ColloidStability实用学习教程.pptx
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1、主要内容基本概念DLVO理论电解质的聚沉作用高聚物的空间稳定及絮凝作用影响絮凝沉降的主要因素第1页/共101页一、基本概念第2页/共101页基本概念聚集过程:胶体粒子比表面积大,表面自由能高,粒子有自动聚集成大颗粒的趋势。将胶体粒子由小到大的过程称为聚集过程(aggreagation)。聚集体:胶体粒子由小颗粒聚集而成的大颗粒称为聚集体(aggreagate)。聚沉过程:若胶体粒子发生聚集而造成粒子从体系中析出,该过程称为聚沉过程(Coagulation)。第3页/共101页第4页/共101页凝聚过程:通过加入电解质而使聚集体堆积紧密、过程相对较慢,使粒子从体系中析出的过程称为凝聚过程。絮凝过
2、程:通过加入高聚物而使聚集体堆积疏松、过程相对较快,使粒子从体系中析出的过程称为絮凝过程(Flocculation)。絮凝过程产生的析出物体积大,因此称之为絮体(Floc)。凝聚过程与絮凝过程在水处理实践中常同时发生,因此两者合并统称为混凝过程。第5页/共101页胶体稳定性的含义1、热力学稳定性:胶体体系是一个多相分散体系,颗粒小、表面能高,属于热力学不稳定体系。2、动力学稳定性:胶体粒子存在着布朗运动性质,能够阻止粒子之间的沉降,具有一定的动力学稳定性。3、聚结稳定性:研究胶体粒子的颗粒大小随时间的变化。当粒子颗粒变大时,稳定性减弱。第6页/共101页加速颗粒沉降的措施加电解质高分子聚合物加
3、热电场光第7页/共101页确保胶体体系稳定的措施加大量高分子化合物采用分散措施(超声波、研磨)避免光照避免电场和加热第8页/共101页胶体稳定性测定1、测定体系吸光度的变化2、测定体系浊度的变化3、测定体系颗粒大小的变化4、测定体系颗粒数量的变化 参考书:界面电现象邓同等译,北京大学出版社:1993年第9页/共101页胶体稳定性实例 墨水 油墨 化妆品 涂料 油漆 乳化沥青 乳化柴油等 第10页/共101页需要使体系不稳定的实例水处理 破乳沉淀分离 水处理站及处理效果第11页/共101页问题1、胶体体系在何种条件下稳定,又在何种条件下不稳定?2、那些因素影响胶体体系的稳定?通过那种机理影响?3
4、、影响胶体体系的稳定的因素有没有规律?第12页/共101页二、DLVO理论第13页/共101页简介DLVO理论是研究带电胶体稳定性的理论,它是由前苏联科学家德查金(Darjaguin)、郎道(Landan)及荷兰科学家维韦(Verwey)、奥弗比克(Overbeek)分别于1941年和1948年分别独立提出来的,主要研究胶体体系的稳定性。第14页/共101页DLVO理论的要点1、胶体体系存在着斥力位能,也存在着引力位能。前者是带电胶粒相互靠近时扩散双电层相互重叠而产生的静电斥力造成的,而后者则是由于范德华力的存在造成的。第15页/共101页DLVO理论的要点2、胶体粒子之间存在的斥力位能和引力
5、位能的相对大小决定着体系的总位能,同时也决定着体系的稳定性。当斥力位能大于引力位能时,则体系有足够能量阻止胶体粒子因布朗运动造成粒子之间相互碰撞而产生的并聚;若引力位能大于斥力位能,则胶体粒子相互并聚而发生聚沉。第16页/共101页DLVO理论的要点3、胶体体系的总位能、引力位能和斥力位能都随着粒子之间距离的变化而变化。由于引力位能和斥力位能与距离的关系呈现不同的形式,因此在一定的距离范围内引力位能占据主要地位,而在一定的距离范围内斥力位能占据主要地位。第17页/共101页DLVO理论的要点4、电解质的加入对体系斥力位能的影响大,而对引力位能的影响小。因此电解质的加入对胶体体系的稳定性影响较大
6、。第18页/共101页胶体体系位能产生的原因1、引力位能的产生引力位能是由组成胶体粒子的分子间的范德华力引起的。2、斥力位能的产生斥力位能是由于胶体粒子扩散双电层的静电斥力和离子在双电层内积聚产生的渗透压而产生的。第19页/共101页胶体体系的引力位能任何一种胶体体系,存在的范德华力是体系中分子之间的色散力、极性力和诱导偶极力三者之和。他们都与距离密切相关,与距离的六次方成反比。因此也称之为六次律。第20页/共101页色散力(Londan Force)1、2 分子极化率1、2 分子特征振动频率 x分子之间的距离,以下同。第21页/共101页极性力(Keeson Force)1、2 分子偶极距;
7、h、k、T分别为普朗克常数、波尔兹曼常数和绝对温度。第22页/共101页诱导偶极力第23页/共101页六次律从上式可见,分子间的范德华力与距离的六次方成反比,即随着距离的增大,引力迅速减小,乃至消失。第24页/共101页球型粒子之间的引力位能第25页/共101页分子对胶体粒子的引力作用第26页/共101页令称A为Harmark常数第27页/共101页当H0R时,则S2R,因此有:上式中,VA颗粒之间的引力位能;R颗粒的半径;H0 球表面之间的距离。第28页/共101页对于有溶剂存在的体系第29页/共101页对上式的理解通过上式,在知道分散相及分散介质的A后,可计算出体系的A值;且A增大,体系的
8、引力位能增大。上式总为正值,说明体系的引力位能无论是在真空还是在介质存在下,都是存在的。当介质的A值与分散相的A值接近时,体系的A值降低,表明体系稳定性增强。第30页/共101页平面粒子之间的引力位能通过推导,得出平面粒子之间的引力位能表达式为:D为二平面间距离。从上式可以看出,二者之间的引力位能与距离的平方成反比。第31页/共101页胶体粒子之间的斥力位能若胶体粒子为平面型,则粒子间作用力用下图表示:第32页/共101页第33页/共101页第34页/共101页第35页/共101页对于两个极板,由于斥力作用使两个板分开,而要用外力方可使两个板面靠近。若外界压力为Fx,则有:双电层静电斥力Fe为
9、:第36页/共101页两个力达到平衡时,有:第37页/共101页斥力位能公式式中:n0离子数量;扩散双电层厚度之倒数;d平面间距;与表面电位、离子荷电数有关的常数。第38页/共101页 将上式进行形式变换,有:VR=k1 n01/2exp(-2 n01/2)从上式可以看出,VR随着n0的增加呈现指数下降,说明电解质浓度增加,斥力位能降低,同时也说明斥力位能对电解质敏感。第39页/共101页球型粒子的斥力位能经过推导,得球型粒子的斥力位能公式从上式可知:VR随着0、R的增加而增大。第40页/共101页胶体体系总位能体系总位能为V=VA+VR第41页/共101页球型粒子的位能曲线第42页/共101
10、页决定位能曲线有三个因素1、体系的A值;2、表面电位0;3、电解质。第43页/共101页三、电解质的聚沉作用第44页/共101页聚沉值聚沉值在一定条件下,能使胶体发生聚沉所需要的电解质的最低浓度。聚沉值是一个相对值,不同组成、不同浓度的胶体体系,该值不同。聚沉值在胶体体系确定后,为一确定值。第45页/共101页胶体体系的聚沉值As2S3(-)AgI(-)Al2O3(+)LiCl53LiNO3165KCl43.5CaCl20.65Ca(NO3)22.4K 2SO40.3AlCl30.093Al(NO3)30.067K 3Fe(CN)60.08第46页/共101页规 律 上述规律称为叔迪哈得(Sc
11、hulzeHardy)规则。第47页/共101页影响聚沉能力反离子的大小一价正离子:H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+一价负离子:IO-H2PO4-BrO3-Cl-Br-I-SCN-该离子序称为胶感离子序。水合离子半径小者,容易靠近胶体粒子,影响大。第48页/共101页同号离子影响相对较小。不规则聚沉:在一种胶体中加入一种电解质可以使胶体聚沉,但随着加量增加,胶体稳定性逐渐增强。相互聚沉:不同电荷的胶体混合后同时发生稳定性破坏。第49页/共101页叔迪哈得规则的理论解释通过相关计算,得聚沉值计算公式:第50页/共101页将上式变更,得从理论上证明了规则的正确性.第51页/共101页四、高
12、聚物的空间稳定及絮凝作用第52页/共101页高聚物与胶体的影响第53页/共101页第54页/共101页发生该作用主要是聚合物在胶体粒子表面的吸附。第55页/共101页由于胶体粒子表面吸附了大量的聚合物分子,形成了大分子吸附层,阻止了质点的聚结,对胶体体系起稳定作用的现象叫空间稳定作用。空间稳定作用第56页/共101页高聚物对胶体稳定性的影响1、带电聚合物被吸附,会增加胶体粒子之间的静电斥力位能,这点可用DLVO理论处理。2、高聚物的存在通常会降低胶体粒子之间的A,降低了体系的引力位能。3、由于吸附了聚合物,因此体系增加了空间稳定能。第57页/共101页考虑空间稳定作用时体系总能量为:U=UA+
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