膠體的基本知識

膠體的基本知識1膠體的基本知識2水的混凝機理3混凝劑和助凝劑4影響水混凝的主要因素5混凝工藝及設(shè)備6混凝技術(shù)的發(fā)展基本內(nèi)容第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第一章膠體的基本知識第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天1膠體及其基本特性膠粒的結(jié)構(gòu)

分散相與分散介質(zhì)分散系統(tǒng)分類（1）按分散相粒子的大小分類（2）按分散相和介質(zhì)的聚集狀態(tài)分類（3）按膠體溶液的穩(wěn)定性分類憎液溶膠的特性膠粒的形狀第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天分散相與分散介質(zhì)把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成分散系統(tǒng)。其中，被分散的物質(zhì)稱為分散相（dispersedphase），另一種物質(zhì)稱為分散介質(zhì)（dispersingmedium)。例如：云，牛奶，珍珠第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天分散系統(tǒng)分類分散系統(tǒng)通常有三種分類方法：分子分散系統(tǒng)膠體分散系統(tǒng)粗分散系統(tǒng)按分散相粒子的大小分類：按分散相和介質(zhì)的聚集狀態(tài)分類：液溶膠固溶膠氣溶膠按膠體溶液的穩(wěn)定性分類：憎液溶膠親液溶膠第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（1）按分散相粒子的大小分類1.分子分散系統(tǒng)分散相與分散介質(zhì)以分子或離子形式彼此混溶，沒有界面，是均勻的單相，分子半徑大小在9-9m以下。通常把這種系統(tǒng)稱為真溶液，如CuSO4溶液。2.膠體分散系統(tǒng)分散相粒子的半徑在1nm~90nm之間的系統(tǒng)。目測是均勻的，但實際是多相不均勻系統(tǒng)。也有的將1nm~

900nm之間的粒子歸入膠體范疇。3.粗分散系統(tǒng)當(dāng)分散相粒子大于900nm,目測是混濁不均勻系統(tǒng)，放置后會沉淀或分層，如黃河水。第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（1）按分散相粒子的大小分類膠體分散系統(tǒng)又分為三類：1）溶膠：這是一類高度分散的多相系統(tǒng)，分散相不能溶于分散介質(zhì)中，故有很大的相界面，很高的界面能，因此是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)。2）高分子溶液：由于高分子是以分子形式溶于介質(zhì)中的，分散相和分散介質(zhì)沒有相界面，因此它是均相的熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)。3）締合膠體（膠體電解質(zhì)）：分散相是由表面活性劑締合形成的膠束。分散相與分散介質(zhì)之間有很好的親和性，因此也是一類均相的熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)。第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（2）按分散相和介質(zhì)聚集狀態(tài)分類1.液溶膠將液體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散相為不同狀態(tài)時，則形成不同的液溶膠：.液-固溶膠如油漆，AgI溶膠.液-液溶膠如牛奶，石油原油等乳狀液.液-氣溶膠如泡沫第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（2）按分散相和介質(zhì)聚集狀態(tài)分類2.固溶膠將固體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散相為不同狀態(tài)時，則形成不同的固溶膠：.固-固溶膠如有色玻璃，不完全互溶的合金.固-液溶膠如珍珠，某些寶石.固-氣溶膠如泡沫塑料，沸石分子篩第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（2）按分散相和介質(zhì)聚集狀態(tài)分類3.氣溶膠將氣體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散相為固體或液體時，形成氣-固或氣-液溶膠，但沒有氣-氣溶膠，因為不同的氣體混合后是單相均一系統(tǒng)，不屬于膠體范圍..氣-固溶膠如煙，含塵的空氣.氣-液溶膠如霧，云第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（3）按膠體溶液的穩(wěn)定性分類1.憎液溶膠半徑在1nm~90nm之間的難溶物固體粒子分散在液體介質(zhì)中，有很大的相界面，易聚沉，是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定系統(tǒng)。一旦將介質(zhì)蒸發(fā)掉，再加入介質(zhì)就無法再形成溶膠，是一個不可逆系統(tǒng)，如氫氧化鐵溶膠、碘化銀溶膠等。這是膠體分散系統(tǒng)中主要研究的內(nèi)容。第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（3）按膠體溶液的穩(wěn)定性分類2.親液溶膠半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的大分子溶解在合適的溶劑中，一旦將溶劑蒸發(fā)，大分子化合物凝聚，再加入溶劑，又可形成溶膠，親液溶膠是熱力

學(xué)上穩(wěn)定、可逆的系統(tǒng)。第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天憎液溶膠的特性（1）特有的分散程度

粒子的大小在9-9~9-7m之間，因而擴(kuò)散較慢，不能透過半透膜，滲透壓低但有較強的動力穩(wěn)定性和乳光現(xiàn)象。（2）多相不均勻性

具有納米級的粒子是由許多離子或分子聚結(jié)而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的保持了該難溶鹽的原有晶體結(jié)構(gòu)，而且粒子大小不一，與介質(zhì)之間有明顯的相界面，比表面很大。（3）熱力學(xué)不穩(wěn)定性

因為粒子小，比表面大，表面自由能高，是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，有自發(fā)降低表面自由能的趨勢，即小粒子會自動聚結(jié)成大粒子。第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2膠體的光學(xué)性質(zhì)光散射現(xiàn)象Tyndall效應(yīng)第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天光散射現(xiàn)象當(dāng)光束通過分散系統(tǒng)時，一部分自由地通過，一部分被吸收、反射或散射。可見光的波長約在400~700nm之間。（1）當(dāng)光束通過粗分散系統(tǒng)，由于粒子大于入射光的波長，主要發(fā)生反射，使系統(tǒng)呈現(xiàn)混濁。（2）當(dāng)光束通過膠體溶液，由于膠粒直徑小于可見光波長，主要發(fā)生散射，可以看見乳白色的光柱。（3）當(dāng)光束通過分子溶液，由于溶液十分均勻，散射光因相互干涉而完全抵消，看不見散射光。第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天光散射的本質(zhì)光是一種電磁波，照射溶膠時，分子中的電子分布發(fā)生位移而產(chǎn)生偶極子，這種偶極子像小天線一樣向各個方向發(fā)射與入射光頻率相同的光，這就是散射光。

分子溶液十分均勻，這種散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。

溶膠是多相不均勻系統(tǒng)，在膠粒和介質(zhì)分子上產(chǎn)生的散射光不能完全抵消，因而能觀察到散射現(xiàn)象。第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天Tyndall效應(yīng)Tyndall效應(yīng)實際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡便的方法。1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會聚光通過溶膠，從側(cè)面（即與光束垂直的方向）可以看到一個發(fā)光的圓錐體，這就是Tyndall效應(yīng)。其他分散系統(tǒng)也會產(chǎn)生一點散射光，但遠(yuǎn)不如溶膠顯著,。Tyndall效應(yīng)的實質(zhì)是光的散射。第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天Tyndall效應(yīng)第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3

膠體的動力性質(zhì)Brown運動第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天Brown運動(Brownianmotion)1827年植物學(xué)家布朗（Brown)用顯微鏡觀察到懸浮在液面上的花粉粉末不斷地做不規(guī)則的運動。后來又發(fā)現(xiàn)許多其它物質(zhì)如煤、化石、金屬等的粉末也都有類似的現(xiàn)象。人們稱微粒的這種運動為布朗運動。但在很長的一段時間里，這種現(xiàn)象的本質(zhì)沒有得到闡明。第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天Brown運動(Brownianmotion)

1903年發(fā)明了超顯微鏡，為研究布朗運動提供了物質(zhì)條件。用超顯微鏡可以觀察到溶膠粒子不斷地作不規(guī)則“之”字形的運動，從而能夠測出在一定時間內(nèi)粒子的平均位移。通過大量觀察，得出結(jié)論：粒子越小，布朗運動越激烈。其運動激烈的程度不隨時間而改變，但隨溫度的升高而增加。第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天Brown運動的本質(zhì)

1905年和1906年愛因斯坦（Einstein)和斯莫魯霍夫斯基（Smoluchowski)分別闡述了Brown運動的本質(zhì)。認(rèn)為Brown運動是分散介質(zhì)分子以不同大小和不同方向的力對膠體粒子不斷撞擊而產(chǎn)生的，由于受到的力不平衡，所以連續(xù)以不同方向、不同速度作不規(guī)則運動。隨著粒子增大，撞擊的次數(shù)增多，而作用力抵消的可能性亦大。當(dāng)半徑大于5m，Brown運動消失。第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天Brown運動的本質(zhì)第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)形成憎液溶膠的必要條件是：（1）分散相的溶解度要小；

（2）還必須有穩(wěn)定劑存在，否則膠粒易聚結(jié)而聚沉。第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)膠粒的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，先有一定量的難溶物分子聚結(jié)形成膠粒的中心，稱為膠核；然后膠核選擇性的吸附穩(wěn)定劑中的一種離子，形成緊密吸附層；由于正、負(fù)電荷相吸，在緊密層外形成反號離子的包圍圈，從而形成了帶與緊密層相同電荷的膠粒；膠粒與擴(kuò)散層中的反號離子，形成一個電中性的膠團(tuán)。第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)膠核吸附離子是有選擇性的，首先吸附與膠核中相同的某種離子，用同離子效應(yīng)使膠核不易溶解。若無相同離子，則首先吸附水化能力較弱的負(fù)離子，所以自然界中的膠粒大多帶負(fù)電，如泥漿水、豆?jié){等都是負(fù)溶膠。第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)例1：AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓過量的KI作穩(wěn)定劑膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：[(AgI)mnI–(n-x)K+]x–xK+

|________________________||________________________________|膠核膠粒膠團(tuán)膠團(tuán)的圖示式：第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)例2：AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓過量的AgNO3作穩(wěn)定劑膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：[(AgI)mnAg+(n-x)NO3–]x+x

NO3–

|______________________________||_______________________________________|膠核膠粒膠團(tuán)膠團(tuán)的圖示式：第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

膠體的穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性：是指膠體粒子在水中長期保持分散懸浮狀態(tài)的特性。膠體穩(wěn)定性分“動力學(xué)穩(wěn)定性”和“聚集穩(wěn)定性”兩種。動力學(xué)穩(wěn)定性：無規(guī)則的布朗運動強，對抗重力影響的能力強。聚集穩(wěn)定性包括：①膠體帶電相斥（憎水性膠體）；②水化膜的阻礙（親水性膠體）在動力學(xué)穩(wěn)定性和聚集穩(wěn)定性兩者之中，聚集穩(wěn)定性對膠體穩(wěn)定性的影響起關(guān)鍵作用。第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天膠體的雙電層結(jié)構(gòu)

難溶分子聚集而成的膠體微粒稱為膠核，膠核表面吸附了某種離子而帶有電荷，可吸附水中的異號離子，與之平衡。在靠近膠核表面的一層內(nèi)，因吸力較大正電離子緊密地吸附在膠核表面上，故稱為吸附層。厚度較薄較固定，不隨外界的條件（水溫）變化而變化。在吸附層之外，還有一層正電離子，在此范圍內(nèi)靜電吸力因屏蔽作用而減弱，且受水分子熱運動的干擾，故層內(nèi)的正電離子與膠核的結(jié)合力較為松弛，離子擴(kuò)散游動在吸附層之外，稱為擴(kuò)散層。第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天電位離子反離子擴(kuò)散層膠團(tuán)邊界滑動面膠粒吸附層膠核ξ電位Ψ電位膠體的結(jié)構(gòu)

第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天膠體的經(jīng)典穩(wěn)定理論-DLVO理論

1941年由杰里亞金（Derjaguin）和朗道（Landau）以及1948年由維韋（Verwey）和奧弗比克（Overbeek）分別提出了帶電膠體粒子穩(wěn)定的理論，簡稱DLVO理論。第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天膠體的經(jīng)典穩(wěn)定理論-DLVO理論（1）膠團(tuán)之間既存在著靜電排斥力，也存在著范德華引力。第34頁,共39頁，2024年2月25日，星期天膠體的經(jīng)典穩(wěn)定理論-DLVO理論（2）溶膠的相對穩(wěn)定或聚沉取決于靜電排斥力或范德華吸引力的相對大小。

斥力>引力穩(wěn)定

斥力<引力