pH值及电解质对水体中胶体颗粒Zeta电位的影响

pH值及电解质对水体中胶体颗粒Zeta电位的影响 pH值及电解质对水体中胶体颗粒Zeta电位的影响 【摘要】:介绍了关于pH值及电解质影响水中胶体Zeta电位的研究～并讨论了其原因。 【关键字】:pH值～电解质～胶体Zeta电位 1. 前言 电位在许多基础理论教学中都是一个非常重要的概念，电位的大小是衡量胶体粒子稳定性的重要参数，在胶体稳定理论中占有非常重要的地位。天然水或饮用水体系中往往含有大量悬浮体，这些悬浮体通过吸附/解离等方式而带上一定量电荷，而带电量的多少影响胶体粒子的稳定性，从而影响水质。通过Zeta电位的测定不仅可以判断水中胶体粒子的稳定性，而且还可以用来 [1]选择合适的絮凝剂和监测最佳絮凝条件。不同条件下水体中常会含有一些无机盐和各种各样的面活性物质，因此研究水体中胶体颗粒Zeta电位的影响因素对于控制胶体聚沉具有重要意义。本文主要介绍了关于pH值及阳离子对水体中胶体颗粒Zeta电位影响的研究，并讨论了其不同影响的原因。 2. pH值的影响 pH不仅直接影响到胶体颗粒的表面电荷，而且影响水环境中某些物质的性质及存在形态，是影响Zeta电位的最重要因数之一。 [2]根据蒋展鹏等的研究发现，同种胶粒尽管由于来源、准备方法的不同而受pH值的影响不同，但是Zeta电位与pH值的关系曲线的总体形状却非常相似。其Zeta电位随着pH值的增大而减小。 [3]根据王慧云等的pH对蒙脱土Zeta电位的影响，在实验pH值范围内(pH=3~11)，蒙脱土表面Zeta电位皆为负值，并且随着pH值升高负值增加。 -这是因为当pH值增加时，越来越多的OH吸附到蒙脱土表面;并且蒙脱土表 -面的羟基或边缘断键处产生的羟基也与更多的OH反应，从而使蒙脱土表面的 [4]双电层结构发生了变化，其Zeta电位随pH值升高负值增加。Min Hoon Baik等的实验也同样证明了，当pH值升高，3种不同离子强度下的膨润土胶体体系的Zeta电位是随之减少的。 [5]而Maria Zaucha等的实验，当水环境中的pH 值上升时，体系中的胶体Zeta电位会随着pH值 的增大而减小，但是两种不同粒径的同种胶体的 影响存在差异。右图是两种不同粒径的聚苯乙烯 -2乳胶粒子在(I = 10 M, NaCl，T = 293 K)条件下， pH值变化时胶粒zeta电位的变化曲线，其中1代表粒径503nm的聚苯乙烯乳胶粒子，2代表粒径810nm的聚苯乙烯乳胶粒子。这是因为胶粒粒径不同，胶体的双电层厚度及电荷密度等都存在差异，受到环境中的电解质、pH等的影响时，产生的变化因此也不一样。 [6]3?Sides PJ等用两种不同的方法测得的云母胶体在条件I=10 M，KCl的Zeta电位随pH值变化的曲线都呈下降趋势。 [7]Gurdev Singh等的实验证明，随着pH值的升高(pH=2~10)，硅胶水溶液的Zeta电位随之降低。硅胶Zeta电位受pH值变化的影响，是因为硅胶表 +-面基团–Si–OH与溶液中的H或OH发生吸附反应，公式如下: ??–Si–OH + OH ? –Si–O+ HO 2 ?+–Si–O + H ? –Si–OH 吸附会影响胶体之间的排斥力以及胶体表面扩散层厚度，从而改变胶体的Zeta电位。 不同种类的胶粒在不同的pH值下的Zeta电位变化也不同。Leland M V等[8]以高岭土、膨润土和泥沙3种悬浮胶体在0.01mol/L KCl中不同pH值下Zeta电位的变化，发现3种胶体的Zeta电位均随pH值的增加而减小，但在pH值从2增加到10时，高岭土的Zeta电位变化从+0.7mV到-54mV，变化量为54.7mV，而膨润土的Zeta电位从-31mV到-36mV，变化量仅5mV，而泥沙的Zeta电位变化居于这2种之间。 总之，胶体体系的不同胶体Zeta电位受pH值的影响虽然存在一些差异，但是总体一致，Zeta电位随着pH值的增加而减小。水中pH值对胶粒Zeta电 位影响主要有两个原因:1、调节pH值时所加酸和碱，即在胶体溶液中加入电解质，电解质浓度增加，溶液离子强度增强，影响胶体Zeta电位;另外胶 +-体粒子可能吸附溶液中的H或OH离子，影响胶粒带电特性、压缩双电层，从而影响Zeta电位;2、在不同的pH值下，水中某些有机物或无机物的形态及性质可能会发生变化，如当pH,3.5时，胡敏酸是刚性的中性胶体，pH,3.5时，则变成可变形的线性聚合电解质。又如富里酸，可以在很广泛的pH范围与许多有机化合物和无机物质竞相发生水合反应，形成水溶性物质，而 [9]胡敏酸在pH,6.5时才有这种反应。在冯利，汤鸿霄的研究中也得出，在不同的pH值时，铝盐的存在形态也不同。因此，当pH变化时也将影响被吸附的有机物或无机物特性，使胶体颗粒带电特性及电位发生变化。 3.电解质的影响 目前测量胶体体系Zeta电位主要是通过电泳实验，经电流淌度推导Zeta ,3[5],,,电位，公式如:;其中为液体的粘度系数，为液体的介电,,e2F(a),, 21/2a常数，称修正系数, 为颗粒半径，，，而,Le,(,kT2eI)F(,,)a,,Le 12I为离子强度，，电解质对胶体Zeta电位的影响很大。电解质加I,(cz),iii2 入后，电解质中与扩散层反离子电荷符号相同的那些离子排斥到吸附层，从而减小了胶粒的带电量，使Zeta电位降低，当电解质浓度达到一定值时，Zeta电位变为零。当加入高价金属离子后，由于强烈吸附的缘故，对Zeta电位的影响更大，甚至可使Zeta电位电性符号改变，发生电位反转。 [10]根据Chrisian等的KCl、MgCl和LaCl处理磺化乳胶粒子的实验研究，23 不同的电解质对胶粒的Zeta电位影响也 不同，但是大体趋势一致，都是随着电 解质溶度升高，Zeta电位升高。(其中黑 色代表KCl，红色代表MgCl，蓝色代表2 LaCl)从图中可以发现，加入KCl之后，3 体系的Zeta电位始终为负值，没有发生 电荷反转情况，而MgCl和LaCl分别在40mmol/L及15mmol/L时，体系的23 Zeta电位从负值变为零，然后逐渐变为正值，体系发生电位反转(charge reversal)。对于同一个胶体体系，在其他条件相同时，尽管加入电解质的离子强度相同，但是体系的Zeta电位并不相当，同离子强度时，体系的Zeta电位 3+2++大小为La,Mg,K。这说明阳离子所带电荷和胶体Zeta电位有关。而 [5]2+Adamczyk Z等的实验也证明了这点，体系加入Mg时的Zeta电位明显大于+Na。 [11]另外王慧云，张波等对于不同阳离子对天然水胶体粒子Zeta电位的影响实验研究也可以证明，不同的电解质对胶体的影响存在差异。在低价阳离子体系中，随离子强度的增加，悬浮颗粒的ζ电位的绝对值降低，即胶粒所带负电荷量随着阳离子浓度的增加而明显减少。并且在相同离子强度条件下，在CaCl体系中粒子表面ζ电位降低幅度大于NaCl体系中粒子表面ζ电位降低2 幅度，说明二价反离子对双电层的压缩作用远强于一价反离子。在离子强度达到一定高度后，ζ电位随离子强度增加而下降的趋势明显变缓，这与利用经典双电层理论计算胶体粒子双电层厚度随离子强度的增加而变化的趋势是一致的。 [12]右图是Scales PJ等实验的关于云母Zeta电位 随离子强度的增强而变化的曲线。其中pH=5.8?0.3; ?-CsCl，?-KCl，Δ-LiCl，?- NaCl。虽然加入的电 解质都是一价的阳离子，但是阳离子种类不同，仍 然使得胶体体系Zeta电位存在明显差异。 即使是相同的电解质，对于不同的胶体体系Zeta [7]电位的影响也是不同的。Leland M V等在固定的pH值6.0下测定了不同KCl浓度下的高岭土和膨润土的Zeta电位，结果表明高岭土的Zeta电位随着KCl浓度的增加而变大，而膨润土的Zeta电位随着KCl浓度的增加而减小。 对于同一种胶体体系，即使是相同的离子强度条件，高价的阳离子对胶体Zeta电位的影响明显大于低价阳离子，因为电解质所带电荷越多，对胶体粒子双电层压缩越明显，Zeta电位影响越大。而另一方面，胶体首先由一定量的难容物分子聚结形成胶粒的中心，即胶核，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。这是胶体的形成原理，由于胶核吸附离子具有选择性，首先吸附胶核中相同的某种粒子，用同离子效应使胶核不易溶解;这就是即使是同价的阳离子相同条件时对胶体Zeta电位的影响仍然不同和相同的阳离子对不同的胶体Zeta电位影响不同的原因，因为胶体胶核具有选择性吸附，而阳离子“亲核性”不同，因此影响胶体Zeta电位也不尽相同。 4.与展望 pH对不同胶体的影响虽然存在差异，但是大体一致，随着pH值的升高，胶体体系Zeta电位降低。而电解质对胶体Zeta电位影响的差异较大，不同的离子对胶体影响也不相同，而高价阳离子对胶体Zeta电位的影响明显要大于低价阳离子。 研究胶体Zeta电位的影响因素，能够在实际应用中调节这些因素来控制胶体稳定或聚沉，具有十分重要的意义;但是，目前大部分的研究主要是在实验室条件下，比较单一的化学条件下进行，而且大都是定性的研究，定量的研究比较少。而未来的研究应该集中在建立常见胶体受各因素影响的曲线，定性研究其影响因素。而自然环境中的胶体往往成分复杂，多种影响因素相互作用，因此得到的研究成果在一些实际应用中不能得到很好的利用。所以，未来的关于胶体Zeta电位或其它性质的研究应该倾向于自然环境中的胶体物质，复杂的环境对胶体的影响。具体到某个区域，如河流河段的水体胶体受到影响，建立相应的数据模型，作出当地相关污水流入后，对胶体等性质的影响曲线。 参考文献 [1] 刘惠君. ζ电位作为无机混凝剂水处理性能评价指标的可行性实验研究. 水处理技术，2002，28(2):78 [2] 蒋展鹏， 尤作亮. 混凝形态学的研究进展[J]. 给水排水，1998，24(10) [3] 王慧云，李明远，吴肇亮，林梅钦，董朝霞. 石油磺酸盐、HPAM、pH 值对蒙脱土zeta电位的影响. 应用化学，2005，8 [4] Min Hoon Baik，Seung Yeop Lee. 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