Desde a antigüidade os materiais usados para a fabricação de meios filtrantes de profundidade (areia, vidro, terra diatomácea, perlita e carvão) eram selecionados com base na experiência. Com o avanço da arte de fazer filtros, foi reconhecido que todos estes materiais apresentam, em diferentes graus, uma elevada relação de área por unidade de volume. Eles também apresentavam carga superficial negativa em soluções aquosas. Os materiais granulares não porosos, tais como a areia e a perlita, são finamente divididos no seu estado natural. Por outro lado, o carvão e a terra diatomácea, além de serem finamente divididas no seu estado natural, possuem uma significativa estrutura porosa interna (superfície específica >>1 m2/g). 
Desde o fim do século XIX até meados de 1970, os meios filtrantes com fibras de asbesto de crisotila eram a opção para muitas aplicações industriais onde era necessária uma alta eficiência de remoção de contaminantes com tamanhos na faixa submicrônica ou coloidal. As fibras de asbesto apresentam exclusivas características morfológicas e de carga superficial positiva.
A seleção de materiais com elevada área superficial ou grande estrutura porosa interna foi intuitivamente entendido como ponto importante para o projeto de eficientes meios filtrantes de profundidade. 
A preocupação com o potencial carcinogênico das fibras de asbestos levou a um intensivo esforço, tanto de parte dos fornecedores como dos usuários desses meios no desenvolvimento de alternativas viáveis para a substituição do uso de asbesto na filtração de produtos alimentícios, bebidas e farmacêuticos.
Infelizmente, o uso empírico da fibra de asbesto em meio filtrante foi desenvolvido através de longos períodos de tempo e não existiam modelos adequados para explicar as características exclusivas de separação obtidas com as fibras de asbestos. Walter Wnek (então no Illinois Institute of Technology), usando as propriedades eletrocinéticas observadas em colóides e baseado na teoria química dos colóides, propôs que o asbesto possuía essas características exclusivas de separação por apresentar uma forte carga positiva quando a solução tem pH neutro ou ácido. Já naquela época foram realizadas muitas pesquisas experimentais que forneceram evidências de que fenômenos eletrocinéticos ocorrem nos processos de filtração. Muitos trabalhos foram feitos modificando a carga superficial dos filtros de leitos granulares de areia, mostrando que no caso específico de filtração de águas, a eficiência de remoção diminui assim que as cargas se tornam mais negativas, o que resultava em um aumento da repulsão eletrostática entre as partículas da suspensão e as do filtro. R.A.
Knight e E.A. Ostreicher (da CUNO), estenderam este modelo pela verificação experimental do relaciona-mento linear direto entre a área superficial de meios filtrantes com carga positiva e a quantidade de partículas contaminantes com carga negativa removidas antes da ocorrência da penetração.
A caracterização do significado dos fenômenos eletroquímicos, eletrocinéticos e químico das superfícies e a efetividade da modificação da carga superficial forneceram a base conceitual para o desenvolvimento de modelos de filtração com meios de carga modificada.
Pesquisas e experimentação resultaram na compreensão de que as características funcionais do asbesto eram devidas a sua combinação de uma grande área superficial com uma elevada carga superficial positiva, permitindo desta maneira a formação de conceitos das abordagens alternativas para o desenvolvimento de meios filtrantes efetivos sem asbestos. Estes meios filtrantes foram desenvolvidos e comercializados, revelando a necessidade de precisas técnicas experimentais que permitissem a quantificação, tanto das propriedades eletrocinéticas como da eficiência de remoção das partículas submicrônicas dos meios filtrantes e o seu inter-relacionamento sob as condições de operação do processo.
Em 1973 a CUNO introduziu no mercado o seu filtro de profundidade "Zeta Plus" com carga modificada, que foi rapidamente aceito pelas indústrias de alimentos, bebidas e farmacêuticas, como substitutos dos filtros com fibras de asbesto. Em 1980, a mesma empresa desenvolveu a primeira membrana micro-porosa de nylon com carga modificada para a filtração final de soluções críticas, tais como injetáveis, parenterais e para água de processo na fabricação de circuitos integrados (chips) da indústria eletrônica.

Usando os conceitos eletrocinéticos da química coloidal, pode-se imaginar qualitativamente como funciona um meio filtrante com potencial Zeta. Devido aos diversos mecanismos de transporte, as partículas em suspensão são transportadas até a superfície do meio filtrante. Se a carga da matriz do meio e das partículas for de sinal oposto, a atração eletrostática fará com que as partículas se depositem sobre a superfície do meio filtrante. Se elas forem do mesmo sinal, ocorrerá uma repulsão e a deposição será prejudicada, se não evitada. 

Assim sendo, no caso de que a matriz do meio filtrante e as partículas contaminantes tenham inicialmente cargas de sinal oposto, a deposição das partículas ocorrerá primeiramente pela ação eletrocinéticas e assim que as partículas ocupem a superfície do meio, a carga do meio diminui, o que diminuirá a sua capacidade de remoção de partículas.

Aceitando que quando os efeitos eletrocinéticos estão presentes, eles controlam o desempenho de um filtro, poderá ser feita a questão: "Como são desenvolvidas as cargas na superfície de uma partícula e como esta carga pode ser controlada ou modificada para fazer um uso mais eficiente do filtro?"

A carga da superfície de um sólido pode ser adquirida como resultado de reações químicas na superfície. Estas reações podem ocorrer porque a superfície do sólido contém grupos funcionais, tais como OH, -COOH2, -OPO3H2, etc. Assim sendo, a carga da superfície depende da extensão da ionização desses grupos, o que por sua vez depende do pH da solução. 
A maioria das partículas em dispersão coloidal aquosa possui cargas elétricas. Há diversas origens desta carga superficial dependendo da natureza da partícula e do meio em sua volta. Os mecanismos mais importantes são:
- Ionização de grupos super-ficiais.
- Perda diferenciada de íons.
- Adsorção de espécies com carga. 

Ionização de grupos super-ficiais: 
A dissociação de quaisquer grupos ácidos sobre uma partícula poderá fornecer uma superfície com carga negativa (vide fig 01). 

A dissociação de quaisquer grupos básicos sobre uma partícula poderá fornecer uma superfície com carga positiva. A magnitude da carga superficial depende da força ácida ou básica dos grupos superficiais e do pH da solução (vide fig 02).

Perda diferenciada de íons:
Se um cristal de Iodeto de Prata (AgI), for colocado em água, ele começará a se dissolver. Dissolvem-se a mesma quantidade de íons de Ag+ e I-, a superfície poderá permanecer sem carga. De fato os íons de Ag+ se dissolvem preferencialmente deixando uma superfície com carga negativa (vide fig 03).

Adsorção de espécies com carga:
Os íons de surfatante podem ser especificamente adsorvidos sobre a superfície de uma partícula. Os surfatantes catiônicos poderão gerar superfícies com carga positiva (vide fig 04) e os surfatantes aniônicos poderão gerar superfícies com carga negativa (vide fig 05).

O potencial Zeta e o pH:
O parâmetro mais importante que afeta o potencial Zeta é o pH da solução. O valor do potencial Zeta indicado sem nenhuma definição do seu ambiente (pH, força iônica, concentração e presença de quaisquer aditivos) é um número sem nenhum significado.
Imaginemos uma partícula em suspensão com um potencial Zeta negativo. Se for adicionado álcali à suspensão então a partícula terá tendência a adquirir mais carga negativa. 

Se for adicionado ácido a esta suspensão poderá ser alcançado o ponto em que a carga poderá ser neutralizada. Uma maior adição de ácido pode gerar uma carga positiva na partícula. De
maneira geral, a curva de potencial Zeta versus pH será positiva a baixos pH e menor ou negativo para pH alto.

Poderá haver um ponto em que a curva passa através do potencial zero. 
Este ponto é chamado "ponto isoelétrico" sendo muito importante sob o ponto de vista prático. No caso de sistemas coloidais, este ponto seria o de maior instabilidade do sistema.

Potencial Zeta
As forças na interface das partículas de um meio filtrante e o líquido que as molha é muito importante, principalmente se as partículas são pequenas, de tamanho coloidal. Um dos efeitos de superfície mais importantes é o efeito "eletrocinético". Os fenômenos eletrocinéticos estão associados ao movimento de partículas carregadas através de um meio contínuo ou do movimento do meio contínuo sobre uma superfície carregada. Este efeito causado pela formação de cargas elétricas nas interfaces é chamado de "potencial Zeta" (z). As interfaces podem se tornar carregadas por diversas razões. É praticamente impossível encontrar uma superfície que não apresente carga. Algumas das razões para que a superfície do sólido adquira uma carga são: perda ou ganho de camadas de íons, ionização superficial dos grupos ácidos ou básicos, adsorção de íons, adsorção de surfatantes (tensioativos) iônicos, etc. Os conhecimentos sobre o "potencial Zeta" são muito úteis para entender e controlar as suspensões coloidais, como também para conhecer o comportamento dos filtros com carga superficial modificada.
A parte da ciência que estuda o movimento das partículas num eletrólito (a migração das partículas de uma solução coloidal sob a influência de um campo elétrico) é chamada "eletroforese".
São vários os mecanismos responsáveis pelo desenvolvimento de cargas elétricas quando as superfícies dos materiais são submersas em líquidos:

(a) Soluções aquosas: a adsorção de íons de hidrogênio e hidroxilas pode fazer com que a superfície seja carregada tanto positivamente como negativamente. A dissociação de grupos funcionais, tais como ácidos carboxílicos na superfície dos sólidos resulta no desenvolvimento de pontos de carga negativa.

(b) Líquidos orgânicos: a interação entre ácidos e bases tem um papel dominante em decidir a natureza da carga desenvolvida na superfície da partícula. Se o líquido é doador de elétrons e o sólido é um receptor de elétrons, então o sólido, agindo como um ácido poderá carregar-se negativamente.
Devido o sistema sólido/líquido ter que atingir um ponto de neutralização elétrica sobre a superfície do sólido, será formada uma camada difusa de íons de carga oposta à da superfície, neutralizando conseqüentemente a carga da superfície. Tomadas em conjunto, as cargas da superfície e os contra-íons, formam a chamada "camada elétrica dupla" ou "camada de carga espacial". O estabelecimento desta camada na interface sólido/líquido cria um potencial elétrico interfacial, de sinal e magnitude que são dependentes das condições da solução, como o pH, e as características do sólido, como o comportamento ácido/básico. O potencial diminui desde um valor determinado na superfície do sólido até zero, no meio da massa da solução.
Para visualizar o ambiente iônico nas proximidades de uma partícula carregada e explicar a ação das forças geradas, foi criado o "modelo da dupla camada". É mais fácil entender este modelo como uma seqüência de passos que tem lugar em volta de um colóide simples (com carga negativa), quando seus íons neutralizantes são repentinamente arrastados para longe.
Se olharmos primeiramente para o efeito do colóide sobre os íons positivos (geralmente chamados de "contra-íons") na solução, inicialmente a atração do colóide negativo faz com que os íons positivos formem uma camada firmemente fixada em volta da superfície do colóide. Esta camada de contra-íons é conhecida como "camada de Stern". 

Modelo elétrico da camada dupla de uma superfície sólida com carga negativa

Íons positivos são ainda atraídos pelo colóide negativo, mas agora eles são repelidos pela camada de Stern, assim como pelos outros íons positivos que estão tratando de aproximar-se do colóide. Este equilíbrio dinâmico resulta na formação de uma "camada difusa" de contra-íons (camada de Gouy). Ela tem uma alta concentração nas proximidades da superfície que diminui gradualmente com a distância, até que alcança o equilíbrio com a concentração de contra-íons na solução.
De forma similar mas oposta, na camada difusa há um déficit de íons negativos, chamados de "co-íons" devido possuírem a mesma carga do colóide. A sua concentração aumenta gradualmente afastando-se do colóide, assim como as forças repulsivas do colóide são compensadas pelos íons positivos, até que novamente é alcançado o equilíbrio. 
A camada difusa pode ser visualizada como uma atmosfera carregada que rodeia o colóide. A qualquer distância da superfície a densidade da carga é igual à diferença de concentração entre íons positivos e negativos naquele ponto. A densidade da carga é maior nas proximidades da superfície do colóide e diminui gradualmente até zero assim como as concentrações de íons positivos e negativos se equilibram. 

Os contra-íons fixados na camada de Stern e atmosfera carregada na camada difusa são o que podemos chamar de "dupla camada". A espessura desta camada depende do tipo e concentração de íons na solução. Esta dupla camada é formada para poder neutralizar a carga do colóide que, por sua vez, causa um potencial eletrocinético entre a superfície do colóide e qualquer ponto na massa líquida da suspensão. A diferença de potencial elétrico é da ordem de milivolts e é denominada como o potencial superficial (vide fig 06).

Fig 06

A magnitude do potencial superficial está relacionada com a carga superficial e a espessura da dupla camada. Assim como nos distanciamos da superfície, o potencial cai praticamente de forma linear na camada de Stern e depois exponencialmente através da camada difusa, aproximando-se de zero no limite imaginário da dupla camada. A curva de potencial é muito útil pois indica a intensidade da força elétrica entre as partículas, ou partícula e superfície, e a distância na qual entra em jogo esta força.
As partículas carregadas se movimentarão com uma velocidade fixa num campo elétrico. Este fenômeno é chamado de eletroforese. A mobilidade da partícula está relacionada com a constante dielétrica e a viscosidade do meio líquido e com o potencial elétrico da superfície limite entre a partícula em movimento e o líquido. Este limite é chamado de plano de cisalhamento e geralmente é definido como o ponto em que se encontram a camada de Stern e a camada difusa.
A camada de Stern é considerada como fixada rigidamente ao colóide, enquanto que a camada difusa não é. Como resultado, o potencial elétrico nesta junção está relacionado com a mobilidade da partícula e é chamado de "potencial Zeta (z)". 
Mesmo que o potencial Zeta seja um valor intermediário (indireto), ele geralmente é considerado mais significativo que o potencial superficial, no que se refere às forças de repulsão ou atração dos colóides. O potencial Zeta pode ser quantificado observando e medindo a velocidade das partículas coloidais através de um microscópio, assim como elas se movimentam num campo elétrico. Desta maneira o potencial Zeta pode ser medido de uma maneira simples, enquanto que o potencial superficial não pode ser medido. É uma maneira efetiva de controlar o comportamento do colóide, uma vez que ele indica mudanças do potencial superficial e das forças de atração/repulsão dos colóides.

O equilíbrio entre repulsão e atração

A teoria DLVO (Derjaguin, Landau, Vervey e Overbeek) é a explicação clássica para os colóides em suspensão. Está baseada no equilíbrio entre as forças opostas de repulsão eletrostática e de atração do tipo de Van Der Waals e explica o porquê da aglomeração de alguns colóides, e a não aglomeração de outros.
A repulsão eletrostática torna-se significativa assim que os dois colóides se aproximam um do outro e as suas duplas camadas começam a interferir. É requerida energia para vencer esta repulsão e forçar a união das partículas. Esta energia aumenta fortemente quando as partículas se aproximam. 
Para visualizar isto, são utilizadas curvas de repulsão eletrostática que indicam a energia que tem que ser vencida para que as partículas sejam forçadas a juntar-se. Ela tem um valor máximo quando elas estão quase juntas e diminui até zero fora da dupla camada. 

Interação entre as energias de repulsão e de atração

Seu valor máximo está relacionado com o potencial superficial e o potencial Zeta.
A curva da energia resultante da interação é formada pela subtração da curva de atração da curva de repulsão.

A atração de Van Der Waals é conseqüência das forças entre as moléculas individuais de cada colóide. O seu efeito é aditivo; isto é, uma molécula do primeiro colóide experimenta a atração de Van Der Waals de cada molécula do segundo colóide. Isto se repete para cada molécula do primeiro colóide e a força total resultante corresponde à somatória de todas elas. Para visualizar isto são utilizadas curvas de energia de atração para indicar a variação da força de Van Der Waals com a distância entre as partículas (superfícies dos sólidos).
Em muitos casos, e dependendo dos objetivos, é possível a alteração no ambiente para aumentar ou diminuir a barreira de energia. Vários métodos podem ser utilizados para fazer isto, tais como mudar as características da solução ou pH, ou adicionando materiais tensioativos para afetar diretamente a carga do colóide (superfície). Em cada caso, a medição do potencial Zeta pode indicar o impacto da alteração sobre a estabilidade geral.

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