostatic repulsion Total interact n potential distance Interaction potential Ion Double concentration layer thickness Zetapotential distance van-der-waals attraction Folie 31 von 34

32 Suspensionsstabilität 30 mv -30 mv ph c K ph Folie 32 von 34

33 V. Elektrochemische Doppelschicht Folie 33 von 34

34 Gouy-Chapman-Stern-Graham-Modell 0 Messbare Größen: Zetapotenzial Oberflächenladung Nicht messbar: d St = OF-Potenzial 0 Ladung in der diffusen Schicht S IHP OHP SP 0 1 d Sternschicht diffuse Schicht Folie 34 von 34

35 Einfluss von Elektrolyten auf die DS c Ion spezifische wirkender Elektrolyt IEP ph indifferenter Elektrolyt Abhängigkeit des Zetapotenzials vom ph-wert Folie 35 von 34