中國石油大學(xué)-溶膠膠體的制備及性質(zhì)研究

1、中國石油大學(xué)油田化學(xué)實驗報告實驗日期： 成績： 班級： 學(xué)號： 姓名： 教師： 同組者： 膠體的制備和電泳實驗一、實驗?zāi)康?.學(xué)會溶膠制備的基本原理、并掌握溶膠制備的主要方法；2.利用界面電泳法測定溶膠的電動位；3.掌握溶膠的聚沉原理和方法；4.理解電解質(zhì)聚沉的符號和價數(shù)法則；5.掌握電解質(zhì)和高分子對膠體穩(wěn)定性的影響。二、實驗原理溶膠是溶解度極小的固體在液體中高度分散所形成的膠態(tài)體系，其顆粒直徑變動在范圍。1.溶膠制備要制備出穩(wěn)定的溶膠一般需滿足兩個條 件：固體分散相的質(zhì)點大小必須在膠體分度的范圍內(nèi)；固體分散質(zhì)點在液體介質(zhì)中要保持分散不聚結(jié)，為此，一般需要加穩(wěn)定劑。 制備溶膠原則上有兩種方法：

2、將大塊固體分割到膠體分散度的大小，此法稱為分散法；使小分子或粒子聚集成膠體大小，此法稱為凝聚法。(1)分散法分散法主要有 3 種方式，即機械研磨、超聲分散和膠溶分散。研磨法：常用的設(shè)備主要有膠體磨和球磨機等。膠體磨由兩片靠得很近的盤或磨刀，均由堅硬耐磨的合金或碳化硅制成。當(dāng)上下兩磨盤以高速反向轉(zhuǎn)動時（轉(zhuǎn)速約500010000rpm），粗粒子就被磨細(xì)。在機械磨中膠體研磨的效率較高，但一般只能將質(zhì)點 磨細(xì)到 1um 左右。超聲分散法：頻率高于16000Hz的聲波稱為超聲波，高頻率的超聲波傳入介質(zhì)， 在介質(zhì)中產(chǎn)生相同頻率的疏密交替，對分散相產(chǎn)生很大的撕碎力，從而達(dá)到分散效果。此法操作簡單，效率高，經(jīng)

3、常用作膠體分散及乳狀液制備 。膠溶法：膠溶法是把暫時聚集在一起的膠體粒子重新分散而成溶膠。例如，氫氧化鐵、氫氧化鋁等的沉淀實際上是膠體質(zhì)點的聚集體，由于制備時缺少穩(wěn)定劑，故膠體質(zhì)點聚在一起而沉淀。此時若加入少量的電解質(zhì)，膠體質(zhì)點因吸附離子而帶電，沉淀就會在適當(dāng)?shù)臄嚢柘轮匦路稚⒊赡z體。有時質(zhì)點聚集成沉淀是因為電解質(zhì)過多，設(shè)法洗去過量的電解質(zhì)也會使沉淀轉(zhuǎn)化成溶膠。利用這些方法使沉淀轉(zhuǎn)化成溶膠的過程成為膠溶作用。膠溶作用只能用于新鮮的沉淀。若沉淀放置過久，小粒經(jīng)過老化，出現(xiàn)粒子間的連接或變化成大的粒子，就不能利用膠溶作用來達(dá)到重新分散的目的。 (2) 凝聚法 主要有化學(xué)反應(yīng)法及更換介質(zhì)法，此法的基本

4、原則是形成分子分散的過飽和溶液，控制條件，使形成的不溶物顆粒大小在溶膠分散度內(nèi)。此法與分散度相比不僅在能量上有限，而且可以制成高分散度的膠體?；瘜W(xué)反應(yīng)法：凡能形成不溶物的復(fù)分解反應(yīng)、水化反應(yīng)以及氧化還原反應(yīng)等皆可用來制備溶膠。由于離子的濃度對膠體的穩(wěn)定性有直接的影響，在制備溶膠時要注意控制電解質(zhì)的濃度。改換介質(zhì)法：此法系利用同一物質(zhì)在不同溶劑中溶解度相差懸殊的特性，使溶解于良溶劑中的溶質(zhì)，在加入不良溶劑后，因其溶解度下降而以膠體粒子的大小析出，形成溶膠。此法作溶膠方法簡便，但得到的溶膠粒子不太細(xì)。2、溶膠的電泳 在電場的作用下，膠體粒子向正極或負(fù)極移動的現(xiàn)象叫電泳。電泳現(xiàn)象證實膠體粒子的帶電性

5、。膠體粒子帶電是因為在其周圍形成了擴(kuò)散雙電層。按對固體的關(guān)系，擴(kuò) 散雙電層離子可沿滑動面分為吸附層離子和擴(kuò)散層離子兩部分，使固體表面和分散介質(zhì)之間有電勢差，即電勢。電勢的大小可通過電泳實驗測得。 在外電場的作用下，根據(jù)膠體粒子的相對運動速度計算電勢的基本公式是：式中: 膠體粒子的電動電勢()； 介質(zhì)的動力粘度()； 溶膠界面移動的距離()； 兩電極之間的距離() 介電常數(shù)()； 兩級間的電位差()； 電泳進(jìn)行的時間()。水的粘度和介電常數(shù)可通過查表的到。利用電泳測定電動電勢有宏觀法和微觀法兩種。宏觀法是觀察在電泳管內(nèi)溶膠與輔助液間界面在電場作用下的移動速度。微觀法借助于超顯微鏡觀察單個膠體粒子

6、在電場作用下的移動速度。本實驗用宏觀法測定，所使用的電泳管如下圖 所示。 電極 輔助液 界面 溶膠 活塞3、無機電解質(zhì)的聚沉作用溶膠由于失去聚結(jié)穩(wěn)定性進(jìn)而失去動力穩(wěn)定性的整個過程叫聚沉。電解質(zhì)可以使溶膠發(fā)生聚沉。原因是電解質(zhì)能使溶膠的電勢下降，且電解質(zhì)的濃度越高電勢下降幅度越大。當(dāng)電勢下降至某一數(shù)值時，溶膠就會失去聚結(jié)穩(wěn)定性，進(jìn)而發(fā)生聚沉。不同電解質(zhì)對溶膠有不同的聚沉能力，常用聚沉值來表示。聚沉值是指一定時間內(nèi)，能使溶膠發(fā)生明顯聚沉的電解質(zhì)的最低濃度。聚沉值越大，電解質(zhì)對溶膠的聚沉能力越小。聚沉值的大小與電解質(zhì)中與溶膠所帶電荷符號相反的離子的價數(shù)有關(guān)。這種相反符號離子的價數(shù)有關(guān)。這種相反符號離

7、子的價數(shù)越高，電解質(zhì)的聚沉能力越大。叔采-哈迪分別研究了電解質(zhì)對不同溶膠的聚沉值，并歸納得出了聚沉離子的價數(shù)與聚沉值的關(guān)系： 這個規(guī)律稱為叔采-哈迪規(guī)則。4、溶膠相互聚沉現(xiàn)象兩種具有相反電荷的溶膠相互混合也能產(chǎn)生聚沉，這種現(xiàn)象稱為相互聚沉現(xiàn)象。通常認(rèn)為有兩種作用機理。（1）電荷相反的兩種膠粒電性中和。（2）一種溶膠是具有相反電荷溶膠的高價反離子。5、高分子的絮凝作用當(dāng)高分子的濃度很低時，高分子主要表現(xiàn)為對溶膠的絮凝作用。絮凝作用是由于高分子對溶膠膠粒的“橋聯(lián)理論”認(rèn)為:在高分子濃度很低時，高分子的鏈可以同時吸附在幾個膠體粒子上，通過“架橋”的方式將幾個膠粒連在一起，由于高分子鏈段的旋轉(zhuǎn)和振動，

8、將膠體粒子聚集在一起而產(chǎn)生沉降。三、儀器與藥品1儀器電泳儀，電導(dǎo)率儀，電爐，秒表，電泳管，電極 2 支，100ml燒杯 3 個， 250ml燒杯1，50ml量筒2個，100ml量筒1個，20ml具塞試管6支，100ml錐形瓶3個，50ml具塞量筒3支，10ml移液管1支，膠頭滴管，吸耳球，秒表等。 2藥品蒙脫土，蒸餾水，1000mg/lNaCl溶液，0.01mol/gAgNO3 溶液，0.01mol/L KI溶液，0.005mol/L KCl溶液，2mol/L KCl溶液，0.01mol/L K2 SO4 溶液，0.001mol/L K3 (COO) 3 C3 H4 溶液，1000mg/L部分

9、水解聚丙烯酰胺（相對分子量300萬）溶液，原油，F(xiàn)e（OH）3 溶膠，粘土溶膠。五、實驗操作步驟（一）溶膠的制備分散法：粘土溶液的制備：稱取0.5g蒙脫土與100ml的燒杯中，量筒量取50ml蒸餾水，倒入燒杯中，充分?jǐn)嚢?，制得粘土溶膠。稱取1g蒙脫土于250ml的燒杯中,量筒量取100ml 1000mg/l NaCl 溶液,倒入燒杯中,充分?jǐn)嚢?制得粘土溶膠。（二）AgI溶膠的電泳1.制備 溶膠用 量筒量取的 溶液，倒入 的燒杯中。然后，用另一 量筒量取 的 溶液，用膠頭滴管向量取的溶液中滴加量取的溶液，并不斷攪拌，滴加結(jié)束即制的負(fù)溶膠。2.電勢的測定（1）仔細(xì)洗凈電泳管，檢查活塞是否潤滑良好

10、，且不漏。用少量已配好的AgI溶膠將電泳管的漏斗至活塞的支管洗一遍。用滴管由漏斗加入少量溶膠，使活塞孔內(nèi)充滿溶膠，迅速關(guān)閉活塞。用輔助液洗滌U型管部分?；钊陨先粲腥苣z也應(yīng)洗去。（2）關(guān)閉電泳管活塞，將電泳管垂直固定在鐵架臺支架上。（3）用膠頭滴管由漏斗向電泳管中加入值得的溶膠至漏斗細(xì)支管頂部，然后倒入燒杯中剩于的溶膠。（4）用燒杯取一定量的輔助液，沿U型管倒入電泳管。因為使用長電極，所以將輔助液倒入U型管至刻度4。（5）將黑色擋板放在U型管后，慢慢打開活塞使溶膠慢慢上升。注意，不要全部打開，一定要慢，否則得不到清晰的溶膠界面。至溶膠上升至刻度線0時，關(guān)閉活塞。（6）將兩個電極輕輕插入電泳管的

11、U型管中。整個過程注意保持平穩(wěn)，不使電泳管受振動。（7）將電泳儀電泳儀電源開扳下（關(guān)），將輸出調(diào)節(jié)旋鈕反時針方向旋至輸出電壓最小位置，接好電源線，做好開機準(zhǔn)備。將兩電極引線接在電泳儀上，將電泳儀電源開關(guān)扳上（開），指示燈亮，預(yù)熱5分鐘后，調(diào)節(jié)輸出旋鈕到電壓指示為150V。按電泳儀的開始按鈕，同時計時，指示燈顯示為R。注意:由于電泳儀輸出電壓較高，在通電過程中不要接觸電極，否則有觸電危險。（8）觀察溶膠上升界面清晰后，用秒表測量界面上升0.5、1.0、1.5cm所需時間。測量完畢，按電泳儀的停止按鈕，指示燈滅。拆下電極引線，卸下電泳管，將管內(nèi)的液體倒入指定的廢液杯中。（9）用鋼尺仔細(xì)量出U型管的

12、距離，減去U型管的兩個半徑，即為兩電極之間的距離。（10）實驗結(jié)束，洗凈使用過的所有玻璃儀器，將藥品和儀器放回原處。（三）溶膠聚沉1.電解質(zhì)對溶膠的聚沉（1）依次用移液管移取Fe（OH）3溶膠10毫升，分別加到3個清潔干燥的100ml的錐形瓶內(nèi)。注意，移液管將液體移入錐形瓶中時，使其出口尖端接觸器壁，錐形瓶傾斜45度，而使移液管直立，然后放松食指，使溶液自由地順壁留下，待溶液流出后，移液管在壁上旋轉(zhuǎn)15-30s,此時移液管尖端仍殘留有一滴液體，殘留液體不可吹出。（2）用膠頭滴管向第一個錐形瓶中滴加0.01mol/L硫酸鉀溶液，每加入一滴要充分振蕩，至少一分鐘內(nèi)溶膠不會出現(xiàn)渾濁才可以加入第二滴電

13、解質(zhì)溶液，當(dāng)溶液和氫氧化鐵溶膠相比顏色變淺，記下剛剛產(chǎn)生渾濁時電解質(zhì)的滴數(shù)，按每毫升20滴計算聚沉值。（3）按照上述操作方法，分別向另外兩個盛有氫氧化鐵溶膠的錐形瓶中加入檸檬酸鉀溶液和氯化鉀溶液，記錄剛剛產(chǎn)生渾濁時電解質(zhì)的滴數(shù)。2.粘土溶膠和氫氧化鐵溶膠的相互聚沉（1）取6只20ml具塞試管，在第一支試管中滴加2滴（即0.1ml）氫氧化鐵溶膠，然后搖晃電性中和粘土溶膠使之均勻，用膠頭滴管向具塞試管中加入搖晃均勻的粘土溶膠，使兩種溶膠的總體積為6ml。最后，將配好溶液的具塞試管放在試管架上。（2）分別向其余5只具塞試管中滴加氫氧化鐵溶膠0.5、1.0、3.0、5.0、5.5ml；和電性中和粘土溶

14、膠5.5、5.0、3.0、1.0、0.5ml。注意，在向這五個具塞試管中滴加溶膠時，應(yīng)先加入量多的溶膠，然后在加入量少的溶膠，最后，使具塞試管中的溶膠體積為6.0ml。（3）將配好溶膠的6只具塞試管放在試管架上。然后，兩手拿起試管，同時上下?lián)u晃10次后，放在試管架上靜置。啟動秒表，10min觀察溶膠體系的聚沉量、分層快慢及體積變化規(guī)律。注意：在做該實驗時應(yīng)注意氫氧化鐵溶膠和粘土溶膠的添加順序。（四）高分子的絮凝作用（1）分別取蒸餾水和NaCl溶液配置的粘土溶膠50ml于50ml具塞量筒中，均加入濃度為1000mg/L的部分水解聚丙稀銑胺溶液15滴，蓋上瓶蓋后，同時將兩只具塞量筒來回?fù)u晃10次，

15、搖晃結(jié)束后，觀察兩個具塞量筒中粘土溶膠的絮凝現(xiàn)象。（2）取NaCl溶液配置的粘土溶膠500ml于50ml的具塞量筒中，向具塞量筒中加入1ml原油，蓋上瓶后，上下?lián)u晃10次后，靜置10分鐘，觀察沉降或上浮情況。六、實驗數(shù)據(jù)處理1、兩種粘土溶膠穩(wěn)定性對比研究粘土溶膠（一）粘土溶膠（二）穩(wěn)定性穩(wěn)定存在，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象出現(xiàn)沉淀，體積6ml，上層為清液2電動勢測定電壓：200V； 室溫：20.0； L：7.80cm； =1.002×10（-3）Pa·s ；=7.096×10（-10）F/Md0(cm)d(cm)t(min)(V)-0.20.33260.01340.01330

16、.86540.01331.310200.0133 3無機電解質(zhì)的聚沉作用電解質(zhì)加入滴數(shù)1553電解質(zhì)溶液體積(mL)0.750.250.15聚沉值（mmol/L)139.50.24390.01478根據(jù)公式得;4.Fe(OH)3與粘土溶膠的聚沉試管編號123456Fe(OH)3 溶膠 (mL)0.10.51.02.04.05.5粘土溶膠(mL)5.95.55.03.01.00.5聚沉現(xiàn)象無明顯分層或沉淀略有分層出現(xiàn)在上部有明顯分層，上清液約0.8ml有明顯的分層，且速度較快，上層清液約1.2mL。 有很明顯的分層，上層清液1.5mL，底部有紅色沉淀有很明顯的分層，速度很快，底部有紅色沉淀，約0

17、.5ml5.HPAM對粘土溶膠的絮凝作用粘土溶膠粘土溶膠（一）粘土溶膠（二）HPAM加量15滴15滴絮凝現(xiàn)象未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，溶膠穩(wěn)定存在出現(xiàn)明顯分層，上部為清液，下層約3ml沉淀粘土溶膠（二）加入1mL原油加入HPAM實驗現(xiàn)象最上層為薄層原油，清液中穩(wěn)定存在小油滴，下部顏色略深，約8ml沉淀物最上層為薄層原油黏土混合物，中部為澄清液，含少量灰黑色懸浮物，最下層為4ml灰黑色沉淀物，其中含有黏土與油滴七.思考題1試比較不同溶膠的制備方法有什么共同點和不同點？答：共同點：都是使溶解度小的固體的顆粒直徑在范圍內(nèi)，并使固體分散相的質(zhì)點在膠體分度的范圍內(nèi)，使其在液體介質(zhì)中要保持分散不聚結(jié)而形成溶膠。 不

18、同點：分散法是將大塊固體分割到膠體分散度的大小，可以通過機械研磨、超聲分散和膠容分散的方法制成；凝聚法是使小分子或粒子聚集成膠體大小，使之形成分子分散的過飽和溶液，控制條件，使之形成的不溶物顆粒大小在溶膠分散度內(nèi)，此法與分散度相比不僅在能量上有限，而且可以制成高分散度的膠體。2為什么要求輔助液與溶膠的電導(dǎo)率相同？這對計算電動電勢有什么作用。答：由于在測量時，電勢對輔助液成分敏感，只有當(dāng)輔助液的電導(dǎo)率與待測溶膠的電導(dǎo)率相等時才能保證輔助液的移動速度與溶膠相等，若兩者的移動速度不同，會導(dǎo)致界面處由于場強突變而造成兩管中界面移動速度不等而產(chǎn)生的界面模糊的現(xiàn)象，會影響觀測溶膠上升位置的效果。這種方法可以簡化電動勢的計算，平時試驗中，可以忽略因輔助液與溶膠的電導(dǎo)率所帶來的實驗誤差；若溶膠和輔助液的電導(dǎo)率相差較大時，則電動勢的計算公式不同，則須對公式進(jìn)行修正。3注意觀察，電泳時溶膠上升界面與下降界面的顏色、清晰程度及移動速度有什么不同。分析產(chǎn)生這些差別的可能原因。答：溶膠上升界面的顏色較深，上升速度較快，溶膠與輔助液之間的界面比較清晰；下降界面顏色較淺，下降速度較慢，溶膠與輔助液之間的界面不是很清晰。通電時，由于膠粒帶負(fù)電向陽極移動，所以上升界面膠粒濃度增大顏色變深，下降界面濃度降低顏色較淺，由于濃度變淺后界面依然可見，使視覺上看起來，單位時間內(nèi)下降界面移動慢些。4.Fe(OH) 3溶膠滲