胶体的基本知识.ppt

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1、混凝技术和混凝剂,张正红,1 胶体的基本知识2 水的混凝机理3 混凝剂和助凝剂4 影响水混凝的主要因素5 混凝工艺及设备6 混凝技术的发展,基本内容,第一章 胶体的基本知识,1 胶体及其基本特性,胶粒的结构,分散相与分散介质,分散系统分类（1）按分散相粒子的大小分类（2）按分散相和介质的聚集状态分类（3）按胶体溶液的稳定性分类,憎液溶胶的特性,胶粒的形状,分散相与分散介质,把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散系统。其中，被分散的物质称为分散相（dispersed phase），另一种物质称为分散介质（dispersing medium)。,例如：云，牛奶，珍珠,分散系统分类,分散系统通

2、常有三种分类方法：,分子分散系统胶体分散系统粗分散系统,按分散相粒子的大小分类：,按分散相和介质的聚集状态分类：,液溶胶固溶胶气溶胶,按胶体溶液的稳定性分类：,憎液溶胶亲液溶胶,（1）按分散相粒子的大小分类,1.分子分散系统,分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在9-9 m以下。通常把这种系统称为真溶液，如CuSO4溶液。,2.胶体分散系统,分散相粒子的半径在1 nm90 nm之间的系统。目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统。也有的将1 nm 900 nm之间的粒子归入胶体范畴。,3.粗分散系统,当分散相粒子大于900 nm,目测是混浊不均匀系统，放置

3、后会沉淀或分层，如黄河水。,（1）按分散相粒子的大小分类,胶体分散系统又分为三类：,1）溶胶：这是一类高度分散的多相系统，分散相不能溶于分散介质中，故有很大的相界面，很高的界面能，因此是热力学不稳定系统。,2）高分子溶液：由于高分子是以分子形式溶于介质中的，分散相和分散介质没有相界面，因此它是均相的热力学稳定系统。,3）缔合胶体（胶体电解质）：分散相是由表面活性剂缔合形成的胶束。分散相与分散介质之间有很好的亲和性，因此也是一类均相的热力学稳定系统。,（2）按分散相和介质聚集状态分类,1.液溶胶,将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的液溶胶：,.液-固溶胶 如油漆，A

4、gI溶胶,.液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液,.液-气溶胶 如泡沫,（2）按分散相和介质聚集状态分类,2.固溶胶,将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的固溶胶：,.固-固溶胶 如有色玻璃，不完全互溶的合金,.固-液溶胶 如珍珠，某些宝石,.固-气溶胶 如泡沫塑料，沸石分子筛,（2）按分散相和介质聚集状态分类,3.气溶胶,将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一系统，不属于胶体范围.,.气-固溶胶 如烟，含尘的空气,.气-液溶胶 如雾，云,（3）按胶体溶液的稳定性分类,1.憎液

5、溶胶,半径在1 nm90 nm之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定系统。,一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是 一个不可逆系统，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。,这是胶体分散系统中主要研究的内容。,（3）按胶体溶液的稳定性分类,2.亲液溶胶,半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中，一旦将溶剂蒸发，大分子化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶，亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的系统。,憎液溶胶的特性,（1）特有的分散程度,粒子的大小在9-99-7 m之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。,（2）多相

6、不均匀性,具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。,（3）热力学不稳定性,因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定系统，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。,2 胶体的光学性质,光散射现象 Tyndall效应,光散射现象,当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400700 nm之间。,（1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。,（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波

7、长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。,（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。,光散射的本质,光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小天线一样向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。,分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。,溶胶是多相不均匀系统，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。,Tyndall效应,Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。,1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面（即与光束垂直

8、的方向）可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。其他分散系统也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著,。Tyndall 效应的实质是光的散射。,Tyndall效应,3 胶体的动力性质,Brown 运动,Brown运动(Brownian motion),1827 年植物学家布朗（Brown)用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地做不规则的运动。,后来又发现许多其它物质如煤、化石、金属等的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动为布朗运动。,但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。,Brown运动(Brownian motion),1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提

9、供了物质条件。,用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动，从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。,通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。,Brown运动的本质,1905年和1906年爱因斯坦（Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基（Smoluchowski)分别阐述了Brown运动的本质。,认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。,当半径大于5 m，Br

10、own运动消失。,Brown运动的本质,溶胶的胶团结构,形成憎液溶胶的必要条件是：,（1）分散相的溶解度要小；,（2）还必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚结而 聚沉。,溶胶的胶团结构,胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；,然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；,胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。,溶胶的胶团结构,胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。,若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，

11、所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。,溶胶的胶团结构,例1：AgNO3+KIKNO3+AgI 过量的 KI 作稳定剂 胶团的结构表达式：,(AgI)m n I(n-x)K+x xK+|_|_|,胶团的图示式：,溶胶的胶团结构,例2：AgNO3+KIKNO3+AgI 过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式：,(AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3|_|_|,胶团的图示式：,胶体的稳定性胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定性”两种。动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。聚集

12、稳定性包括：胶体带电相斥（憎水性胶体）；水化膜的阻碍（亲水性胶体）在动力学稳定性和聚集稳定性两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。,胶体的双电层结构 难溶分子聚集而成的胶体微粒称为胶核，胶核表面吸附了某种离子而带有电荷，可吸附水中的异号离子，与之平衡。在靠近胶核表面的一层内，因吸力较大正电离子紧密地吸附在胶核表面上，故称为吸附层。厚度较薄较固定，不随外界的条件（水温）变化而变化。在吸附层之外，还有一层正电离子，在此范围内静电吸力因屏蔽作用而减弱，且受水分子热运动的干扰，故层内的正电离子与胶核的结合力较为松弛，离子扩散游动在吸附层之外，称为扩散层。,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界

13、,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,胶体的结构,胶体的经典稳定理论-DLVO理论,1941年由杰里亚金（Derjaguin）和朗道（Landau）以及1948年由维韦（Verwey）和奥弗比克（Overbeek）分别提出了带电胶体粒子稳定的理论，简称DLVO理论。,胶体的经典稳定理论-DLVO理论,（1）胶团之间既存在着静电排斥力，也存在着范德华引力。,胶体的经典稳定理论-DLVO理论,（2）溶胶的相对稳定或聚沉取决于静电排斥力或范德华吸引力的相对大小。斥力引力 稳定 斥力引力 聚沉,胶体间作用力小于零，则胶体脱稳，发生凝聚。调整溶液中的电解质浓度可以起到压缩双电层降低静电排斥力的作用。

14、,（3）斥力势能、引力势能以及总势能都随着粒子间距离的变化而变化，但是，由于斥力势能及引力势能与距离关系的不同，因此必然会出现在某一距离范围内引力势能占优势；而在另一范围内斥力势能占优势的现象。,胶体的经典稳定理论-DLVO理论,胶体的经典稳定理论-DLVO理论,正的合能，即能垒，会造成颗粒之间相互排斥，而负的合能则造成颗粒间相互吸引，导致体系的不稳定。在水处理中，就是要通过使用不同措施，克服能垒，使胶体脱稳，从而达到将这些悬浮颗粒去除的目的。,胶体的经典稳定理论-DLVO理论,胶体稳定的原因,胶体稳定的三个重要原因:1 分散相粒子的带电;2 溶剂化作用;3 布朗运动.,溶剂化作用也是胶体稳定的重要原因,若水为分散介质,构成胶团双电层结构的全部粒子都应当是水化的,在分散相粒子的周围,形成具有一定弹性的水化外壳。,分散相粒子的布朗运动足够强时,能够克服重力场的影响而不下沉,称为动力稳定。,