ISO 13099-3:2014

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 2014
© 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

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
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

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.
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.
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

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 strengt
...

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 2014
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

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

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

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.

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
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

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.
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 един
...