Karakteristik Suatu Partikel:Sifat Listrik (Zeta Potensial dan Stabilitas)

Sifat Listrik

    Sifat listrik yang paling penting dari partikel koloid dan tersuspensi adalah muatan permukaannya. Muatan ini menyebabkan partikel tetap dalam suspensi tanpa agregasi untuk jangka waktu yang lama. Suspensi partikel air permukaan secara termodinamika tidak stabil dan, mengingat waktu yang cukup, mereka akan flokulan dan mengendap. Namun, proses agregasi sangat lambat, dan partikel-partikel tidak dapat dihilangkan dengan sedimentasi dalam waktu yang wajar, yaitu waktu yang cukup singkat yang akan memungkinkan produksi air dalam jumlah yang cukup untuk komunitas lebih dari beberapa orang.

• Ionisasi. Misalnya, silika memiliki gugus hidroksil pada permukaan luarnya. Tergantung pada pH, ini dapat menerima atau menyumbangkan proton:

  $$\begin{array}{c}-\text{Si}-{\text{OH}}_2^{+}\rightleftharpoons -\text{Si}-\text{OH}\rightleftharpoons -\text{Si}-{\text{O}}^{-}\\ \text{pH}<<2\text{pH}=2\text{pH}>>2\end{array}$$

• Adsorpsi. Dalam hal ini, zat terlarut menjadi terikat pada permukaan padat, misalnya, asam humat atau warna alami pada permukaan silika. Makromolekul besar ini memiliki gugus asam karboksilat yang memisahkan diri pada nilai pH lebih besar dari 5 untuk membentuk ion negatif.

• Penggantian isomorf. Dalam kondisi geologis, logam dalam oksida logam digantikan oleh atom logam dengan valensi yang lebih rendah. Misalnya, jika, dalam array SiO padat2 tetrahedra, atom Si digantikan oleh atom Al (Al3+ memiliki satu elektron yang lebih sedikit dari Si4+), kisi menjadi bermuatan negatif.

• Ketidaksempurnaan struktural. Dalam pembentukan kristal mineral, ikatan putus di tepi kristal. Ini mengarah pada pengembangan muatan permukaan.

Lapisan Ganda Listrik. 

        Dispersi koloid dalam larutan tidak memiliki muatan bersih. Ini karena partikel bermuatan negatif mengakumulasi counterion positif di dalam dan di dekat permukaan partikel. Jadi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar , lapisan ganda terbentuk. Lapisan kation yang teradsorpsi (dikenal sebagai lapisan Helmholtz atau lapisan Stern) terikat pada permukaan partikel oleh gaya elektrostatik dan adsorpsi. Tebalnya sekitar 0,5 nanometer (nm). Lapisan difus longgar terbentuk di luar lapisan Helmholtz. Lapisan ganda (Helmholtz plus difus) memiliki muatan negatif bersih atas larutan massal. Tergantung pada karakteristik solusi, ia dapat meluas hingga 30 nm ke dalam larutan (Kruyt, 1952).

Gambar 1 Muatan permukaan pada partikel dalam air.

Potensi Zeta (Zeta Potensial). 

    Ketika partikel bermuatan ditempatkan dalam medan listrik,maka partikel tersebut akan bergerak dan berpindah ke kutub muatan yang berlawanan. Gerakan ini disebut dengan pergerakan  elektroforesis. Saat partikel bergerak, sebagian air di dekat permukaan juga akan bergerak bersamanya. Gerakan ini menggantikan awan ion dan memberikan bentuk yang ditunjukkan pada Gambar 6-3. Potensi listrik antara bidang geser dan larutan curah disebut potensial zeta. Hal ini dicatat pada Gambar 6-2. Potensi zeta dapat dihitung menggunakan persamaan

$$Z=\frac{v^0{k}_z\mu }{\mathrm{\epsilon \; \epsilon }{}_0}$$

di mana:

potensial Z=zeta, mV

v0=mobilitas elektroforesis, (μm/s)/(V/cm)=vE/E

vE=kecepatan elektroforesis partikel yang bermigrasi,μm / s

E=medan listrik pada partikel, V / cm

kz=konstanta bentuk 4πatau 6π

μ=viskositas dinamis air, Pa⋅s

ε=permitivity relatif terhadap vakum=78,54untukair 

ε0=izin dalam vakum8.854188×10−12N/V2

Gambar 2. Ilustrasi skematis elektroforesis. Gerakan partikel bermuatan dalam medan listrik yang diterapkan. Perhatikan bahwa setiap partikel menyeret awan ion dengannya.

        Nilai untuk mobilitas elektroforesis untuk partikel dalam air alami bervariasi dari sekitar −2 hingga +2 (μm/s)/(V/cm). Konstanta kz adalah 4π jika luas lapisan difus relatif kecil terhadap kelengkungan partikel. Ini adalah 6π di mana partikel jauh lebih kecil daripada ketebalan lapisan ganda.

Stabilitas Partikel. 

        Partikel di perairan alami tetap stabil ketika ada keseimbangan antara gaya elektrostatik partikel bermuatan dan gaya tarik yang dikenal sebagai gaya van der Waals. Karena partikel memiliki muatan negatif bersih, mekanisme utama yang mengendalikan stabilitas adalah tolakan elektrostatik.Gaya Van der Waals muncul dari resonansi magnetik dan elektronik ketika dua partikel saling mendekati. Karena lapisan ganda meluas lebih jauh ke dalam larutan daripada gaya van der Waals, penghalang energi terbentuk yang mencegah partikel dari agregasi.

Gambar 2 Gaya menarik dan menjijikkan yang dihasilkan ketika dua partikel disatukan. Kurva tolakan no. 1 dan kurva energi bersih no. 1 dihasilkan ketika tidak ada koagulan yang ada. Koagulan mengurangi tolakan menjadi kurva no. 2.

    Pada gambar di atas menunjukkan gaya yang bekerja pada partikel saat mereka bergerak ke arah satu sama lain.  Gaya menarik Van der Waals adalah sama dalam kedua zat. Dalam kasus (a), gaya tolak dari gaya elektrostatik melebihi gaya tarik sehingga energi hampir  bersih sepenuhnya. Jika partikel sangat besar akan membuat partikel lain longgar pada jarak 4/k, di mana k adalah ketebalan dari dua lapisan. Jarak yang besar ini dapat pecah dengan mudah karena gaya bersih yang menyatukan mereka sehingga menjadi lemah. Partikel-partikel tidak akan berkumpul dengan kuat karena penghalang energi. Dalam kasus (b), gaya tolak lebih sedikit dan energi bersih yang dihasilkan adalah nol. Partikel-partikel akan berkumpul dengan kuat karena gaya menarik yang dihasilkan menjadi lebih kuat ketika partikel-partikel menutup satu sama lain.