第3章分散和絮凝作用

1、3.6 分散和絮凝作用 分散和絮凝作用 n分散分散：一种物质（如固体粒子）分散于另一种物：一种物质（如固体粒子）分散于另一种物质（如固体、液体或气体等介质）中的作用。质（如固体、液体或气体等介质）中的作用。nOstward根据分散相粒子的大小对分散体系进行根据分散相粒子的大小对分散体系进行分类：分类： 粗分散体系：质点大于粗分散体系：质点大于0.5 m，不能透过滤纸。包括悬浮体，不能透过滤纸。包括悬浮体（分散相为固体）和乳状液（分散相为液体）。（分散相为固体）和乳状液（分散相为液体）。 胶体分散体系：质点为胶体分散体系：质点为1500 nm，质点可以透过滤纸，但，质点可以透过滤纸，但不能通过半

2、透膜。若分散相为疏液性固体，称为溶胶。不能通过半透膜。若分散相为疏液性固体，称为溶胶。 分子分散体系：质点小于分子分散体系：质点小于1 nm，质点可以通过滤纸和半透，质点可以通过滤纸和半透膜。膜。n聚集体：分散相粒子以任意方式和受任何因素的聚集体：分散相粒子以任意方式和受任何因素的作用而结合在一起形成有结构或无特定结构集团作用而结合在一起形成有结构或无特定结构集团的作用称为聚集作用（的作用称为聚集作用（aggregation），形成的），形成的这些集团称为聚集体。这些集团称为聚集体。n聚集体的形成称为聚沉（聚集体的形成称为聚沉（congulation）或絮凝）或絮凝（flocculation）

3、。）。n聚沉和絮凝常是通用的，前者形成的聚集体较为聚沉和絮凝常是通用的，前者形成的聚集体较为致密；后者较为疏松，易于再分散。致密；后者较为疏松，易于再分散。n分散作用的应用：分散作用的应用： 涂料、印刷油墨和钻井泥浆涂料、印刷油墨和钻井泥浆 稳定的固液分散体系稳定的固液分散体系n絮凝作用的应用：絮凝作用的应用： 湿法冶金、工业污水处理和生活原水澄清等湿法冶金、工业污水处理和生活原水澄清等3.6.1 表面活性剂对固体颗粒的分散作用（1）粉体的润湿）粉体的润湿 （2） 粒子团的分散粒子团的分散 （3）分散体的稳定）分散体的稳定 粉体的润湿 n表面活性剂的作用：表面活性剂的作用： 在介质表面的定向吸

4、附，使在介质表面的定向吸附，使LG和和SL降低降低。01 )(cosLGLGSLSG粒子团的分散 p毛细管力；毛细管力；为液体在毛细管壁的接触角。为液体在毛细管壁的接触角。n若固体粒子团为高能表面，若固体粒子团为高能表面，90,毛细管力为负值，对渗透起阻止作用，不毛细管力为负值，对渗透起阻止作用，不利于聚集团簇的破裂和分散。利于聚集团簇的破裂和分散。n表面活性剂的作用：表面活性剂的作用： 在固在固-液界面上定向吸附，使固体微粒和分散介质的相容液界面上定向吸附，使固体微粒和分散介质的相容性得以改善，加速了液体在缝隙中渗透。性得以改善，加速了液体在缝隙中渗透。 rrpSLSGLG22cosn以水为

5、介质时以水为介质时 ）阴离子表面活性剂）阴离子表面活性剂 范德华力相吸引或镶嵌方式吸附在缝隙的表面，排斥力增强，以及渗范德华力相吸引或镶嵌方式吸附在缝隙的表面，排斥力增强，以及渗透水产生渗透压共同作用使微粒间的铰结强度降低透水产生渗透压共同作用使微粒间的铰结强度降低）非离子表面活性剂）非离子表面活性剂 通过范德华力被吸附于缝隙壁上，通过熵斥力及渗透水化力使粒子团通过范德华力被吸附于缝隙壁上，通过熵斥力及渗透水化力使粒子团中微粒缝间的铰结强度下降中微粒缝间的铰结强度下降）阳离子表面活性剂）阳离子表面活性剂 通过静电相吸力吸附在缝隙壁上，即季铵阳离子吸附于缝隙壁带负通过静电相吸力吸附在缝隙壁上，即

6、季铵阳离子吸附于缝隙壁带负电荷的位置上，而以疏水基伸入水相，使接触角增大甚至电荷的位置上，而以疏水基伸入水相，使接触角增大甚至90,导导致毛细管力为负值，阻止渗透作用。不宜用于固体粒子的分散。致毛细管力为负值，阻止渗透作用。不宜用于固体粒子的分散。 n一般情况下一般情况下 仅仅依靠表面活性剂溶液的作用就可以使颗粒破裂。仅仅依靠表面活性剂溶液的作用就可以使颗粒破裂。 不行的话，不行的话，可以辅之以高速混合搅拌或研磨的方法使可以辅之以高速混合搅拌或研磨的方法使之破坏。表面活性剂可以帮助研磨，减少颗粒的表面能，之破坏。表面活性剂可以帮助研磨，减少颗粒的表面能，阻止已被破坏的表面恢复键合，从而达到防止

7、颗粒聚结的阻止已被破坏的表面恢复键合，从而达到防止颗粒聚结的目的。目的。分散体的稳定n造成固液分散体系的不稳定性的原因： 受重力影响粒子发生沉积。多数情况下粒子较小，布受重力影响粒子发生沉积。多数情况下粒子较小，布朗运动在一定程度上阻止粒子下沉，但一经碰撞会聚集；朗运动在一定程度上阻止粒子下沉，但一经碰撞会聚集； 热力学不稳定性。粒子具有大的相界面和界面能。热力学不稳定性。粒子具有大的相界面和界面能。n表面活性剂在固体微粒表面的吸附能够降低粒子聚集的倾表面活性剂在固体微粒表面的吸附能够降低粒子聚集的倾向。向。 在水介质中，表面活性剂主要通过范德华力以疏水基吸附在粒子表面，在水介质中，表面活性剂

8、主要通过范德华力以疏水基吸附在粒子表面，而以亲水基（离子基团或聚氧乙烯链）伸向水介质，以静电斥力或空而以亲水基（离子基团或聚氧乙烯链）伸向水介质，以静电斥力或空间位阻使分散体系稳定。间位阻使分散体系稳定。 在有机介质中，表面活性剂以亲水基团与粒子通过氢键、离子键等结在有机介质中，表面活性剂以亲水基团与粒子通过氢键、离子键等结合，而非极性的碳氢键伸向介质中，其分散作用主要靠空间位阻来实合，而非极性的碳氢键伸向介质中，其分散作用主要靠空间位阻来实现。现。 悬浮体的稳定性 使悬浮体粒子带有较多的电荷，形成双电层。使悬浮体粒子带有较多的电荷，形成双电层。 在粒子表面形成具有特殊结构和特殊性质的溶剂在粒

9、子表面形成具有特殊结构和特殊性质的溶剂化层或吸附溶剂化层。带有吸附溶剂化层的粒子化层或吸附溶剂化层。带有吸附溶剂化层的粒子靠近或聚集必须使溶剂化层厚度减小，使排列较靠近或聚集必须使溶剂化层厚度减小，使排列较为有序的溶剂分子无序化，这需要做功。为有序的溶剂分子无序化，这需要做功。 微小的胶体粒子对悬浮体中的大粒子有稳定作用。微小的胶体粒子对悬浮体中的大粒子有稳定作用。 分散方法：（1）机械分散法（2）超声分散法（3）电分散法（4）溶胶法 表面活性剂的分散作用 降低液体介质的表面张力降低液体介质的表面张力LGLG、固液界面张力、固液界面张力SLSL和液体和液体在固体上的接触角在固体上的接触角；提高

10、润湿性和降低界面能；提高液；提高润湿性和降低界面能；提高液体向固体粒子孔隙的渗透速度。体向固体粒子孔隙的渗透速度。 离子型表面活性剂在某些固体粒子上的吸附可增加粒子离子型表面活性剂在某些固体粒子上的吸附可增加粒子的表面电势，提高粒子间的静电排斥作用，有利分散体系的表面电势，提高粒子间的静电排斥作用，有利分散体系的稳定。的稳定。 定向吸附有利于提高疏液型分散体系粒子的亲液性，有定向吸附有利于提高疏液型分散体系粒子的亲液性，有时可形成吸附溶剂化层。时可形成吸附溶剂化层。 长链表面活性剂和聚合物大分子在粒子表面形成厚吸附长链表面活性剂和聚合物大分子在粒子表面形成厚吸附层，起到空间稳定作用。层，起到空

11、间稳定作用。 表面活性剂在固体表面结构缺陷上的吸附不仅可降低界表面活性剂在固体表面结构缺陷上的吸附不仅可降低界面能，而且可以在表面上形成机械屏障，有利于固体研磨面能，而且可以在表面上形成机械屏障，有利于固体研磨分散。分散。 cosLGSLSG3.6.2分散剂 n分散剂（分散剂（dispersing agent, dispersant）：使固）：使固体微粒均匀、稳定地分散于液体介质中的低分子体微粒均匀、稳定地分散于液体介质中的低分子表面活性剂或高分子表面活性剂。表面活性剂或高分子表面活性剂。n能使固体微粒表面迅速润湿，又能使固体质点间能使固体微粒表面迅速润湿，又能使固体质点间的能垒上升到足够高的

12、表面活性剂才称为分散剂。的能垒上升到足够高的表面活性剂才称为分散剂。n分散剂应具备的特点：分散剂应具备的特点： 良好的润湿性质。在粉体表面和内孔都能润湿并使其良好的润湿性质。在粉体表面和内孔都能润湿并使其分散；分散； 要有助于离子的破碎，湿磨时能降低粘度。要有助于离子的破碎，湿磨时能降低粘度。 能形成稳定的分散体系能形成稳定的分散体系。n分散剂：阴离子型、非离子型、有机胺阳离子和高分子表分散剂：阴离子型、非离子型、有机胺阳离子和高分子表面活性剂。面活性剂。阴离子型：亚甲基二萘磺酸钠、直链烷基苯磺酸盐阴离子型：亚甲基二萘磺酸钠、直链烷基苯磺酸盐（LAS）、十二烷基琥珀酸钠、十二烷基硫酸钠、磷酸酯

13、）、十二烷基琥珀酸钠、十二烷基硫酸钠、磷酸酯等。等。非离子型：烷基酚聚氧乙烯醚（非离子型：烷基酚聚氧乙烯醚（APE）、脂肪醇聚氧乙烯）、脂肪醇聚氧乙烯醚和聚氧乙烯脂肪酸酯。醚和聚氧乙烯脂肪酸酯。高分子表面活性剂：高分子表面活性剂： 均聚物均聚物 聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇 共聚物共聚物 用作共聚物的单体有：异丁烯、环氧乙烷、环氧丙烷、羟乙用作共聚物的单体有：异丁烯、环氧乙烷、环氧丙烷、羟乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、苯乙烯、甲基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮等。酰胺

14、、苯乙烯、甲基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮等。天然产物产物分散剂：磷酯、脂肪酸、多糖、酪蛋白等。天然产物产物分散剂：磷酯、脂肪酸、多糖、酪蛋白等。3.6.3固体微粒的絮凝过程 被分散粒子的去稳定作用去稳定粒子的相互聚集n絮凝剂（flocculating agent, flocculant）：能有效促使分散体系发生聚沉或絮凝作用的外加物质。n絮凝剂在很低浓度时就能使分散体系失去稳定性并能提高聚集速度的化学物质。絮凝剂分子应具备的特点 能够溶解在固体微粒的分散介质中；能够溶解在固体微粒的分散介质中； 在高分子链节上应具有能与固体粒子间产生桥连的吸附在高分子链节上应具有能与固体粒子间产生桥连的吸附基团。

15、基团。 阳离子表面活性剂的季铵阳离子、阴离子表面活性剂的羧基、磺酸基阳离子表面活性剂的季铵阳离子、阴离子表面活性剂的羧基、磺酸基 离子对离子对 非离子表面活性剂的醚基、羟基和酰胺基等非离子表面活性剂的醚基、羟基和酰胺基等 氢键或离子对氢键或离子对 絮凝剂大分子应具有线形结构，并有适合于分子伸展的絮凝剂大分子应具有线形结构，并有适合于分子伸展的条件。条件。 范德华力范德华力 分子链有一定的长度。一部分吸附在颗粒上，另一部分分子链有一定的长度。一部分吸附在颗粒上，另一部分伸进溶液中，以便吸附旁边的颗粒，产生桥连作用。伸进溶液中，以便吸附旁边的颗粒，产生桥连作用。 固体悬浮液中的固体颗粒表面必须有可

16、供絮凝剂架桥的固体悬浮液中的固体颗粒表面必须有可供絮凝剂架桥的部位。部位。絮凝剂类型：絮凝剂类型：n无机絮凝剂无机絮凝剂n有机絮凝剂有机絮凝剂无机絮凝剂 水溶性铝盐（硫酸铝、三氯化铝）、铁盐（三氯化铁、硫酸铁）、氯化钙、硅酸钠、盐酸、硫酸、烧碱、氢氧化钙等。 无机高分子絮凝剂n聚合铝：铝溶胶（xAl(OH)3AlCl3）、聚氯化铝（Al2(OH)nCl6-n）、聚合硫酸铝（Al2(OH)n(SO无机絮凝剂)3-n/2m）n聚合铁：聚合硫酸铁（Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m） 有机絮凝剂n高分子絮凝剂：丙烯酰胺共聚物型阳离子絮凝剂，聚乙烯高分子絮凝剂：丙烯酰胺共聚物型阳离子絮凝剂，聚乙烯

17、醇、聚乙烯基甲基醚型非离子表面活性剂。醇、聚乙烯基甲基醚型非离子表面活性剂。n阴离子型高分子絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸盐、阴离子型高分子絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸盐、聚丙烯酸盐等，一般相对分子量大聚丙烯酸盐等，一般相对分子量大（106）才有效。才有效。n非离子表面活性剂：非离子表面活性剂： 聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯基聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯基甲基醚型。甲基醚型。n阴离子型和非离子型主要以桥联的形式。阴离子型和非离子型主要以桥联的形式。n阳离子型高分子絮凝剂：无论相对分子质量大小都可以起阳离子型高分子絮凝剂：无论相对分子质量大小都可以起到絮凝作用。常用类型：聚羟基丙基二甲基氯

18、化铵、聚甲到絮凝作用。常用类型：聚羟基丙基二甲基氯化铵、聚甲基二烯丙基氯化铵、聚乙烯氯化吡啶、聚乙烯胺、聚乙烯基二烯丙基氯化铵、聚乙烯氯化吡啶、聚乙烯胺、聚乙烯吡咯、聚氨甲基丙烯酰胺等。吡咯、聚氨甲基丙烯酰胺等。3.7 表面活性剂的其他功能表面活性剂的其他功能 柔软平滑作用柔软平滑作用n柔软平滑性：纤维制品和毛发n表面活性剂：有效降低纤维的静摩擦系数n油剂：有效降低纤维的动摩擦系数n柔软平滑的效果表示： 柔软平滑的效果=静摩擦系数-动摩擦系数，差值越小，效果越好。3.7 表面活性剂的其他功能表面活性剂的其他功能 抗静电作用抗静电作用n表面活性剂在合成纤维和塑料等导电性能差的材料表表面活性剂在合成纤维和塑料等导电性能差的材料表面形成正向吸附，疏水基朝向材料表面，亲水基伸向面形成正向吸附，疏水基朝向材料表面，亲水基伸向空间，纤维的导电性增加，产生放电现象，从而防止空间，纤维的导电性增加，产生放电现象，从而防止静电积累。静电积累。n抗静电剂抗静电剂（1 1）阳离子表面活