溶胶的聚沉.doc

8.9 溶胶的聚沉和絮凝溶胶是热力学不稳定系统，其不稳定性是绝对的。虽然由于胶粒带电，能使溶胶暂时稳定地存在几天、几个月，甚至几年、几十年，但这种稳定性终究只是暂时的，相对的和有条件的，最终还是要聚集成大颗粒的。当颗粒聚集到一定程度，溶胶便失去表观上的均匀性，此时就要沉降下来，这称为“聚沉过程”。为促进聚沉过程，可以外加其他物质作为聚沉剂，如电解质等。聚沉过程所得的沉淀物，一般比较紧密，沉淀过程也较缓慢，这种沉淀物称为“聚沉物”。（1）外加电解质对溶胶聚沉的影响电解质对溶胶稳定性的影响具有两重性。当电解质浓度较小时，有助于胶粒带电形成z电势，使粒子之间因同性电的斥力而不易聚结，因此电解质对溶胶起稳定作用。但是，当电解质浓度足够大时，使分散层亦薄而z电势下降，因此能引起溶胶聚沉。关于外加电解质对溶胶聚沉的影响有以下几点经验规则：1、外加电解质需要达到一定浓度方能使溶胶发生明显聚沉。使溶胶发生明显聚沉所需电解质的最低浓度称为“聚沉值”。聚沉值是电解质对溶胶聚沉能力的衡量，聚沉能力越强，聚沉值越小，反之亦然。实验表明，当电解质浓度达到聚沉值时，并未使胶粒的荷电量减少到零，亦即z不等于零。一般说来此时电动电势的数值仍有2530mV左右，但胶粒的布朗运动已足以克服胶粒之间所剩的较小静电斥力，故能发生聚沉。当z=0时，溶胶聚沉速率可达到最大，如图8.21所示。图8.21 聚沉速率与电解质质浓度的关系2、电解质使溶胶发生聚沉，主要起作用的是与胶粒带相反电荷的离子，称为“反离子”。反离子价数越高，聚沉能力越强，聚沉值越小。这一规律称为哈迪 叔采（Hardy - Schulze）规则。通常一价反离子的聚沉值比二价的大2080倍，比三价的大5001500倍。应当指出，当离子在胶粒表面强烈吸附或发生表面化学反应时，哈迪 叔采规则不能应用。例如对As2S3溶胶来说，一价吗啡离子的聚沉能力比二价Mg2+和Ca2+还要强得多。3、同价反离子的聚沉能力虽然相近，但依离子的大小不同其聚沉能力也略有不同，不过比不同价数离子聚沉能力的差别要小得多。对于负溶胶，一价金属离子的聚沉能力可排成下列顺序：Cs+Rb+K+Na+Li+对于正溶胶，一价负离子的聚沉能力可排成下列顺序：这种顺序称为“感胶离子序”。4、与胶粒带有相同电荷的同离子对溶胶的聚沉也略有影响。当反离子相同时，同离子的价数越高，聚沉能力越弱。（2）溶胶的相互聚沉将两种电性相反的溶胶混合，能发生相互聚沉的作用。溶胶相互聚沉与电解质促使溶胶聚沉的不同之处在于其要求的浓度条件比较严格。只有其中一种溶胶的总电荷量恰能中和另一种溶胶的总电荷量时才能发生完全聚沉，否则只能发生部分聚沉，甚至不聚沉。我国自古以来沿用的明矾净水，两种不同牌号墨水混合会出一沉淀等都是溶胶相互聚沉的实例。（3）大分子化合物对溶胶稳定性的影响大分子化合物对溶胶稳定性的影响亦具有两重性。一方面，若在溶胶中加入一定量的某种大分子溶液，可以显著提高溶胶的稳定性，使再加入少量电解质时不致聚沉。这称为大分子化合物对溶胶的“保护作用”。另一方面，加入少量某种大分子溶液，有时能明显地破坏溶胶的稳定性，或者是使电解质的聚沉值显著减小，称为“敏化作用”；或者是大分子化合物直接导致胶粒聚集而沉降，称为“絮凝过程”。絮凝过程中所得沉淀称为“絮凝物”，促使溶胶发生絮凝的物质称为“絮凝剂”。为了说明大分子化合物对溶胶的絮凝作用，莱姆（LaMer）提出“架桥效应”的概念，认为大分子化合物吸附于溶胶粒子的表面，通过架桥方式将两个或更多的胶粒连在一起，由于大分子的“痉挛”作用，直接导致絮凝。但若所加大分子化合物过多，在每个胶粒表面上均形成一大分子覆盖层，防止了胶粒之间或胶粒与电解质离子之间的直接接触，反而会起到稳定和保护溶胶的作用，使之不再出现絮凝现象。具有亲水性质的明胶、蛋白质、淀粉等大分子化合物都是良好的溶胶保护剂，应用很广泛。例如在工业上一些贵金属催化剂，如Pt溶胶、Cd溶胶等，加入大分子溶液进行保护以后，可以烘干以便于运输，使用时只要加入溶剂，就可又复为溶胶。要注意的是，用大分子溶液保护溶胶所用的量必须达到一定值，若用量过少，不但不能起保护作用，反而会使溶胶出现絮凝现象。大分子化合物对溶胶絮凝作用的研究，自六十年代以来发展很快，广泛应用于各种工业部门的污水处理和净化、化工操作中的分离和沉淀，以及有用矿泥的回收等。与无机聚沉剂相比，大分子絮凝过程有不少优点，如效率高，一般只需要加入质量比值约为106的絮凝剂即可有明显的絮凝作用；絮凝物沉淀迅速，通常可在数分钟内完成，并且沉淀物块大而疏松，便于过滤；此外在合适条件下还可以有选择性絮凝，这对有用矿泥的回收特别有利。目前，市售絮凝剂牌号最多的是聚丙烯酰胺类，各种牌号标志着它的不同水解度和摩尔质量，适应各种不同的实际需要。这类絮凝剂约占各种絮凝剂总量的70%。其他絮凝剂还有：聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇