膠體的性質

2021-01-08 小白科普水處理
膠體的主要性質

混凝去除的對象主要是膠體,膠體粒子的性質會影響混凝的效果。那麼膠體有什麼性質呢,下面主要通過結構,分類,穩定和凝聚四個部分進行講解。

01膠體的結構

首先,膠體具有雙電層結構。膠體微粒的中心叫做膠核,膠核的表面由於吸附、表面溶解等原因,會帶有電荷,具有一定的電勢。由於膠核帶點,必然會存在靜電引力,會吸引溶液中的異號離子向膠核表面趨近;由於異號離子本身還存在熱運動和其它作用力,會遠離膠核表面,向溶液中擴散。這兩種力的綜合作用下,使得靠近膠核表面處的異號離子濃度大,隨著膠核表面距離的增加,異號離子的濃度逐漸減小至溶液中離子的平均濃度。電勢形成的離子層和異號離子層就構成了膠體的雙電層結構。

膠體雙電層結構

由於膠核表面電勢形成離子的靜電引力很強,靠近膠核表面的部分反離子會緊附在膠核表面,跟隨膠核一起移動,這一層反離子稱為束縛反離子,與膠核形成了吸附層,吸附層本身只有幾個離子的厚度;吸附層之外稱為擴散層,由於靜電離子引力減弱,在膠體微粒運動時,擴散層內的反離子會與膠體表面脫離,與液體一起運動,因此擴散層的反離子稱為自由反離子。

通常,膠核與吸附層統稱為膠粒,再加上擴散層則稱為膠團。由於膠核表面的反離子總是比吸附層的多,所以膠粒是帶電的,但是整個膠團是不帶電的。其中膠核表面吸附的離子所形成的電勢為總電勢,稱為φ電勢;膠核在滑動時的電勢,即滑動面上的電勢為電動電勢,稱為ζ電勢,一般將吸附層的邊界視為滑動面。其中φ電勢並沒有實用意義,而ζ電勢是表示膠體穩定性的一個重要指標,可以通過實驗進行測定,ζ電勢並不是一個定值,它會隨著溶液溫度、pH值及反離子濃度等外界因素的變化而變化。以上內容可配合下圖進行理解。

膠體結構

02膠體的分類

其次,根據膠核表面是否帶有極性基團,膠體可分為不帶極性基團的憎水膠體和帶極性基團的親水膠體。

膠體分類

憎水膠體的吸附層中,反離子直接與膠核接觸;親水膠體由於膠核表面極性基團的存在,對水分子具有良好的親和性,會導致水分子優先吸附在膠核表面,形成一層水化膜。憎水膠體的雙電層和親水膠體的水化膜都有一定的厚度,這個厚度會影響到膠體的穩定性。

03膠體的穩定性

膠體最重要的一個性質,那就是膠體的穩定性(膠體粒子在水中保持分散懸浮狀態的一種特性)。其實膠體溶液並不是真正的穩定體系,但是在水處理中,由於膠體在重力場的沉澱速度十分緩慢,那麼有多緩慢呢,我們舉一個例子:一個粒徑1μm的粘土顆粒,在重力場中沉降10cm,大概就需要20個小時,而水處理的沉澱池一般只有幾個小時的沉澱時間,膠體的沉降性基本可以忽略,因此膠體被近似的認為是穩定的。

膠體的穩定性主要與動力學穩定性和聚集性穩定性有關:

膠體的穩定性

如果膠體表面的電荷或水化膜消失,聚集穩定性也會隨之消失,小顆粒膠體就有可能互相聚集成大的顆粒,從而導致動力學穩定性破壞,因此膠體穩定性的關鍵在於聚集穩定性。

04膠體的凝聚

膠體顆粒之間的相互作用能的關係,是由前蘇聯的德加根(Derjaguin)、蘭道(Landon)和荷蘭的伏維(Verwey)、奧貝克(Overbeek)四位科學家提出來的,因此我們把這個理論稱為DLVO理論,由於DLVO理論是以憎水膠體為對象推導出來的,所以只適用於憎水膠體的情況。

膠體凝聚

上圖即為膠體粒子之間距離與排斥勢能和吸引勢能的關係。

其中Emax為排斥能峰,當布朗運動的能量大於排斥能峰時,膠粒就有可能在布朗運動的推動下越過排斥能峰,進入吸引勢能區域,從而發生碰撞和凝聚,當然了,布朗運動的能量通常要比排斥能峰小很多,所以一般情況下,膠粒並不能自發地發生碰撞和凝聚。

由於排除能峰的存在,只有當膠粒間的距離<OA時,膠粒才會發生碰撞和凝聚,由此也可以推斷出,造成膠體穩定性的主要原因是膠粒之間存在排斥能峰,如果降低這個排斥能峰,就可以引起膠體顆粒間發生碰撞、脫穩,最後形成絮凝體。而降低排斥能峰的關鍵就是降低膠體的ζ電勢,即降低膠粒間的靜電斥力,向膠體溶液中投加電解質就是一個降低靜電斥力的好方法。

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