胶体的基本知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,10/8/2024,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,CuSO,4,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，,AgI,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.憎液溶胶,半径在,1,nm,90 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,-9,9,-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,B,rown,运动,Brown运动(Brownian motion),1827 年植物学家,布朗（B,rown),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，Brown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，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：,AgNO,3,+,KI,KNO,3,+,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,x,K,+,|_|,|_|,胶核,胶粒,胶团,胶团的图示式：,溶胶的胶团结构,例2：,AgNO,3,+,KI,KNO,3,+,AgI,过量的,AgNO,3,作稳定剂,胶团的结构表达式：,(,AgI),m,n,Ag,+,(,n-x,)NO,3,x+,x,NO,3,|_|,|_|,胶核,胶粒,胶团,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,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,（,D,erjaguin,）和,朗道,（,L,andau,）以及1948年由,维韦,（,V,erwey,）和,奥弗比克,（,O,verbeek,）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。,（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。,