Potencial de Fluxo


Descrição

Equipamento de marca Particle Metrix – Stabino® e modelo PMX 400, projetado para realizar a titulação automática de amostras e medições do potencial de dispersão, pH e condutividade. Possui duas bombas de titulação integradas que injetam soluções salinas, ácidas, básicas, ou poliméricas à amostra. Tanto o volume e quanto a taxa de adição podem ser controlados, sendo que os copos cilíndricos suportam 1 ou 10 mL de amostra. As partículas em soluções/dispersões devem possuir tamanho 0,3 nm – 300 μm em uma concentração entre 0,01 – 40 % do volume da amostra. O equipamento possui quatro pistões 100 μm, 200 μm, 400 μm e 1000 μm, indicados para amostras com partículas < 30 μm, < 60 μm, < 100 μm, < 300 μm, respectivamente. O conjunto suporta amostras de viscosidade até 300 mPa s (sendo que viscosidades de 5 Pa s podem ser medidas com o pistão de 1000 μm).

Técnica

A técnica consiste em adicionar uma solução contendo a amostra em um copo cilíndrico de PTFE que é acoplado a um pistão oscilante (ambos possuem uma pequena carga aniônica na superfície). Ao forçar que um dado líquido flua através de uma pequeno espaço, o excesso de íons podem ser cisalhados e movidos na direção do fluxo imposto pelo líquido. Nos eletrodos E1 e E2 o potencial de fluxo pode ser medido como \(\Delta U\). De acordo com Helmholtz – Smoluchowski, \(\Delta U\) é proporcional ao potencial zeta e à permissividade elétrica no vácuo (\(\epsilon_0\)) e do solvente (\(\epsilon\)), ou seja, a constante dielétrica da água, e inversamente proporcional à viscosidade (\(\eta\)) do fluido e a condutividade do meio. Quanto maior a variação de pressão aplicada (\(\Delta p\)), maior a velocidade (\(v\)) entre as superfícies e o líquido. O potencial de fluxo pode ser dado pela equação abaixo.

\[\Delta U = \frac{\Delta p \ \epsilon \ \epsilon_0 \ \zeta}{\eta \ K}\]

Como o equipamento não consegue medir com precisão a pressão aplicada, o termo (\(\Delta p\)) é usualmente substituído por \(\Delta v \cdot c\), em que tem-se a velocidade diferencial multiplicada por uma constante. Usualmente, \(\Delta v\), \(c\), \(\epsilon_0\), \(\epsilon\), \(\eta\), e \(K\) são obtidas durante a calibração do equipamento, e assim, a equação pode ser escrita de forma resumida como a seguir:

\[\Delta U = k \zeta\]

Em que \(\zeta\) é o potencial zeta e k uma constante.

Aplicação

A sensibilidade na medida do potencial de fluxo depende da área superficial que a amostra apresenta, esse critério pode ser utilizado em estudos de acompanhamento da área superficial em determinados processos. Por exemplo, perto da neutralidade de cargas as partículas em uma determinada dispersão podem sofrer o processo de floculação.

A titulação de uma dispersão desconhecida ou de um aditivo iônico até o seu ponto zero utilizando um polieletrólito padrão de carga certificada fornece informações sobre a quantidade total de carga. O equipamento também permite que sejam realizadas titulações potenciométricas acompanhando a variação do pH, sendo que para proteínas as informações sobre o ponto isoelétrico estão relacionadas à solubilidade da amostra. Inúmeros outros resultados podem ser obtidos – como potencial de fluxo, potencial zeta, valor de pH, ponto de carga zero e ponto isoelétrico IEP, carga total com entrada de parâmetros de amostra e de titulantes (com concentrações, peso e densidade de amostra), carga superficial específica, condutividade, temperatura. Tais resultados podem ser relacionados entre si e também em função do volume de titulante adicionado ou do tempo.

Observações

Antes de cada análise o equipamento deve ser corretamente calibrado com as soluções de calibração (0,0025 N P-DADMAC, 0,0025 N PVS, KCl 0,01 N (1,41 mS cm-1), KCl 3 mol L-1, soluções tampão em pH 4, pH 7 e pH 10). Os pistões de 200 μm e 100 μm deverão ser usados principalmente para produtos com condutividade alta (acima de 15 mS cm-1) ou com baixa quantidade de utilização (não é recomendado realizar medições com condutividade de 300 mS cm-1).

Nas regiões próximas do ponto zero de carga a viscosidade da amostra pode aumentar, levando ao entupimento do copo. Nessa situação a mistura da amostra com a solução titulante não é mais garantida, então a titulação deve ser interrompida e a célula da amostra cuidadosamente limpa. A titulação pode ser repetida com uma amostra mais diluída.

Outra observação importante é a de que nunca se pode pegar na parte branca do pistão e o copo, pistão, recipientes dos titulantes com a solução para limpeza devem ser limpos com água e acetona depois de cada análise.

Fotos

Figura 1: Equipamento potencial zeta da marca Stabino® modelo PMX 400.<br/>FONTE: BIOPOL, (2020).

Figura 1: Equipamento potencial zeta da marca Stabino® modelo PMX 400.
FONTE: BIOPOL, (2020).

Figura 2: Esquerda - Cilindro de Teflon Stabino® com pistão oscilante e 2 eletrodos captando o potencial de fluxo 'SP'. Direita - Espaço entre o cilindro e o pistão mostrando as partículas presas à parede e as livres.<br/>FONTE: Particle Metrix GmbH, (2013).

Figura 2: Esquerda – Cilindro de Teflon Stabino® com pistão oscilante e 2 eletrodos captando o potencial de fluxo ‘SP’. Direita – Espaço entre o cilindro e o pistão mostrando as partículas presas à parede e as livres.
FONTE: Particle Metrix GmbH, (2013).

Figura 3: Copo de PTFE.<br/>FONTE: BIOPOL, (2020).

Figura 3: Copo de PTFE.
FONTE: BIOPOL, (2020).

Autores

  • Bianca Hazt
  • Maria Jackeline R. dos Santos

Modificado e revisado por Rilton Alves de Freitas.

Termo de responsabilidade para o uso dos equipamentos do laboratório

Referências

Particle Metrix GmbH. Stabino® Versão 2.0 Stabino Control 2.00.23. Germany: Particle Metrix, 2013, 180 pg.

Microtrac Europe GmbH. Stabino® & Total Solutions in Particle Characterization NANO-flex System for Analysis of Charge Characteristics and Size Distribution of Nano-particles. Germany: Microtrac, 4 pg. Disponivel https://www.reoterm.com.br/pdf/prod/_533c4096af1a8.pdf acesso jul. 2020.