Neuartige, nichtlineare elektrokinetische Phänomene als "Turbo" in elektrochromatographischen, elektrodialytischen und mikrofluidischen Verfahren

Klassische elektrokinetische Phänomene in porösen Materialien wie z.B. elektroosmotischer Volumenstrom (electroosmotic flow; EOF) in Membranen, Monolithen oder Festbettstrukturen aus porösen Partikeln unter dem Einfluß extern einwirkender elektrischer Felder werden mit der Ausbildung einer klassischen, primären elektrischen Doppelschicht (electrical double layer; EDL) an der fest-flüssig-Phasengrenze erklärt. Die Oberflächenladung poröser Materialien ist häufig durch die Dissoziation vorhandener funktioneller Gruppen (z.B. Carbon- oder Sulfonsäuregruppen) an der Oberfläche bedingt. Ein wesentliches Merkmal dieser klassischen EDL ist, daß sie bezüglich ihrer Struktur (Ausdehnung), lokaler Ladungsdichte und Stabilität als unabhängig von angelegtem Feld selbst und der resultierenden Elektrohydrodynamik angenommen wird; sie wird in erster Linie nur von den statischen Elektrolyt- und Materialeigenschaften beeinflußt (Ionenstärke, Oberflächenladungsdichte). Weiterhin wird die den interstitiellen Porenraum sättigende Elektrolytlösung als quasi-elektroneutral betrachtet, d.h. der lösungsseitige Teil der EDL (hier ist die Lösung mit einer Ausdehnung von üblicherweise wenigen Nanometern normal zur Grenzfläche elektrisch geladen) wird als vernachlässigbar klein gegenüber den Abmessungen des Porenraumes betrachtet, in welchem die Elektrolytlösung elektroneutral erscheint (daher insgesamt quasi-elektroneutral). Unter diesen Bedingungen zeigt die EOF-Geschwindigkeit in dem Material eine lineare Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Feldstärke, die durch die Helmholtz-Smoluchowski-Beziehung beschrieben wird. Es existieren viele experimentelle Arbeiten, die diesen linearen Zusammenhang für Festbetten aus sphärischen Partikeln bestätigen. Andererseits wird bei der Behandlung der Elektrokinetik basierend auf der klassischen EDL der Einfluß von Meso- und/oder Mikroporen in einem hierarchisch strukturierten Material gewöhnlich vernachlässigt und die lösungsseitige EDL als "sehr dünner Film" betrachtet, welcher fest an der externen Oberfläche des Materials (im Makroporenraum) anliegt und in dem sämtliche Scherkräfte bei Einwirken des elektrischen Feldes konzentriert sind.

Quelle: Aktuelle Wochenschau