胶体及其稳定性

胶体及其稳定性水处理工程技术张宝军教授主要内容1)胶体2)胶体的稳定性胶体及其稳定性胶体及其稳定性

水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除，如大颗粒悬浮物可在重力作用下沉降；而细微颗粒包括悬浮物和胶体颗粒的自然沉降极其缓慢，在停留时间有限的水处理构筑物内不可能沉降下来。这类颗粒的去除，有赖于破坏其胶体的稳定性，如加入混凝剂，使颗粒相互聚结形成容易去除的大絮凝体，通过沉淀方可去除。胶体及其稳定性1)胶体

分散体系是指由两种以上的物质混合在一起而组成的体系，其中被分散的物质称分散相，在分散相周围连续的物质称分散介质。

水处理工程所研究的分散体系中，颗粒尺寸为1nm至0.1µm的称为胶体溶液，颗粒大于0.1µm的称悬浮液。

分散相是指那些微小悬浮物和胶体颗粒，它们可以使光散射造成水的浑浊；分散介质就是水。胶体及其稳定性光学性质布朗运动胶体的表面性能电泳现象电泳现象电渗现象(1)胶体的特性胶体及其稳定性

胶体分子聚合而成的胶体颗粒称为胶核，胶核表面吸附了某种离子（电位形成离子）而带电。由于静电引力的作用，溶液中的异号离子（反离子）就会被吸引互到胶体颗粒周围。这些异号离子会同时受到两种力的作用而形成双电层。双电层是指胶体颗粒表面所吸附的阴阳离子层。(2)胶体的结构胶体及其稳定性

①胶体颗粒表面离子的静电引力。

它吸引异号离子靠近胶体颗粒的固体表面的电位形成离子，这部分反离子紧附在固体表面，随着颗粒一起移动，称为束缚反离子，与电位形成离子组成吸附层。

(2)胶体的结构胶体及其稳定性

②颗粒的布朗运动、颗粒表面的水化作用力。

异号离子本身热运动的扩散作用力及液体对这些异号离子的水化作用力可以使没有贴近固体表面的异号离子均匀分散到水中去。这部分离子受静电引力的作用相对较小，当胶体颗粒运动时，与固体表面脱开，而与液体一起运动，它们包围着吸附层形成扩散层，称为自由反离子。(2)胶体的结构胶体及其稳定性

上述两种力的作用结果，使贴近固体表面处的这些异号离子浓度最大，随着与固体表面距离的增加，浓度逐渐变小，直到等于溶液中的离子平均浓度。

通常将胶核与吸附层合在一起，称为胶粒，胶粒与扩散层组成胶团。

(2)胶体的结构胶体及其稳定性图

胶团结构式(2)胶体的结构胶体及其稳定性如图，为一个想象中天然水的粘土胶团。天然水的浑浊大都由粘土颗粒形成。粘土的主要成分是SiO2，所以粘土颗粒总是带有负电，其外围吸引了水中常见的许多带正电荷的离子。吸附层的厚度很薄，大约只有2～3Å。扩散层比吸附层厚得多，有时可能是吸附层的几百倍厚。在扩散层中，不仅有正离子及其周围的水分子，而且还可能有比胶核小的带正电的胶粒，也夹杂着一些水中常见的HCO3-、OH-、Cl-等负离子和带负电荷的胶粒。图

天然水中粘土胶团示意图(2)胶体的结构胶体及其稳定性

由于胶核表面所吸附的离子总比吸附层里的反离子多，所以胶粒带电。而胶团具有电中性，因为带电胶核表面与扩散于溶液中的反离子电性中和，构成双电层结构如图所示。胶体双电层结构示意图(2)胶体的结构胶体及其稳定性

扩散层中的反离子由于与胶体颗粒所吸附的离子间吸附力很弱，当胶体颗粒运动时，大部分离子脱离开胶体颗粒，这个脱开的界面称滑动面。胶核表面（固、液界面）上的离子和反离子之间形成的电位称总电位，即ψ电位。胶核在滑动时所具有的电位称动电位，即ξ电位，它是在胶体运动中表现出来的，也就是在滑动面上的电位。在水处理研究中，ξ电位具有重要意义，可以用激光多普勒电泳法或传统电泳法测得。天然水中胶体杂质通常带负电。地面水中的石英和粘土颗粒，根据组成成分的酸碱比例不同，其ξ电位大致在-15～-40mV。一般在河流和湖泊水中，颗粒的ξ电位大致在-15～-25mV左右，当被含有机污染时，ξ电位可达-50～-60mV。(2)胶体的结构胶体及其稳定性

胶体稳定性，指胶体颗粒在水中长期保持分散悬浮状态的特性。

致使胶体颗粒稳定性的主要原因是颗粒的布朗运动、胶体颗粒间同性电荷的静电斥力和颗粒表面的水化作用。

胶体稳定性分为动力学稳定和聚集稳定两种。2)胶体的稳定性胶体及其稳定性

胶体颗粒的布朗运动，构成了动力学稳定性，反映为颗粒的布朗运动对抗重力影响的能力。水中粒度较微小的胶体颗粒，布朗运动足以抵抗重力的影响，因此能长期悬浮于水中而不发生沉降，称为动力学稳定性。

胶体间的静电斥力和颗粒表面的水化作用，构成了聚集稳定性。反映了水中胶体颗粒之间因其表面同性电荷相斥或者由于水化膜的阻碍作用而不能相互凝聚的特性。2)胶体的稳定性胶体及其稳定性

布朗运动一方面使胶体具有动力学稳定性，另一方面也为碰撞接触吸附絮凝创造了条件。但由于有静电斥力和水化作用，使之无法接触。

因此，胶体稳定性，关键在于聚集稳定性，如果聚集稳定性一旦破坏，则胶体颗粒就会结大而下沉。2)胶体的稳定性胶体及其稳定性

憎水胶体指与水分子间缺乏亲和性的胶体。在憎水胶体的吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶核。憎水胶体的分散需藉外力的作用，脱水后也不能重新自然地分散于水中，故又称为不可逆的胶体。

憎水胶体的聚集稳定性主要取决于胶体的ξ电位。ξ电位越高，扩散层越厚，胶体颗粒越具有稳定性。

1)憎水胶体的聚集稳定性胶体及其稳定性1.憎水胶体的聚集稳定性

德加根（Derjaguin）、兰道（Landon）、伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）各自从胶粒相互作用能的角度，阐明了胶粒相互作用理论，简称DLVO理论。DLVO理论认为，水中胶体颗粒能否相互接近，甚至结合，取决于布朗运动的动力、静电斥力和范德华引力三者的综合表现，也就是说取决于三种力产生的能量对比。

1)憎水胶体的聚集稳定性胶体及其稳定性第一，布朗运动的动能，主要和水温有关。在一定温度下，布朗运动的动能基本不变。

第二，静电斥力产生的势能与微粒间距有关。当两胶体颗粒的扩散层未发生重叠，静电斥力不存在；当两胶体颗粒的扩散层发生重叠时，胶体之间产生静电斥力。

第三，范德华引力产生的势能与微粒间距有关。1)憎水胶体的聚集稳定性胶体及其稳定性1)憎水胶体的聚集稳定性图

相互作用势能与颗粒间距离关系（a）双电层重叠；（b）势能变化曲线胶体及其稳定性亲水胶体指与水分子能结合的胶体，胶体微粒直接吸附水分子，有机胶体或高分子物质，如蛋白质、淀粉及胶质等属于亲水胶体。水化作用是亲水胶体聚集稳定性的主要原因。亲水胶体的水化作用，往往来源于粒子表面极性基团对水分子的强烈吸附，使粒子周围包裹一层较厚的水化膜，阻碍胶体微粒相互靠近，范德华引力不能发挥作用。水化膜越厚，胶体稳定性越好。

2)亲水胶体的聚集稳定性胶体及其稳定性亲水胶体的一个最突出的性质是，它们能够在吸水自动分散形成胶体溶液后，又可脱水恢复成原来的物质，并再重新分散于水中产生胶体。因此，亲水胶体也称为可逆的胶体。

对于亲水胶体，虽然也