[논문 리뷰] THEORETICAL PREDICTION AND EXPERIMENTAL MEASUREMENT OF THE MIXED FLOCCULATION/COALESCENCE RATE OF IONIC HEXADECANE-IN-WATER NANO-EMULSIONS

Germán Urbina-Villalba, Neyda García-Valera외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 04.

Surfactants and Colloidal Systems참고 문헌 49인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 SDS로 안정화된 이온성 헥사데칸-물 나노에멀전에서 다양한 농도의 NaCl 조건에서 혼합 응집/공융 속도 상수(kFC)에 대한 이론적이고 실험적인 조사 결과를 제시한다. kFC는 계면활성제의 소금 침출 효과와 표면 전하 스크리닝 간의 균형에 따라 달라지며, 이는 DLVO 이론이 아닌 가역적 응집 메커니즘이 가장 잘 설명하는 바이다. 이 이중 메커니즘을 모델링할 경우 이론과 실험 간 강한 일치를 보인다.

ABSTRACT

Theoretical calculations of the mixed aggregation/coalescence (kFC) rate corresponding to a set of hexadecane-in-water nano-emulsions stabilized with sodium dodecyl sulphate (SDS) at different NaCl concentrations are presented. The rates were obtained through the change of the total number of aggregates of the dispersions as a function of time, predicted by Emulsion Stability Simulation (ESS). Two different models were implemented in order to mimic the dependence of the surface excess of the surfactant on the salt concentration. Experimental measurements of kFC were also made, based on the change of the turbidity of the emulsions as a function of time. A satisfactory agreement between theory and experiment is only attained if the model of surfactant adsorption accounts for the balance between the salting out of the surfactant solution and the partial screening of the surface charge of the drops induced by the increase of the ionic strength of the continuous phase. The observed behavior cannot be justified on the grounds of the Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory. Instead, the reversible flocculation of the aggregates of any size is proposed as an alternative mechanism to explain the dependence of kFC as a function of the salt concentration.

연구 동기 및 목표

• SDS로 안정화된 이온성 나노에멀전의 염 농도 의존성 응집 거동을 이해하기 위해.
• 고전적 DLVO 이론과 실험적 관측 결과 간의 응집/공융 속도(kFC) 차이를 해결하기 위해.
• 이온 강도 변화 조건에서 계면활성제 흡착 및 표면 전하 영향을 모두 고려한 kFC에 대한 이론 모델을 개발하기 위해.
• 시간에 따른 농도 변화 측정을 통한 투과도 변화 측정을 통해 이론 모델을 실험적으로 검증하기 위해.
• NaCl 농도에 따른 kFC 의존성의 주요 기작을 규명하기 위해.

제안 방법

• 이론적 kFC 속도는 응집체 수의 시간에 따른 변화를 모델링하는 에멀전 안정성 시뮬레이션(ESS)을 사용하여 계산하였다.
• NaCl 농도에 따른 계면활성제 표면 과잉을 반영하기 위해 소금 침출 효과와 전하 스크리닝 효과를 각각 반영한 두 가지 별개의 모델을 구현하였다.
• 실험적 kFC는 시간에 따른 투과도 모니터링을 통해 직접적으로 응집 동역학을 측정하였다.
• 이론적 예측값과 실험 데이터를 비교하여 모델 정확도를 평가하였다.
• 이론 모델은 모든 크기의 응집체에 대한 가역적 응집을 핵심 메커니즘으로 포함하도록 개선되었다.
• 이론적 및 실험적 kFC 값 간의 상관관계를 다양한 NaCl 농도 범위에서 분석하여 메커니즘의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NaCl를 통해 증가하는 이온 강도는 SDS로 안정화된 헥사데칸-물 나노에멀전에서 혼합 응집/공융 속도 상수(kFC)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이 시스템에서 실험적 kFC 값이 DLVO 이론 기반 예측과 다름은 이유는 무엇인가?
• RQ3 계면활성제의 소금 침출 효과가 표면 과잉 및 응집 동역학에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이온 강도 증가에 따라 드랍렛 표면 전하의 부분적 스크리닝이 kFC에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 가역적 응집 메커니즘이 DLVO 이론보다 관측된 염 의존성 kFC를 더 잘 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 및 실험적 kFC 값 간 강한 일치는 소금 침출 효과와 표면 전하 스크리닝 효과를 모두 고려한 모델에서만 관찰된다.
• 관측된 kFC의 NaCl 농도 의존성은 DLVO 이론만으로는 설명될 수 없다.
• 모든 크기의 응집체에 대한 가역적 응집이 실험적 경향을 설명하는 주요 메커니즘으로 규명되었다.
• 소금 침출과 전하 스크리닝 효과를 모두 포함한 모델이 실험적 투과도 감쇠 동역학을 가장 잘 재현한다.
• 이 연구는 계면활성제 표면 과잉이 전기적 힘에 의해만 결정되지 않으며, 높은 이온 강도 조건에서 소금 침출 효과에 의해 크게 영향을 받음을 입증한다.
• 이론과 실험 간의 높은 일치는 제안된 이중 메커니즘이 이온성 나노에멀전에서 kFC를 정확히 예측하기 위해 필수적임을 검증한다.