Colloidal systems — Methods for zeta potential determination — Part 3: Acoustic methods

ISO 13099-3:2014 describes in general electroacoustic effects that can be defined as high frequency electrokinetic phenomena. Particular attention is given to two methods of measurement of electrophoretic mobility of particles suspended in a liquid at high concentration above 1 % v/v, colloid vibration current (CVI) and electric sonic amplitude (ESA), respectively. Estimation of surface charge and determination of zeta potential can be achieved from measured electrophoretic mobility using proper theoretical models, which are described in detail in ISO 13099‑1.

Systèmes colloïdaux — Méthodes de détermination du potentiel zêta — Partie 3: Méthodes acoustiques

General Information

Status
Published
Publication Date
22-Jun-2014
Current Stage
9093 - International Standard confirmed
Completion Date
04-Sep-2019
Ref Project

Buy Standard

Standard
ISO 13099-3:2014
English language
26 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview
Standard
ISO 13099-3:2014 - Colloidal systems -- Methods for zeta potential determination
English language
21 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview
Standard
ISO 13099-3:2014 - Colloidal systems -- Methods for zeta potential determination
English language
21 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview

Standards Content (Sample)

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ISO
СТАНДАРТ 13099-3
Первое издание
2014-07-01


Коллоидные системы.
Методы определения дзета-
потенциала.
Часть 3.
Акустические методы
Colloidal systems ― Methods for zeta-potential determination ―
Part 3: Acoustic methods



Ответственность за подготовку русской версии несёт GOST R
(Российская Федерация) в соответствии со статьёй 18.1 Устава ISO

Ссылочный номер

ISO 13099-3:2014(R)
©
ISO 2014

---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)


ДОКУМЕНТ ОХРАНЯЕТСЯ АВТОРСКИМ ПРАВОМ


©  ISO 2014
Все права сохраняются. Если не указано иное, никакую часть настоящей публикации нельзя копировать или использовать в
какой-либо форме или каким-либо электронным или механическим способом, включая фотокопии и микрофильмы, без
предварительного письменного согласия ISO, которое должно быть получено после запроса о разрешении, направленного по
адресу, приведенному ниже, или в комитет-член ISO в стране запрашивающей стороны.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Опубликовано в Швейцарии

ii © ISO 2014 – Все права сохраняются

---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
Содержание Страница
Предисловие. iv
Введение . v
1 Область применения . 1
2 Нормативные ссылки . 1
3 Термины и определения . 1
3.1 Двойной электрический слой (EDL = ДЭС) . 1
3.2 Электрокинетические явления . 3
3.3 Электроакустические явления . 5
4 Обозначения . 7
5 Принцип . 8
6 Конструкционные элементы датчика дзета-потенциала . 9
7 Определение электрофоретической подвижности . 10
7.1 Вычитание фонового электроакустического сигнала, генерированного ионами . 11
8 Вычисление ζ−потенциала . 11
8.1 Общие положения . 11
8.2 Изолированные двойные слои . 12
8.3 Перекрывающиеся двойные слои . 14
9 Последовательность операций . 15
9.1 Требования . 15
9.2 Верификация . 15
9.3 Источники погрешности измерений . 17
Приложение А (информативное) Электроакустика: высокочастотная электрокинетика . 18
Приложение В (информативное) Проверка электроакустических теорий . 19
Библиография . 22


© ISO 2014 – Все права сохраняются iii

---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
Предисловие
Международная организация по стандартизации (ISO) - всемирная федерация национальных органов
по стандартизации (комитеты-члены ISO). Работа по подготовке международных стандартов обычно
ведется через технические комитеты ISO. Каждый комитет-член ISO, проявляющий интерес к тематике,
по которой учрежден технический комитет, имеет право быть представленным в этом комитете.
Международные организации, государственные и негосударственные, имеющие связи с ISO, также
принимают участие в работе. ISO тесно сотрудничает с Международной электротехнической
комиссией (IEC) по всем вопросам стандартизации в области электротехники.
Процедуры, используемые для разработки данного документа, и процедуры, предусмотренные для его
дальнейшего ведения, описаны в Директивах ISO/IEC Directives, Part 1. В частности, следует отметить
различные критерии утверждения, требуемые для различных типов документов ISO. Проект данного
документа был разработан в соответствии с редакционными правилами Директив ISO/IEC Directives,
Part 2. www.iso.org/directives .
Необходимо обратить внимание на возможность того, что ряд элементов данного документа могут
быть предметом патентных прав. Международная организация ISO не должна нести ответственность
за идентификацию таких прав, частично или полностью. Сведения о патентных правах,
идентифицированных при разработке документа, будут указаны во Введении и/или в перечне
полученных ISO объявлений о патентном праве. www.iso.org/patents .
Любое торговое название, использованное в данном документе, является информацией,
предоставляемой для удобства пользователей, а не свидетельством в пользу того или иного товара
или той или иной компании.
Для пояснения значений конкретных терминов и выражений ISO, относящихся к оценке соответствия, а
также информация о соблюдении Международной организацией ISO принципов ВТО по техническим
барьерам в торговле (TБT), см. следующий унифицированный локатор ресурса (URL): Foreword -
Supplementary information.
За данный документ несет ответственность технический комитет ISO/TC 24, Характеризация частиц,
включая просеивание, Подкомитетом SC 4, Характеризация частиц.
ISO 13099 состоит из следующих частей под общим названием Коллоидные системы. Методы
определения дзета-потенциала:
 Часть 1: Электроакустические и электрокинетические явления
 Часть 2: Оптические методы
 Часть 3: Акустические методы
iv © ISO 2014 – Все права сохраняются

---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
Введение
Дзета-потенциал – это параметр, который можно использовать для прогнозирования долгосрочной
стабильности суспензий и эмульсий и изучения морфологии поверхности, поверхностной адсорбции
частиц и других поверхностей, контактирующих с жидкостью. Дзета-потенциал является не
измеряемой напрямую величиной, а величиной, которую можно определить с помощью подходящих
теоретических моделей по экспериментально определенным параметрам, которые зависят от
разделения электрических зарядов на границах раздела. “Электрокинетические явления” включают
такие наблюдаемые в экспериментах эффекты. Группа электрокинетических явлений, происходящих
[1]
при высокой частоте по шкале МГц, относятся к “электроакустике” . Каждое классическое
электрокинетическое явление в условиях постоянного тока (DC) или низкого переменного тока (АС)
имеет акустический аналог. Эти электроакустические явления широко используются для определения
электрофоретической подвижности различных концентрированных частиц в пробе без ее разбавления.
Цель данной части ISO 13099 в методах определения дзета-потенциала заключается в описании
общих характеристик таких электроакустических методов, которые должны быть общими для всех
применений приборов для измерения электрофоретической подвижности с помощью электроакустики
и последующего расчета дзета-потенциала частиц.



© ISO 2014 – Все права сохраняются v

---------------------- Page: 5 ----------------------
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТАНДАРТ ISO 13099-3:2014(R)

Коллоидные системы. Методы определения дзета-
потенциала.
Часть 3.
Акустические методы
1 Область применения
Данная часть ISO 13099 описывает электроакустические эффекты, которые можно определить как
высокочастотные электрокинетические явления.
Особое внимание уделяют двум методам измерения электрофоретической подвижности частиц,
взвешенных в жидкости, в высокой концентрации, выше 1 % по объему, по коллоидному
[2] [3],[4]
вибрационному току CVI) и амплитуде электроакустических колебаний BSA соответственно.
Оценку поверхностного заряда и определение дзета-потенциала можно выполнить по измеренной
электрофоретической подвижности, используя совершенные теоретические модели, которые подробно
описаны в ISO 13099-1.
2 Нормативные ссылки
Следующие нормативные документы являются обязательными для применения данного документа.
Для датированных ссылок применяется только приводимое издание. Для недатированных ссылок
применяется самое последнее издание нормативного ссылочного документа (включая любые
изменения).
ISO 13099-1, Коллоидные системы. Методы определения дзета-потенциала. Часть 1:
Электроакустические и электрокинетические явления
ISO 13099-2, Коллоидные системы. Методы определения дзета-потенциала. Часть 2: Оптические
методы
3 Термины и определения
В данном документе используются следующие термины и определения.
3.1 Двойной электрический слой (EDL = ДЭС)
Двойной электрический слой (ДЭС = EDL) является пространственным распределением электрических
зарядов, которые появляются на поверхности объекта и вблизи нее, когда поверхность приводят в
контакт с жидкостью.
3.1.1
приближение Дебая-Хюккеля
Debye-Hückel approximation
модель, принимающая небольшие электрические потенциалы в двойном электрическом слое
© ISO 2014 – Все права сохраняются 1

---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
3.1.2
дебаевская длина
Debye length
-1
k
характеристическая длина двойного электрического слоя в растворе электролита
Примечание 1 к статье: Дебаевская длина выражается в нанометрах.
3.1.3
коэффициент диффузии
diffusion coefficient
D
среднеквадратическое смещение частицы за единицу времени
Примечание 1 к статье: Коэффициент диффузии выражается в метрах квадратных в секунду.
3.1.4
число Духина
Dukhin number
Du
безразмерное число, которое характеризует вклад удельной поверхностной проводимости в
электрокинетические и электроакустические явления, а также в проводимость и диэлектрическую
проницаемость гетерогенных систем
3.1.5
динамическая вязкость
dynamic viscosity
η
отношение между приложенным касательным напряжением и скоростью сдвига жидкости
Примечание 1 к статье: Применительно к данной части ISO 13099 динамическая вязкость используется как мера
сопротивления среды, которая деформируется за счет касательного напряжения.
Примечание 2 к статье: Динамическая вязкость определяет динамику несжимаемой ньютоновской жидкости.
Примечание 3 к статье: Динамическая вязкость выражается в паскаль-секундах.
3.1.6
плотность поверхностного электрического заряда
electric surface charge density
σ
заряды на границе раздела, отнесенные к площади,образовавшиеся за счет специфической адсорбции
ионов из массы жидкости или за счет диссоциации поверхностных групп
Примечание 1 к статье: Плотность поверхностного электрического заряда выражается в кулонах на метр
квадратный.
3.1.7
электрический потенциал поверхности
electric surface potential
s
ψ
разность электрических потенциалов между поверхностью и массой жидкости
Примечание 1 к статье: Электрический потенциал поверхности выражается в вольтах.
2 © ISO 2014 – Все права сохраняются

---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
3.1.8
электрокинетический потенциал
electrokinetic potential
дзета-потенциал
zeta-potential
ζ-потенциал
ζ-potential
ζ
разность электрических потенциалов между плоскостью скольжения и массой жидкости
Примечание 1 к статье: Электрокинетический потенциал выражают в вольтах.
3.1.9
модель Гюи-Чапмена-Стерна
Gouy-Chapman-Stern model
модель, описывающая двойной электрический слой
3.1.10
изоэлектрическая точка
isoelectric point
состояние жидкой среды, обычно значение рН, которое соответствует нулевому дзета-потенциалу
диспергированных частиц
3.1.11
плоскость скольжения
slipping plane
shear plane
абстрактная плоскость вблизи границы раздела жидкость/твердое вещество, где жидкость начинает
скользить относительно поверхности под влиянием напряжения сдвига (касательного напряжения)
3.1.12
потенциал Стерна
Stern potential
s
ψ
электрический потенциал внешней границы слоя избирательно адсорбированных ионов
Примечание 1 к статье: Потенциал Стерна выражается в вольтах.
3.2 Электрокинетические явления
Примечание 1 к статье: Электрокинетические явления связаны с касательным движением жидкости вблизи
заряженной поверхности.
3.2.1
электроосмос
electroosmosis
движение жидкости через или по заряженной поверхности, например, через неподвижный слой частиц,
пористую пробку, капилляр или мембрану, под действием приложенного электрического поля, которое
вызывается силой, оказываемой приложенным полем на противоположно заряженные ионы в жидкости
3.2.2
электроосмостическое противодавление
electroosmotic counter-pressure
∆p
eo
перепад давлений, который действует по системе против электроосмотического потока
Примечание 1 к статье: Значение электроосмотического противодавления положительно, если высокое давление
будет на стороне более высокого электрического потенциала.
Примечание 2 к статье: Электроосмотическое противодавление выражается в паскалях.
© ISO 2014 – Все права сохраняются 3

---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
3.2.3
электроосмостическая скорость
electroosmotic velocity
υ
eo
равномерная скорость жидкости вдали от заряженного раздела фаз
Примечание 1 к статье: Электроосмотическая скорость выражается в метрах в секунду.
3.2.4
электрофорез
electrophoresis
движение заряженных коллоидных частиц или полиэлектролитов, погруженных в жидкость, под
влиянием внешнего электрического поля
3.2.5
электрофоретическая подвижность
electrophoretic mobility
µ
электрофоретическая скорость на единицу напряженности электрического поля
Примечание 1 к статье: Электрофоретическая подвижность является положительной, если частицы движутся в
направлении более низкого потенциала (отрицательный электрод) , и отрицательной в противном случае.
Примечание 2 к статье: Электрофоретическая подвижность выражается в метрах квадратных на вольт-секунду.
2.2.6
электрофоретическая скорость
electrophoretic velocity
υ
e
скорость частицы во время электрофореза
Примечание 1 к статье: Электрофоретическая скорость выражается в метрах в секунду.
3.2.7
потенциал седиментации
sedimentation potential
U
sed
разность потенциалов, определяемая двумя электродами, помещенными на некотором расстоянии
друг от друга по вертикали в суспензии, в которой частицы оседают под действием гравитации
Примечание 1 к статье: Если оседание происходит под действием поля центробежных сил, то такое явление
называется потенциалом центрифугирования.
Примечание 2 к статье: Потенциал седиментации выражают в вольтах.
3.2.8
мембранный ток
ток потока
streaming current
I
str
ток через пористое тело в результате движения жидкости под действием приложенного градиента
давления
Примечание 1 к статье: Мембранный ток выражается в амперах.
3.2.9
плотность мембранного тока
streaming current density
J
str
мембранный ток, отнесенный к площади
4 © ISO 2014 – Все права сохраняются

---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
Примечание 1 к статье: Плотность мембранного тока выражается в кулонах на метр квадратный.
3.2.10
(электрокинетический) потенциал истечения
мембранный потенциал
streaming potential
U
str
разность потенциалов при нулевом электрическом токе, вызванная течением жидкости под действием
градиента давления через капилляр, пробку, диафрагму или мембрану
Примечание 1 к статье: Потенциалы истечения создаются скоплением заряда, вызванным течением
противоположных зарядов внутри капилляров или пор.
Примечание 2 к статье: Потенциал истечения выражают в вольтах.
3.2.11
(удельная) поверхностная (электро)проводность
(удельная) поверхностная проводимость
surface conductivity
σ
K
избыточная электрическая проводимость по касательной к заряженной поверхности
Примечание 1 к статье: Поверхностная проводимость выражается в сименсах.
3.3 Электроакустические явления
Электроакустические явления возникают при сочетании ультразвукового поля с электрическим полем в
жидкости, содержащей ионы. Каждое из этих полей обладает первичной движущей силой. Жидкостью
может быть простая ньютоновская жидкость или сложная гетерогенная дисперсия, эмульсия или даже
пористое тело. Существует несколько различных электроакустических эффектов, зависящих от
природы жидкости и типа движущей силы.
3.3.1
коллоидный вибрационный ток
colloid vibration current
CVI
переменный ток, генерированный между двумя электродами, помещенными в дисперсию, если на
дисперсию действует ультразвуковое поле
Примечание 1 к статье: Коллоидный вибрационный ток выражается в амперах.
3.3.2
коллоидный вибропотенциал
colloid vibration potential
CVU
разность потенциалов переменного тока, генерированная между двумя электродами, помещенными в
дисперсию, если на дисперсию действует ультразвуковое поле
Примечание 1 к статье: Коллоидный вибропотенциал выражается в вольтах.
3.3.3
электрокинетическая звуковая амплитуда
electrokinetic sonic amplitude
ESA
амплитуда, создаваемая электрическим полем переменного тока в дисперсии при напряженности
электрического поля, Е. Это понятиеаналогично методу коллоидного вибропотенциала
Примечание 1 к статье: См. Ссылки [3] и [4].
© ISO 2014 – Все права сохраняются 5

---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
Примечание 2 к статье: Электрокинетическая звуковая амплитуда выражается в паскалях.
3.3.4
ионный вибрационный ток
ion vibration current
IVI
переменный электрический ток, создаваемый на различных амплитудах смещений в ультразвуковой
волне за счет разности эффективной массы или коэффициента трения между анионом и катионом
Примечание 1 к статье: См. Ссылки [5].
Примечание 2 к статье: Ионный вибрационный ток выражается в амперах.
3.3.5
сейсмоэлектрический эффект
seismoelectric effect
SEI
неизохорный мембранный ток, который возникает в пористом теле при прохождении через него
ультразвуковой волны
Примечание 1 к статье: См. Ссылки [6] и [7].
Примечание 2 к статье: Аналогичный эффект можно наблюдать на непористой поверхности, когда звук
[11]
отталкивается под острым углом.
Примечание 3 к статье: Сейсмоэлектрический эффект выражается в амперах.
3.3.6
электросейсмический эффект
обратный сейсмоэлектрический эффект
electroseismic effect
ESI
неизохорная волна электроосмотического давления, которая возникает в пористом теле под влиянием
высокочастотного электрического поля
Примечание 1 к статье: См. Ссылки [6] и [7].
Примечание 2 к статье: Электросейсмический эффект выражается в паскалях.
3.3.7
динамическая электрофоретическая подвижность
dynamic electrophoretic mobility
µ
d
электрофоретическая скорость, отнесенная к единице напряженности электрического поля в
высокочастотном (МГц) электрическом поле
Примечание 1 к статье: Традиционная электрофоретическая подвижность является низкочастотной асимптотой
динамической электрофоретической подвижности.
Примечание 2 к статье: Электрофоретическая подвижность выражается в метрах квадратных на вольт-секунду.
6 © ISO 2014 – Все права сохраняются

---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
4 Обозначения
a радиус частицы
с концентрация электролита в объеме
D коэффициент диффузии катионов
+
D коэффициент диффузии анионов
-
D
эффективный коэффициент диффузии электролита
eff
Du число Духина
е элементарный электрический заряд
F постоянная Фарадея
K проводимость дисперсионной среды
m
K проводимость диспергированной частицы
p
K
проводимость дисперсии
s

σ
поверхностная проводимость
K
k постоянная Больцмана
B
т параметр, характеризующий распределение электроосмотического потока к поверхностной
проводимости
N число Авогадро
A
Р
давление
R постоянная идеального газа
r радиальное расстояние от центра частицы
T абсолютная температура
U
(электрокинетический) потенциал истечения
str
электрофоретическая подвижность
µ
динамическая электрофоретическая подвижность
µ
d
X
расстояние от поверхности частицы
Z акустический импеданс
z
валентности катионов и анионов
±
z валентность i-того вида иона
i
z Валентности катионов и анионов
±
© ISO 2014 – Все права сохраняются 7

---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
относительная проницаемость среды
ε
m
относительная проницаемость частицы
ε
p
ε проницаемость вакуума
0
динамическая вязкость
η
объемная доля
ϕ
k
обратная дебаевская длина (радиус)
плотность среды
ρ
m
плотность частицы
ρ
р
ρ плотность дисперсии
s
d
σ плотность поверхностного электрического заряда в диффузном слое
плотность поверхностного электрического заряда
σ
частота вращения
ω
частота релаксации Максвелла-Вагнера
ω
MW
ω критическая частота гидродинамической релаксации
hd
электрокинетический (дзета-потенциал)
ζ
электрический потенциал в двойном слое
ψ(x)
d
потенциал Стерна
ψ
коэффициент сопротивления (торможения)

5 Принцип
Любой прибор, сконструированный для характеризации ζ−потенциала, должен включать три важных
компонента для достижения трех различных целей.
— средства инициирования движения жидкой фазы относительно диспергированной фазы (твердое
вещество или жидкость);
— средства мониторинга отклика, индуцированного таким движением;
— средства вычисления ζ−потенциала по измеренному отклику.
Первая цель обычно достигается манипулированием одним или двумя полями, отвечающими за
электрокинетические явления (электрические и механические). Например, в оптических
электрофоретических методах (см. ISO 13099-2) электрическое поле инициирует механическое
перемещение частиц относительно жидкости. Это поле обычно постоянно во времени или меняется с
низкой частотой до диапазона КГц.
Аналогично, можно перейти к полю более высокой частоты (диапазон МГц) для инициирования
относительного движения фаз. Для такого высокочастотного электрофореза существует специальный
8 © ISO 2014 – Все права сохраняются

---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
термин (электрокинетическая звуковая амплитуда, отражающая тот факт, что волновая природа
механического движения при такой высокой частоте становится преобладающей). Этот механический
эффект является ультразвуковой волной. Существует также обратимый эффект: распространение
ультразвуковой волны через систему концентрированной взвеси частиц генерирует переменное
электрическое поле и соответствующий ток (коллоидный вибрационный ток). Эти эффекты
[8]
симметричны согласно принципа Онзагера (Onsager). Оба эффекта можно использовать для
генерирования относительного движения фаз. Поле, используемое для таких целей, называют
“(электро)движущей силой”.
Вторая цель – мониторинг относительного движения фаз – часто достигается оптическими средствами,
описанными в ISO 3099-2.
Оказывается, в высокочастотном диапазоне, нет необходимости использовать дополнительное
“мониторинговое” поле. Вместо этого, можно измерять поле, дополнительное к движущей силе. Если
это электрическое поле является движущей силой, то можно измерить ультразвуковой отклик методом
ESA. Альтернативно, если ультразвуковая волна является движущей силой, тогда электрический ток
можно измерять, используя режим CVI.
Оба эти метода дают необработанные экспериментальные данные для расчета электрофоретической
подвижности по величине вторичного поля и знака поверхностного заряда по его фазе. Такая
электрофоретическая подвижность становится зависимой от частоты за счет нескольких факторов.
Существуют надежно подтвержденные теории по выводу ζ−потенциала из такой “динамической
электрофоретической подвижности”, описанной в ISO 13099-1. Простейшая теория практически
идентична широко известной теории Смолуховского (Smoluchowski), которая обычно служит основой
[9]

оптических методов.
Преимущества одного электроакустического метода перед другими неизвестны.
Электроакустические явления существуют не только в системе с частицами, но и в пористых
материалах, насыщенных жидкостью. Существует два известных электроакустических эффекта в
[6] [7]
пористых средах, представленных Френкелем (Frenkel). Сейсмоэлектрический эффект является
высокочастотным аналогом мембранного тока /потенциала. Электросейсмический эффект является
высокочастотным аналогом электроосмоса. В Приложении A представлена взаимосвязь между
классическими электрокинетическими эффектами и высокочастотной электроакустикой.
Электроакустические эффекты в пористых материалах можно измерить с помощью современных
[10] [11] [12]
приборов, но такие приборы пока еще проходят испытания. Данная часть ISO 3099 посвящена
только электроакустическим методам в частицах.
Все электроакустические приборы, которые спроектированы на настоящий момент, построены по
принципу датчика (преобразователя). Такая конструкция включает элементы для генерирования
(измерения) ультразвука и элементы для генерирования (измерения) электрического поля (тока). Все
существующие приборы имеют общие особенности, описанные в следующем разделе.
6 Конструкционные элементы датчика дзета-потенциала
Электроакустический прибор включает электронный блок, который генерирует электрические
импульсы определенной частоты. Импульсная техника является основной особенностью всех
электроакустических приборов. Частотный диапазон этих импульсов составляет от 1 MГц до 20 MГц.
Такой же блок используется для анализа либо электрических (тип CVI), либо ультразвуковых (тип ESA)
импульсов, генерированных пробой в ответ на начальный пусковой импульс.
Электронный блок поставляется с преобразователем, который содержит элементы, требующиеся для
передачи импульсов к пробе и получения генерированного отклика. Такой чувствительный элемент
содержит пьезоэлектрические устройства, способные преобразовывать электрическую энергию в
ультразвук или наоборот. Все пьезоэлектрические устройства должны включать устройство задержки,
© ISO 2014 – Все права сохраняются 9

---------------------- Page: 14 ----------------------
ISO 13099-3:2014(R)
которое разделяет импульсы во времени. Также должна иметься дополнительная вставка, которая
обеспечивает совпадение акустического импеданса преобразователя и пробы.
Также имеется система из двух электродов, использующаяся либо для возбуждения электрического
импульса в пробе, либо для измерения электрического отклика.
Начальный электрический импульс можно приложить непосредственно к дисперсной системе для
генерирования относительного движения фаз системой электродов. Это движение генерирует
ультразвук, который измеряется с помощью пьезоэлектрического устройства. Такой подход использует
тип ESA.
Подход CVI использует сначала пьезоэлектрическое устройство, преобразуя начальные электрические
импульсы в ультразвук, который затем запускают в дисперсную систему. Этот ультразвук инициирует
относительное движение фаз и электрический ток, который затем измеряют с помощью системы
электродов.
7 Определение электрофоретической подвижности
Электроакустические устройства измеряют величину и фазу электроакустического сигнала, который
может быть либо ESA либо CVI в зависимости от природы движущей силы. Это необработанные
данные, которые могут отличаться для разных приборов. Этот параметр стоит преобразовать в какие-
либо другие параметры, которые будут универсальны для всех приборов и методов. Такой параметр
[4]
был предложен О”Брайеном (O’Brien) и в настоящее время используется во всех
электроакустических устройствах (“динамическая электрофоретическая подвижность”). Этот параметр
(μ ) является обобщением понятия электрофоретической подвижности для высокочастотного
d
колебательного движения частиц.
Учитывая соотношение О”Брайена, средняя динамическая электрофоретическая подвижность, μ ,
d
определяется следующим образом:
 

ρ 1
m
 
µ = AAor (1)
( )

d ESA CVI
 
A(ω)F (Z )
φρ − ρ

( )
pm 
 
где
 A и A величины электроакустических сигналов ESA и CVI, нормализованные с
ESA CVI
соответствующими движущими силами;
 A(ω) постоянная прибора, найденная при калибровке;
 F(Z) функция акустического импеданса преобразователя и исследуемой дисперсии,
описывающая отражение ультразвукового сигнала на поверхности
электроакустического датчика.
Также требуются плотности среды и частиц, ρ и ρ , и объемная доля частиц φ.
m p
По О”Брайену, полная функциональная зависимость электроакустики от ключевых параметров, таких
как дзета-потенциал, размер частицы и частота, включена в динамическую электрофоретическую
подвижность. Для всех рассматриваемых случаев коэффициент пропорциональности между
электроакустическим сигналом и динамической электрофоретической подви
...

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13099-3
First edition
2014-07-01
Colloidal systems — Methods for zeta
potential determination —
Part 3:
Acoustic methods
Systèmes colloïdaux — Méthodes de détermination du potentiel
zêta —
Partie 3: Méthodes acoustiques
Reference number
ISO 13099-3:2014(E)
©
ISO 2014

---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2014
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols . 1
3.1 Electric double layer (EDL) . 1
3.2 Electrokinetic phenomena . 3
3.3 Electroacoustic phenomena . 4
4 Symbols . 6
5 Principle . 7
6 Zeta potential probe design elements . 8
7 Determination of the dynamic electrophoretic mobility . 8
7.1 Subtracting background electroacoustic signal generated by ions . 9
8 Calculation of zeta potential .10
8.1 General .10
8.2 Isolated double layers .10
8.3 Overlapped double layers .13
9 Operational procedures .13
9.1 Requirements .13
9.2 Verification .14
9.3 Sources of measurement error .15
Annex A (informative) Electroacoustics: high frequency electrokinetics.16
Annex B (informative) Verification of electroacoustic theories .17
Bibliography .20
© ISO 2014 – All rights reserved iii

---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 24, Particle characterization including sieving,
Subcommittee SC 4, Particle characterization.
ISO 13099 consists of the following parts, under the general title Colloidal systems — Methods for zeta
potential determination:
— Part 1: Electroacoustic and electrokinetic phenomena
— Part 2: Optical methods
— Part 3: Acoustic methods
iv © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

Introduction
Zeta potential is a parameter that can be used to predict the long term stability of suspensions and
emulsions, and to study surface morphology and surface adsorption of particles and other surfaces
in contact with a liquid. Zeta potential is not a directly measurable parameter. It can be determined
using appropriate theoretical models from experimentally determined parameters, which depend on
electric charge separation at interfaces. “Electrokinetic phenomena” encompass such experimentally
observed effects. A group of electrokinetic phenomena at high frequency on MHz scale is referred to
[1]
as “electroacoustics”. Each classical electrokinetic phenomenon at DC or low AC conditions has
electroacoustic analogue. These electroacoustic phenomena have been widely used to determine
electrophoretic mobility of various concentrated particulates without sample dilution. The purpose of
this part of ISO 13099 in methods for Zeta potential determination is description of general features
of such electroacoustic methods that should be common for all instrumental implementation for
measuring electrophoretic mobility using electroacoustics and following calculation of zeta potential
of particulates.
© ISO 2014 – All rights reserved v

---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13099-3:2014(E)
Colloidal systems — Methods for zeta potential
determination —
Part 3:
Acoustic methods
1 Scope
This part of ISO 13099 describes in general electroacoustic effects that can be defined as high frequency
electrokinetic phenomena.
Particular attention is given to two methods of measurement of electrophoretic mobility of particles
[2]
suspended in a liquid at high concentration above 1 % v/v, colloid vibration current (CVI) and electric
[3] [4]
sonic amplitude (ESA), respectively.
Estimation of surface charge and determination of zeta potential can be achieved from measured
electrophoretic mobility using proper theoretical models, which are described in detail in ISO 13099-1.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 13099-1, Colloidal systems — Methods for zeta-potential determination — Part 1: Electroacoustic and
electrokinetic phenomena
ISO 13099-2, Colloidal systems — Methods for zeta-potential determination — Part 2: Optical methods
3 Terms, definitions and symbols
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1 Electric double layer (EDL)
The electric double layer (EDL) is a spatial distribution of electric charges that appears on and at the
vicinity of the surface of an object when it is placed in contact with a liquid.
3.1.1
Debye-Hückel approximation
model assuming small electric potentials in the electric double layer
3.1.2
Debye length
-1
κ
characteristic length of the electric double layer in an electrolyte solution
Note 1 to entry: The Debye length is expressed in nanometres.
© ISO 2014 – All rights reserved 1

---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

3.1.3
diffusion coefficient
D
mean squared displacement of a particle per unit time
Note 1 to entry: The diffusion coefficient is expressed in metre squared per second.
3.1.4
Dukhin number
Du
dimensionless number which characterizes contribution of the surface conductivity in electrokinetic
and electroacoustic phenomena, as well as in conductivity and dielectric permittivity of heterogeneous
systems
3.1.5
dynamic viscosity
η
ratio of the applied shear stress and the rate of shear of a liquid
Note 1 to entry: For the purpose of this part of ISO 13099, dynamic viscosity is used as a measure of resistance of
a fluid which is being deformed by shear stress.
Note 2 to entry: Dynamic viscosity determines the dynamics of an incompressible Newtonian fluid.
Note 3 to entry: Dynamic viscosity is expressed in pascal seconds.
3.1.6
electric surface charge density
σ
charges on interface per area due to specific adsorption of ions from the liquid bulk, or due to dissociation
of the surface groups
Note 1 to entry: Electric surface charge density is expressed in coulombs per square metre.
3.1.7
electric surface potential
s
ψ
difference in electric potential between the surface and the bulk liquid
Note 1 to entry: Electric surface potential is expressed in volts.
3.1.8
ζ -potential
electrokinetic potential
zeta potential
ζ
difference in electric potential between that at the slipping plane and that of the bulk liquid
Note 1 to entry: Electrokinetic potential is expressed in volts.
3.1.9
Gouy-Chapman-Stern model
model describing the electric double layer
3.1.10
isoelectric point
condition of liquid medium, usually the value of pH, that corresponds to zero zeta-potential of dispersed
particles
2 © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

3.1.11
slipping plane
shear plane
abstract plane in the vicinity of the liquid/solid interface where liquid starts to slide relative to the
surface under influence of a shear stress
3.1.12
Stern potential
d
Ψ
electric potential on the external boundary of the layer of specifically adsorbed ions
Note 1 to entry: Stern potential is expressed in volts.
3.2 Electrokinetic phenomena
Note 1 to entry Electrokinetic phenomena are associated with tangential liquid motion adjacent to a charged
surface.
3.2.1
electroosmosis
motion of liquid through or past a charged surface, e.g. an immobilized set of particles, a porous plug, a
capillary or a membrane, in response to an applied electric field, which is the result of the force exerted
by the applied field on the countercharge ions in the liquid
3.2.2
electroosmotic counter-pressure
Δp
eo
pressure difference that is applied across the system to stop the electroosmotic flow
Note 1 to entry: The electroosmotic counter-pressure value is positive if the high pressure is on the higher electric
potential side.
Note 2 to entry: Electroosmotic counter-pressure is expressed in pascals.
3.2.3
electroosmotic velocity
v
eo
uniform velocity of the liquid far from the charged interface
Note 1 to entry: Electroosmotic velocity is expressed in metres per second.
3.2.4
electrophoresis
movement of charged colloidal particles or polyelectrolytes, immersed in a liquid, under the influence
of an external electric field
3.2.5
electrophoretic mobility
μ
electrophoretic velocity per unit electric field strength
Note 1 to entry: Electrophoretic mobility is positive if the particles move toward lower potential (negative
electrode) and negative in the opposite case.
Note 2 to entry: Electrophoretic mobility is expressed in metres squared per volt second.
3.2.6
electrophoretic velocity
υ
e
particle velocity during electrophoresis
Note 1 to entry: Electrophoretic velocity is expressed in metres per second.
© ISO 2014 – All rights reserved 3

---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

3.2.7
sedimentation potential
U
sed
potential difference sensed by two electrodes placed some vertical distance apart in a suspension in
which particles are sedimenting under the effect of gravity
Note 1 to entry: When the sedimentation is produced by a centrifugal field, the phenomenon is called centrifugation
potential.
Note 2 to entry: Sedimentation potential is expressed in volts.
3.2.8
streaming current
l
str
current through a porous body resulting from the motion of fluid under an applied pressure gradient
Note 1 to entry: Streaming current is expressed in amperes.
3.2.9
streaming current density
J
str
streaming current per area
Note 1 to entry: Streaming current density is expressed in coulombs per square metre.
3.2.10
streaming potential
U
str
potential difference at zero electric current, caused by the flow of liquid under a pressure gradient
through a capillary, plug, diaphragm, or membrane
Note 1 to entry: Streaming potentials are created by charge accumulation caused by the flow of countercharges
inside capillaries or pores.
Note 2 to entry: Streaming potential is expressed in volts.
3.2.11
surface conductivity
σ
K
excess electrical conduction tangential to a charged surface
Note 1 to entry: Surface conductivity is expressed in siemens.
3.3 Electroacoustic phenomena
Electroacoustic phenomena arise due to the coupling between the ultrasound field and electric field in
a liquid that contains ions. Either of these fields can be primary driving forces. Liquid might be a simple
Newtonian liquid or complex heterogeneous dispersion, emulsion, or even a porous body. There are
several different electroacoustic effects, depending on the nature of the liquid and type of the driving
force.
3.3.1
colloid vibration current
CVI
a.c. current generated between two electrodes, placed in a dispersion, if the latter is subjected to an
ultrasonic field
Note 1 to entry: Colloid vibration current is expressed in amperes.
4 © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

3.3.2
colloid vibration potential
CVU
a.c. potential difference generated between two electrodes, placed in a dispersion, if the latter is
subjected to an ultrasonic field
Note 1 to entry: Colloid vibration potential is expressed in volts.
3.3.3
electrokinetic sonic amplitude
ESA
amplitude is created by an a.c. electric field in a dispersion with electric field strength, E; it is the
counterpart of the colloid vibration potential method
Note 1 to entry: See References [3] and [4].
Note 2 to entry: Electrokinetic sonic amplitude is expressed in pascals.
3.3.4
ion vibration current
IVI
a.c. electric current created from different displacement amplitudes in an ultrasound wave due to the
difference in the effective mass or friction coefficient between anion and cation
Note 1 to entry: See Reference [5].
Note 2 to entry: Ion vibration current is expressed in amperes.
3.3.5
seismoelectric effect
SEI
non-isochoric streaming current that arises in a porous body when an ultrasound wave propagates
through
Note 1 to entry: See References [6] and [7].
Note 2 to entry: A similar effect can be observed at a non-porous surface, when sound is bounced off at an oblique
[11]
angle.
Note 3 to entry: Seismoelectric effect is expressed in amperes.
3.3.6
electroseismic effect
ESI
non-isochoric electroosmotic pressure wave that arises in a porous body under influence of high
frequency electric field
Note 1 to entry: See References [6] and [7].
Note 2 to entry: Electroseismic effect is expressed in pascals.
3.3.7
dynamic electrophoretic mobility
μ
d
electrophoretic velocity per unit electric field strength in high frequency (MHz) electric field
Note 1 to entry: Traditional electrophoretic mobility is low frequency asymptotic of the dynamic electrophoretic
mobility.
Note 2 to entry: Electrophoretic mobility is expressed in metres squared per volt second.
© ISO 2014 – All rights reserved 5

---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

4 Symbols
a particle radius
c electrolyte concentration in the bulk
D diffusion coefficient of cations
+
D diffusion coefficient of anions
-
D effective diffusion coefficient of the electrolyte
eff
Du Dukhin number
e elementary electric charge
F Faraday constant
K conductivity of the dispersion medium
m
K conductivity of the dispersed particle
p
K conductivity of the dispersion
s
σ
K surface conductivity
k Boltzmann constant
B
m parameter characterizing electroosmotic flow contribution to surface conductivity
N Avogadro’s number
A
P pressure
R ideal gas constant
r radial distance from the particle centre
T absolute temperature
U streaming potential
st
μ electrophoretic mobility
μ dynamic electrophoretic mobility
d
X distance from the particle surface
Z acoustic impedance
z valence of the ith ion species
i
z valences of the cations and anions
±
ε relative permittivity of the medium
m
ε relative permittivity of the particle
p
ε vacuum permittivity
0
η dynamic viscosity
6 © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

φ volume fraction
κ reciprocal Debye length
ρ medium density
m
ρ particle density
p
ρ density of the dispersion
s
d
σ electric charge density of the diffuse layer
σ electric surface charge density
ω rotational frequency
ω Maxwell-Wagner relaxation frequency
MW
ω critical frequency of hydrodynamic relaxation
hd
ζ
electrokinetic potential, zeta potential

Ψ (x) electric potential in the double layer
d
Ψ Stern potential
Ω drag coefficient
5 Principle
Any instrument designed for characterizing ζ-potential should contain three essential components for
achieving three distinctive purposes.
— means for generating motion of the liquid phase relative to the dispersed phase (either solid or
liquid);
— means for monitoring response induced by such motion;
— means for calculating ζ-potential from the measured response.
The first purpose is usually achieved by manipulating one of the two fields that are responsible for
electrokinetic phenomena (electrical and mechanical). For instance, in optical electrophoretic methods
(see ISO 13099-2) an electric field generates mechanical motion of particles relative to the liquid. This
field is usually constant in time or oscillates with low frequency up to KHz range.
Similarly, one can go to a higher frequency electric field (MHz range) for generating relative motion
of phases. There is a special term for such high frequency electrophoresis (electric sonic amplitude
reflecting the fact that the wave nature of the mechanical motion at such high frequency becomes
dominant). This mechanic effect is an ultrasound wave. There is also a reversible effect: propagation of
an ultrasound wave though the concentrated particulate system generates an oscillating electric field
and related current (colloid vibration current). These effects are symmetrical according to the Onsager
[8]
principle. Both of them can be used for generating a relative motion of phases. The field used for such
purposes is called “driving force”.
The second purpose of monitoring relative phase motion is often achieved by optical means as described
in ISO 3099-2.
It turns out that at a high frequency range, there is no need to use an additional “monitoring” field. Instead,
the field complimentary to the driving force can be measured. If the electric field is the driving force,
© ISO 2014 – All rights reserved 7

---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

then the ultrasound response can be measured using the ESA method. Alternatively, if an ultrasound
wave is the driving force then electric current can be measured using the CVI mode.
Both these methods yield raw experimental data for calculating electrophoretic mobility from the
magnitude of the response field and sign of the surface charge from its phase. This electrophoretic
mobility becomes frequency-dependent due to a number of factors. There are well verified theories for
extracting ζ-potential from such “dynamic electrophoretic mobility” described in ISO 13099-1. The
simplest one is practically identical to the well-known Smoluchowski theory that usually serves as the
[9]
basis for optical methods.
There are no known advantages of one electroacoustic method over the other.
Electroacoustic phenomena exist not only in particulates systems but in porous materials saturated with
[6] [7]
liquid as well. There are two known electroacoustic effects in porous media introduced by Frenkel.
Seismoelectric effect is a high frequency analogy of the streaming current/potential. Electroseismic
effect is a high frequency analogy of electroosmosis. Annex A presents the relationship between classical
electrokinetic effects and high frequency electroacoustics.
[10] [11] [12]
Electroacoustics effects in porous materials can be measured with modern devices, but it
is still at the stage of research. This part of ISO 3099 is dedicated to the electroacoustic methods in
particulates only.
All electroacoustic instruments that have been designed to date are built as a probe. Such probe design
includes elements for generating (measuring) ultrasound and elements for generating (measuring)
electric field (current). There are common features for all existing instruments, presented in the next
section.
6 Zeta potential probe design elements
An electroacoustic instrument contains an electronic block that generates electric pulses of certain
frequency. A pulse technique is an essential feature of all electroacoustic instruments. The frequency
range of these pulses is from 1 MHz to 20 MHz.
The same block is used for analysing either electric (CVI mode) or ultrasound (ESA mode) pulses
generated by a sample in response to the initial driving pulse.
The electronic block is supplied with a probe that contains elements required for transmitting pulses
to the sample and receiving generated response. Such a sensing probe contains piezo-electric devices
which are able to convert electric energy into ultrasound and vice versa. All piezo-electric devices shall
contain a delay rod that separates pulses in time. There shall be also an additional insert that provides
for matching of acoustic impedances between the probe and a sample.
There is also a system of two electrodes used either for launching electric pulse in the sample or
measuring electric response.
An initial electric pulse can be applied directly to the dispersed system for generating relative phase
motion by the electrode system. This motion generates ultrasound that is measured with the piezo-
electric device. This approach is used in the ESA mode.
The CVI approach uses a piezo-electric device first, converting the initial electric pulses into ultrasound
that then are launched into the dispersed system. This ultrasound generates a relative phase motion and
electric current that is then measured with the electrode system.
7 Determination of the dynamic electrophoretic mobility
Electroacoustic devices measure the magnitude and phase of the electroacoustic signal, which might
be either ESA or CVI depending on the nature of the driving force. This is the raw experimental data
that might vary for different instruments. It shall be converted to some other parameters that would
[4]
be universal for all instruments and methods. Such a parameter was suggested by O’Brien and is
8 © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 13099-3:2014(E)

currently in use in all electroacoustic devices (“dynamic electrophoretic mobility”). This parameter
(μ ) is the generalization of the electrophoretic mobility concept for high frequency oscillating particle
d
motion.
According to the O’Brien relationship, the average dynamic electrophoretic mobility, μ , is defined as:
d
 
 
ρ 1
m
 
μ = AAor (1)
()
 
dESA CVI
  AFω Z
φρ −ρ () ()
 
()
pm  
 
where
A and A are the magnitudes of ESA and CVI electroacoustic signals normalized with cor-
ESA CVI
responding driving forces;
A(ω) is an instrument constant found by calibration;
F(Z) is a function of the acoustic impedances of the transducer and the dispersion
under investigation describing reflection of ultrasound on the surface of the elec-
troacoustic probe.
The densities of the medium and particles, ρ and ρ , are required, as well as the volume fraction of
m p
particles φ.
According to O’Brien, a complete functional dependence of electroacoustics on key parameters, such as
zeta potential, particle size and frequency, is incorporated into the dynamic electrophoretic mobility.
For all considered cases, the coefficient of proportionality between electroacoustic signal and dynamic
electrophoretic mobility is frequency independent and independent of particle size and zeta potential.
This feature makes the dynamic electrophoretic mobility an important and central parameter of the
electroacoustic theory. It can be used for comparing results produced by different instruments.
7.1 Subtracting background electroacoustic signal generated by ions
Electroacoustic probes measure the total electroacoustic signal, which is the sum of the signal produced
by particles and signal produced by ions. Historically, the electroacoustic signal from ions was the first
[5]
electroacoustic effect predicted theoretically by Debye in 1933.
The electroacoustic signal from ions is normally much smaller than the signal produced by particles and
can be neglected. Its role increases with increasing ionic strength due to a larger number of ions.
Increasing ionic strength causes a decay in ζ-potential , which also enhances the relative contribution
of ionic background.
Another factor that controls relative contribution of ions and particles in the measured electroacoustic
signal is the volume fraction of particles. The contribution from ions becomes more important in dilute
systems due to the smaller particles contribution.
The next factor is particle size. Increasing particle size leads to a reduction of the particles contribution
which, in turn, amplifies the role of the ionic background.
The last factor is density contrast that also affects particles contribution.
It is impossible to provide exact thresholds for individual parameters because the total effect depends
on multiplicative contributions of individual factors. It is poss
...

DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 13099-3
ISO/TC 24/SC 4 Secretariat: DIN
Voting begins on Voting terminates on

2013-03-25 2013-06-25
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION  •  МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ  •  ORGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION


Methods for zeta potential determination —
Part 3:
Acoustic methods
Méthode de détermination du potentiel zêta —
Partie 3: Méthodes acoustiques

ICS 19.120









To expedite distribution, this document is circulated as received from the committee
secretariat. ISO Central Secretariat work of editing and text composition will be undertaken at
publication stage.
Pour accélérer la distribution, le présent document est distribué tel qu'il est parvenu du
secrétariat du comité. Le travail de rédaction et de composition de texte sera effectué au
Secrétariat central de l'ISO au stade de publication.



THIS DOCUMENT IS A DRAFT CIRCULATED FOR COMMENT AND APPROVAL. IT IS THEREFORE SUBJECT TO CHANGE AND MAY NOT BE
REFERRED TO AS AN INTERNATIONAL STANDARD UNTIL PUBLISHED AS SUCH.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNOLOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES, DRAFT
INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STANDARDS TO
WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN NATIONAL REGULATIONS.
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPORTING DOCUMENTATION.
©  International Organization for Standardization, 2013

---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/DIS 13099-3

Copyright notice
This ISO document is a Draft International Standard and is copyright-protected by ISO. Except as permitted
under the applicable laws of the user’s country, neither this ISO draft nor any extract from it may be
reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic,
photocopying, recording or otherwise, without prior written permission being secured.
Requests for permission to reproduce should be addressed to either ISO at the address below or ISO’s
member body in the country of the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Reproduction may be subject to royalty payments or a licensing agreement.
Violators may be prosecuted.

ii © ISO 2013 – All rights reserved

---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
Contents Page
Foreword . iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols . 1
4 Symbols . 6
5 Principle. 7
6 Zeta potential probe design elements . 8
7 Determination of the dynamic electrophoretic mobility . 8
7.1 Subtracting background electroacoustic signal generated by ions . 9
8 Calculation of zeta potential . 10
8.1 Isolated double layers . 10
8.1.1 O’Brien theory for dilute systems . 10
8.1.2 Smoluchowski theory for CVI in concentrates, including particles interaction . 11
8.1.3 CVI theory in polydisperse concentrates with surface conductivity and particles
interaction . 12
8.1.4 ESA theories for concentrates with particles interaction . 12
8.2 Overlapped double layers. 12
9 Operational procedures . 13
9.1 Requirements . 13
9.1.1 Instrument location . 13
9.1.2 Sample handling . 13
9.1.3 Preparation . 13
9.1.4 Sample volume fraction requirement . 13
9.2 Verification . 13
9.2.1 Reference materials . 13
9.2.2 Repeatability . 14
9.2.3 Intermediate precision . 14
9.2.4 Trueness . 14
9.3 Sources of measurement error . 15
Annex A (informative) Electroacoustics: high frequency Electrokinetics . 16
Annex B (informative) Verification of electroacoustic theories . 17
Bibliography . 20

© ISO 2013 – All rights reserved iii

---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13099-3 was prepared by Technical Committee ISO/TC 24, Particle characterization including sieving,
Subcommittee SC 4, Particle characterization.
ISO 13099 consists of the following parts, under the general title Colloidal systems — Methods for zeta
potential determination:
 Part 1: Electroacoustic and electrokinetic phenomena
 Part 2: Optical methods
The following part is under preparation:
 Part 3: Acoustic methods
iv © ISO 2013 – All rights reserved

---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
Introduction
Zeta potential is a parameter that can be used to predict the long term stability of suspensions and emulsions
and to study surface morphology and surface adsorption of particles and other surfaces in contact with a
liquid. Zeta potential is not a directly measurable parameter. It can be determined using appropriate
theoretical models from experimentally determined parameters, which depend on electric charge separation at
interfaces. “Electrokinetic phenomena” encompass such experimentally observed effects. A group of
electrokinetic phenomena at high frequency on MHz scale is referred to as “electroacoustics” [1]. Each
classical electrokinetic phenomenon at DC or low AC conditions has electroacoustic analogue. These
electroacoustic phenomena have been widely used to determine electrophoretic mobility of various
concentrated particulates without sample dilution. The purpose of this part of the ISO standard in methods for
Zeta potential determination is description of general features of such electroacoustic methods that should be
common for all instrumental implementation for measuring electrophoretic mobility using electroacoustics and
following calculation of zeta potential of particulates.

© ISO 2013 – All rights reserved v

---------------------- Page: 5 ----------------------
DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 13099-3

Colloidal systems — Methods for zeta potential
determination — Part 3: Acoustic methods
1 Scope
This part of ISO 13099 describes in general electroacoustic effects that can be defined as high frequency
electrokinetic phenomena.
Particular attention is given to two methods of measurement of electrophoretic mobility of particles suspended
in a liquid at high concentration above 1 % vl, colloid vibration current (CVI) [2] and electric sonic amplitude
(ESA) [3, 4], respectively.
Estimation of surface charge and determination of zeta potential may be achieved from measured
electrophoretic mobility using proper theoretical models, which are described in detail in ISO 13099, Part 1.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 13099-1:2012, Colloidal systems — Methods for zeta potential determination — Part 1: Electroacoustic
and electrokinetic phenomena
ISO 13099-2:2012, Colloidal systems — Methods for zeta potential determination — Part 2: Optical methods
3 Terms, definitions and symbols
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1 Electric double layer (EDL)
NOTE The electric double layer (EDL) is a spatial distribution of electric charges that appears on and at the vicinity of
the surface of an object when it is placed in contact with a liquid.
3.1.1
Debye-Hückel approximation
model assuming small electric potentials in the electric double layer
3.1.2
Debye length
1
κ
characteristic length of the electric double layer in an electrolyte solution
NOTE 1 to entry: The Debye length is expressed in nanometers.
3.1.3
diffusion coefficient
D
mean squared displacement of a particle per unit time
© ISO 2013 – All rights reserved
1

---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
3.1.4
Dukhin number
Du
dimensionless number which characterizes contribution of the surface conductivity in electrokinetic and
electroacoustic phenomena, as well as in conductivity and dielectric permittivity of heterogeneous systems
3.1.5
dynamic viscosity
η
ratio of the applied shear stress and the rate of shear of a liquid
NOTE 1 to entry: For the purpose of this part of ISO 13099, dynamic viscosity is used as a measure of resistance of a
fluid which is being deformed by shear stress.
NOTE 2 to entry: Dynamic viscosity determines the dynamics of an incompressible Newtonian fluid.
NOTE 3 to entry: Dynamic viscosity is expressed in pascal seconds.
3.1.6
electric surface charge density
σ
charges on interface per area due to specific adsorption of ions from the liquid bulk, or due to dissociation of
the surface groups
NOTE 1 to entry: Electric surface charge density is expressed in coulombs per square metre.
3.1.7
electric surface potential
s
ψ
difference in electric potential between the surface and the bulk liquid
NOTE 1 to entry: Electric surface potential is expressed in volts.
3.1.8
ζ-potential
electrokinetic potential
zeta potential
ζ
difference in electric potential between that at the slipping plane and that of the bulk liquid
NOTE 1 to entry: Electrokinetic potential is expressed in volts.
3.1.9
Gouy-Chapman-Stern model
model describing the electric double layer
3.1.10
isoelectric point
condition of liquid medium, usually the value of pH, that corresponds to zero zeta-potential of dispersed
particles
3.1.11
slipping plane
shear plane
abstract plane in the vicinity of the liquid/solid interface where liquid starts to slide relative to the surface under
influence of a shear stress
© ISO 2013 – All rights reserved
2

---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
3.1.12
Stern potential
d
Ψ
electric potential on the external boundary of the layer of specifically adsorbed ions
NOTE 1 to entry: Stern potential is expressed in volts.
3.2 Electrokinetic phenomena
NOTE 1 to entry: Electrokinetic phenomena are associated with tangential liquid motion adjacent to a charged surface.
3.2.1
electroosmosis
motion of liquid through or past a charged surface, e.g. an immobilized set of particles, a porous plug, a
capillary or a membrane, in response to an applied electric field, which is the result of the force exerted by the
applied field on the countercharge ions in the liquid
3.2.2
electroosmotic counter-pressure
∆p
eo
pressure difference that is applied across the system to stop the electroosmotic flow
NOTE 1 to entry: The electroosmotic counter-pressure value is positive if the high pressure is on the higher electric
potential side.
NOTE 2 to entry: Electroosmotic counter-pressure is expressed in pascals.
3.2.3
electroosmotic velocity
v
eo
uniform velocity of the liquid far from the charged interface
NOTE 1 to entry: Electroosmotic velocity is expressed in metres per second.
3.2.4
electrophoresis
movement of charged colloidal particles or polyelectrolytes, immersed in a liquid, under the influence of an
external electric field
3.2.5
electrophoretic mobility
µ
electrophoretic velocity per unit electric field strength
NOTE 1 to entry: Electrophoretic mobility is positive if the particles move toward lower potential (negative electrode) and
negative in the opposite case.
NOTE 2 to entry: Electrophoretic mobility is expressed in metres squared per volt second.
3.2.6
electrophoretic velocity
υ
e
particle velocity during electrophoresis
NOTE 1 to entry: Electrophoretic velocity is expressed in metres per second.
© ISO 2013 – All rights reserved
3

---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
3.2.7
sedimentation potential
U
sed
potential difference sensed by two electrodes placed some vertical distance apart in a suspension in which
particles are sedimenting under the effect of gravity
NOTE 1 to entry: When the sedimentation is produced by a centrifugal field, the phenomenon is called centrifugation
potential.
NOTE 2 to entry: Sedimentation potential is expressed in volts.
3.2.8
streaming current
l
str
current through a porous body resulting from the motion of fluid under an applied pressure gradient
NOTE 1 to entry: Streaming current is expressed in amperes.
3.2.9
streaming current density
J
str
streaming current per area
NOTE 1 to entry: Streaming current density is expressed in coulombs per square metre.
3.2.10
streaming potential
U
str
potential difference at zero electric current, caused by the flow of liquid under a pressure gradient through a
capillary, plug, diaphragm or membrane
NOTE 1 to entry: Streaming potentials are created by charge accumulation caused by the flow of countercharges inside
capillaries or pores.
NOTE 2 to entry: Streaming potential is expressed in volts.
3.2.11
surface conductivity
σ
K
excess electrical conduction tangential to a charged surface
NOTE 1 to entry: Surface conductivity is expressed in siemens.
3.3 Electroacoustic phenomena
NOTE 1 to entry: Electroacoustic phenomena arise due to the coupling between the ultrasound field and electric field in
a liquid that contains ions. Either of these fields can be primary driving forces. Liquid might be a simple newtonian liquid or
complex heterogeneous dispersion, emulsion or even a porous body. There are several different electroacoustic effects,
depending on the nature of the liquid and type of the driving force.
3.3.1
colloid vibration current
CVI
A
cvi
a.c. current generated between two electrodes, placed in a dispersion, if the latter is subjected to an ultrasonic
field
NOTE 1 to entry: Colloid vibration current is expressed in amperes.
© ISO 2013 – All rights reserved
4

---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
3.3.2
colloid vibration potential
CVU
a.c. potential difference generated between two electrodes, placed in a dispersion, if the latter is subjected to
an ultrasonic field
NOTE 1 to entry: Colloid vibration potential is expressed in volts.
3.3.3
electrokinetic sonic amplitude
ESA
A
ESA
amplitude is created by an ac electric field in a dispersion with electric field strength E; it is the counterpart of
the colloid vibration potential method
NOTE 1 to entry: see Reference [3, 4].
NOTE 2 to entry: Electrokinetic sonic amplitude is expressed in pascals.
3.3.4
ion vibration current
IVI
a.c. electric current created from different displacement amplitudes in an ultrasound wave due to the
difference in the effective mass or friction coefficient between anion and cation
NOTE 1 to entry: See Reference [5].
NOTE 2 to entry: Ion vibration current is expressed in amperes.
3.3.5
seismoelectric effect
SEI
non-isochoric streaming current that arises in a porous body when an ultrasound wave propagates through
NOTE 1 to entry: See References [6, 7].
NOTE 2 to entry: A similar effect can be observed at a non-porous surface, when sound is bounced off at an oblique
angle [11].
NOTE 2 to entry: Seismoelectric effect is expressed in amperes.
3.3.6
electroseismic effect
ESI
non-isochoric electroosmotic pressure wave that arises in a porous body under influence of high frequency
electric field
NOTE 1 to entry: See References [6, 7].
NOTE 2 to entry: Electroseismic effect is expressed in pascals.
3.3.7
dynamic electrophoretic mobility
µ
d
the electrophoretic velocity per unit electric field strength in high frequency (MHz) electric field
NOTE 1 to entry: Traditional electrophoretic mobility is low frequency asymptotic of the dynamic electrophoretic mobility.
NOTE 2 to entry: Electrophoretic mobility is expressed in metres squared per volt second.
© ISO 2013 – All rights reserved
5

---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
4 Symbols
particle radius
a
c
electrolyte concentration in the bulk
D diffusion coefficient of cations
+
D diffusion coefficient of anions
-
D effective diffusion coefficient of the electrolyte
eff
Du Dukhin number
e
elementary electric charge
F Faraday constant
K conductivity of the dispersion medium
m
K conductivity of the dispersed particle
p
K conductivity of the dispersion
s
σ
surface conductivity
K
k Boltzmann constant
B
m parameter characterizing electroosmotic flow contribution to surface conductivity
N
Avogadro’s number
A
P
pressure
R ideal gas constant
r radial distance from the particle center
T absolute temperature
z valence of the ith ion species
i
z
valences of the cations and anions
±
Z acoustic impedance
U streaming potential
st
µ electrophoretic mobility
µ dynamic electrophoretic mobility
d
x
distance from the particle surface
relative permittivity of the medium
ε
m
ε relative permittivity of the particle
p
ε vacuum permittivity
0
dynamic viscosity
η
ϕ volume fraction
reciprocal Debye length
κ
medium density
ρ
m
ρ particle density
p
© ISO 2013 – All rights reserved
6

---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
density of the dispersion
ρ
s
d
electric charge density of the diffuse layer
σ
electric surface charge density
σ
rotational frequency
ω
Maxwell-Wagner relaxation frequency
ω
MW
critical frequency of hydrodynamic relaxation
ω
hd
electrokinetic potential, zeta potential
ζ
electric potential in the double layer
Ψ (x)
d
Stern potential
Ψ
drag coefficient


5 Principle
Any instrument designed for characterizing ζ-potential should contain three essential components for
achieving three distinctive purposes:
 means for generating motion of the liquid phase relative to the dispersed phase (either solid or liquid);
 means for monitoring response induced by such motion;
 means for calculating ζ-potential from the measured response.
The first purpose is usually achieved by manipulating one of the two fields that are responsible for
electrokinetic phenomena – electrical and mechanical. For instance, in optical electrophoretic methods
(ISO 13099 Part 2) an electric field generates mechanical motion of particles relative to the liquid. This field is
usually constant in time or oscillates with low frequency up to KHz range.
Similarly one can go to a higher frequency electric field (MHz range) for generating relative motion of phases.
There is a special term for such high frequency electrophoresis – electric sonic amplitude reflecting the fact
that the wave nature of the mechanical motion at such high frequency becomes dominant. This mechanic
effect is an ultrasound wave. There is also a reversible effect: propagation of an ultrasound wave though the
concentrated particulate system generates an oscillating electric field and related current – colloid vibration
current. These effects are symmetrical according to the Onsager principle [8]. Both of them can be used for
generating a relative motion of phases. The field used for such purposes is called “driving force”.
The second purpose of monitoring relative phase motion is often achieved by optical means as described in
ISO 3099 Part 2.
It turns out that at a high frequency range there is no need to use an additional “monitoring” field. Instead, the
field complimentary to the driving force can be measured. If the electric field is the driving force, then the
ultrasound response can be measured using the ESA method. Alternatively, if an ultrasound wave is the
driving force then electric current can be measured using the CVI mode.
Both these methods yield raw experimental data for calculating electrophoretic mobility from the magnitude of
the response field and sign of the surface charge from its phase. This electrophoretic mobility becomes
frequency-dependent due to a number of factors. There are well verified theories for extracting ζ-potential
from such “dynamic electrophoretic mobility” described in ISO 13099 Part 1. The simplest one is practically
identical to the well-known Smoluchowski theory that usually serves as the basis for optical methods [9].
There are no known advantages of one electroacoustic method over the other.
© ISO 2013 – All rights reserved
7

---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
Electroacoustic phenomena exist not only in particulates systems but in porous materials saturated with liquid
as well. There are two known electroacoustic effects in porous media introduced by Frenkel [6, 7].
Seismoelectric effect is a high frequency analogy of the streaming current/potential. Electroseismic effect is a
high frequency analogy of electroosmosis. Annex A presents the relationship between classical electrokinetic
effects and high frequency electroacoustics.
Electroacoustics effects in porous materials can be measured with modern devices [10, 11, 12], but it is still at
the stage of research. This standard is dedicated to the electroacoustic methods in particulates only.
All electroacoustic instruments that have been designed to date are built as a probe. Such probe design
includes elements for generating (measuring) ultrasound and elements for generating (measuring) electric
field (current). There are common features for all existing instruments, presented in the next section.
6 Zeta potential probe design elements
An electroacoustic instrument contains an electronic block that generates electric pulses of certain frequency.
A pulse technique is an essential feature of all electroacoustic instruments. The frequency range of these
pulses is from 1 to 20 MHz.
The same block is used for analysing either electric (CVI mode) or ultrasound (ESA mode) pulses generated
by a sample in response to the initial driving pulse.
The electronic block is supplied with a probe that contains elements required for transmitting pulses to the
sample and receiving generated response. Such a sensing probe contains piezo-electric devices, which are
able to convert electric energy into ultrasound and vice versa. All piezo-electric devices shall contain a delay
rod that separates pulses in time. There must be also an additional insert that provides for matching of
acoustic impedances between the probe and a sample.
There is also a system of two electrodes used either for launching electric pulse in the sample, or measuring
electric response.
An initial electric pulse can be applied directly to the dispersed system for generating relative phase motion by
the electrode system. This motion generates ultrasound that is measured with the piezo-electric device. This
approach is used in the ESA mode.
The CVI approach uses a piezo-electric device first, converting the initial electric pulses into ultrasound that
then are launched into the dispersed system. This ultrasound generates a relative phase motion and electric
current that is then measured with the electrode system.
7 Determination of the dynamic electrophoretic mobility
Electroacoustic devices measure the magnitude and phase of the electroacoustic signal, which might be
either ESA or CVI depending on the nature of the driving force. This is the raw experimental data that might
vary for different instruments. It must be converted to some other parameters that would be universal for all
instruments and methods. Such a parameter was suggested by O’Brien [4] and is currently in use in all
electroacoustic devices – “dynamic electrophoretic mobility”. This parameter (µ ) is the generalization of the
d
electrophoretic mobility concept for high frequency oscillating particle motion.
According to the O’Brien relationship, the average dynamic electrophoretic mobility, µ , is defined as:
d
ρ
1
m
µ = (A or A ) (1)
d ESA CVI
ϕ(ρ − ρ ) A(ω)F(Z )
p m


© ISO 2013 – All rights reserved
8

---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO/DIS 13099-3
where
A and A are the magnitudes of ESA and CVI electroacoustic signals normalized with
ESA CVI
corresponding driving forces;
A(ω) is an instrument constant found by calibration;
F(Z) is a function of the acoustic impedances of the transducer and the dispersion under investigation
describing reflection of ultrasound on the surface of the electroacoustic probe.
The densities of the medium and particles, ρ and ρ , are required, as well as the volume fraction of particles
m p
ϕ.
According to O’Brien, a complete functional dependence of electroacoustics on key parameters, such as zeta
potential, particle size and frequency, is incorporated into the dynamic electrophoretic mobility. For all
considered cases, the coefficient of proportionality between electroacoustic signal and dynamic
electrophoretic mobility is frequency independent and independent of particle size and zeta potential. This
feature makes the dynamic electrophoretic mobility an important and central parameter of the electroacoustic
theory. It can be used for comparing results produced by different instruments.
7.1 Subtracting background el
...

Questions, Comments and Discussion

Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.