分散与絮凝作用

1、第十章 分散与絮凝作用 分散作用一般是指把一种物质分散于另一种物质分散作用一般是指把一种物质分散于另一种物质中以形成分散体系的作用。中以形成分散体系的作用。粗分散体系：质点大小大于粗分散体系：质点大小大于0.5um的分散体系的分散体系胶体分散体系：质点大小在胶体分散体系：质点大小在0.5um1nm分子分散溶液质点小于分子分散溶液质点小于1nm分散介质分散介质分散相分散相体系名称体系名称气气液液雾（气溶胶）雾（气溶胶）气气固固烟（气溶胶）烟（气溶胶）液液气气泡沫泡沫液液液液乳状液乳状液液液固固分散体（悬浮体）分散体（悬浮体）固固气气固体泡沫固体泡沫固固液液固体乳状液固体乳状液固固固固固体悬浮体固

2、体悬浮体表表10-1分散体系分散体系固溶胶固溶胶烟水晶烟水晶有色玻璃有色玻璃雾雾气溶胶气溶胶烟烟白云白云10.110.1分散体系的形成分散体系的形成10.1.1分散法分散法1 1固体粒子的分散过程固体粒子的分散过程1)1)使粉体润湿，将附着于粉体上的空气以液体介质取代；使粉体润湿，将附着于粉体上的空气以液体介质取代；2)2)使固体粒子团簇破碎和分散使固体粒子团簇破碎和分散; ;3)3)阻止已分散的粒子再聚集阻止已分散的粒子再聚集 分散法与凝聚法分散法与凝聚法1 1）固体粒子的润湿）固体粒子的润湿 当铺展系数当铺展系数SL/So时，固体粒子就会被介质完全时，固体粒子就会被介质完全润湿，此时接触角

3、润湿，此时接触角00 2 2）粒子团的分散或碎裂）粒子团的分散或碎裂 式中 P毛管力； LV液体的表面张力； 液体在毛管壁的接触角。 高能表面，液体在毛管壁的接触角一般高能表面，液体在毛管壁的接触角一般 90 90900 0，因此，因此PP为负为负值，与固值，与固液界面扩展的方向相反对渗透起阻止作用。液界面扩展的方向相反对渗透起阻止作用。 当表面活性剂加入后，当表面活性剂加入后， 90900 0变为变为 90900 0结果使毛管力由结果使毛管力由P0P0P0而加速了液体在缝隙中渗透。而加速了液体在缝隙中渗透。 渗透速度：渗透速度：式中，式中，l是是t时间内液体沿孔隙渗入的距离；时间内液体沿孔隙

4、渗入的距离； r是粉体缝隙。是粉体缝隙。 是液体粘度。是液体粘度。阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂,非离子表面活性剂：非离子表面活性剂：阳离子表面活性剂：阳离子表面活性剂：1阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂通过范德华相吸力克服静电排斥力或通过镶嵌通过范德华相吸力克服静电排斥力或通过镶嵌方式而被吸附于缝隙的表面，使表面因带同种电荷使排斥力增强，方式而被吸附于缝隙的表面，使表面因带同种电荷使排斥力增强，以及渗透水产生渗透压共同作用使微粒间的绞结强度降低，减少了以及渗透水产生渗透压共同作用使微粒间的绞结强度降低，减少了固体粒子或粒子团碎裂所需的机械功，从而使粒子团被碎裂或使粒固体粒子或粒子团碎裂所需

5、的机械功，从而使粒子团被碎裂或使粒子碎裂成更小的晶体，并逐步分散在液体介质中子碎裂成更小的晶体，并逐步分散在液体介质中。2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，非离子表面通过范德华力被吸附于缝隙壁上，非离子表面活性剂存在不能使之产生电排斥力但能产生熵斥力及渗透水化力使活性剂存在不能使之产生电排斥力但能产生熵斥力及渗透水化力使粒子团中微裂缝间的绞结强度下降而有利于粒子团碎裂。粒子团中微裂缝间的绞结强度下降而有利于粒子团碎裂。3阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂以季铵阳离子吸附于缝隙壁带负电荷的位置上以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，使缝隙壁的亲水性

6、下降，接触角而以疏水基伸入水相，使缝隙壁的亲水性下降，接触角增大甚至增大甚至900，导致毛管力为负，阻止液体的渗透，所以阳离子表面活性，导致毛管力为负，阻止液体的渗透，所以阳离子表面活性剂不宜用于固体粒子的分散。剂不宜用于固体粒子的分散。 3 3）阻止固体微粒的重新聚集）阻止固体微粒的重新聚集 表面活性剂吸附在固体微粒的表面上，增加了防止微表面活性剂吸附在固体微粒的表面上，增加了防止微粒重新聚集的能障，并且由于所加的表面活性剂降低粒重新聚集的能障，并且由于所加的表面活性剂降低了固了固液界面的界面张力，即增加分散体系的热力学液界面的界面张力，即增加分散体系的热力学稳定性。稳定性。2 2粒子分散机

7、理粒子分散机理二维气体作用下微隙缝发展变大的示意图二维气体作用下微隙缝发展变大的示意图60um是是机械机械粉碎极限。粉碎极限。3 3分散方法分散方法1）研磨法）研磨法 设备有球磨机、胶体磨和研压机等。设备有球磨机、胶体磨和研压机等。 利用设备的刚性材质与待分散物质相互碰撞和磨擦，利用设备的刚性材质与待分散物质相互碰撞和磨擦，将固体磨碎、磨细的。将固体磨碎、磨细的。 表面活性剂作为稳定剂表面活性剂作为稳定剂,吸附在粒子上，进入隙缝内起吸附在粒子上，进入隙缝内起二维气体作用，提高了粉碎效果，又起到稳定和保护作用。二维气体作用，提高了粉碎效果，又起到稳定和保护作用。硫胶体体系硫胶体体系2）超声波分散

8、法）超声波分散法 超声波振荡是指频率高于声频超声波振荡是指频率高于声频(16000Hz)的机械振荡。的机械振荡。超声波使介质中的物休分散开来，得到均匀的分散体系。超声波使介质中的物休分散开来，得到均匀的分散体系。3)电分散法电分散法电分散法主要用于制备金属水溶胶。电分散法主要用于制备金属水溶胶。4）胶溶法）胶溶法胶溶法是将暂时凝聚下来的分散相重新分散。许多新鲜胶溶法是将暂时凝聚下来的分散相重新分散。许多新鲜沉淀经洗涤除去过多的电解质，再加入适量的稳定剂沉淀经洗涤除去过多的电解质，再加入适量的稳定剂(亦亦称胶溶剂称胶溶剂)后，则又可转变为溶胶，这种作用称为胶溶作后，则又可转变为溶胶，这种作用称为

9、胶溶作用。用。（1）吸附法）吸附法吸附法是指在新沉积下来的沉淀中加入某种电解质离子，吸附法是指在新沉积下来的沉淀中加入某种电解质离子，沉淀吸附离子后带上沉淀吸附离子后带上定电荷建立起双电层，由于沉淀定电荷建立起双电层，由于沉淀粒子的双电层发生静电排斥作用而分离开来。粒子的双电层发生静电排斥作用而分离开来。3FeCl水洗，加3AgNO水洗，加Fe(OH)3(沉淀沉淀) Fe(OH)3(溶胶溶胶) AgCl(溶胶溶胶)AgCl(沉淀沉淀) （2）表面溶解法）表面溶解法 加入的胶溶剂与沉淀粒子表面的分子发生反应生成可加入的胶溶剂与沉淀粒子表面的分子发生反应生成可溶性化合物，然后解离在粒子的表面形成双

10、电层，使沉淀溶性化合物，然后解离在粒子的表面形成双电层，使沉淀粒子胶溶。粒子胶溶。例如，将新生成的例如，将新生成的Fe(OH)3沉淀洗净后加入适量的沉淀洗净后加入适量的稀硫酸，则生成红棕色沉淀。稀硫酸，则生成红棕色沉淀。Fe(OH)Fe(OH)3 3 + HCl FeOCl FeO + HCl FeOCl FeO+ + + Cl + Cl（3）沉淀洗涤法）沉淀洗涤法 沉淀洗涤法适用于分散粒子的双电层因受体系中的沉淀洗涤法适用于分散粒子的双电层因受体系中的反离子压缩而导致絮凝沉淀的情形。对于这种沉淀只要反离子压缩而导致絮凝沉淀的情形。对于这种沉淀只要用水洗涤，将过量的离子降低到一定的浓度，粒子的

11、双用水洗涤，将过量的离子降低到一定的浓度，粒子的双电层即可恢复，在静电排斥作用下沉淀粒子胶溶。电层即可恢复，在静电排斥作用下沉淀粒子胶溶。例如，在氯化铝和氯化镁的混合溶液中加入稀氨水，得例如，在氯化铝和氯化镁的混合溶液中加入稀氨水，得到铝、镁的氢氧化物混合沉淀，用水洗涤沉淀并放置一到铝、镁的氢氧化物混合沉淀，用水洗涤沉淀并放置一段时间后，沉淀即胶溶。段时间后，沉淀即胶溶。10.1.2凝聚法凝聚法凝聚法原则上形成分子分散的过饱和溶液，然后从此凝聚法原则上形成分子分散的过饱和溶液，然后从此溶液中沉淀出胶体分散度大小的物质。溶液中沉淀出胶体分散度大小的物质。1化学凝聚法化学凝聚法该法是通过化学反应使

12、生成物呈过饱和状态，然后生该法是通过化学反应使生成物呈过饱和状态，然后生成粒子，最后结合成胶体粒子而形成溶胶。成粒子，最后结合成胶体粒子而形成溶胶。1）还原反应）还原反应:2HAuCl4(稀溶液稀溶液)+3HCHO(少量少量)+11KOH2Au+3HCOOK+8KCl+8H2O 金、银、铂等贵金属的溶胶可以通过还原反应来制备金、银、铂等贵金属的溶胶可以通过还原反应来制备2）水解反应：）水解反应：铁、铝、铬、铜铁、铝、铬、铜 钒等金属的氢氧化物溶胶可通过它钒等金属的氢氧化物溶胶可通过它们的盐类水解制得。们的盐类水解制得。 3）氧化法：）氧化法：用硝酸等氧化剂氧化硫化氢溶液，可以制得硫溶胶，用硝酸

13、等氧化剂氧化硫化氢溶液，可以制得硫溶胶，2H2S+O22S+2H2O 4）离子平衡）离子平衡硝酸银溶液加入稀氯化物溶液中可生成氯化银溶胶硝酸银溶液加入稀氯化物溶液中可生成氯化银溶胶Ag+ + Cl- AgCl(固固) 混合混合H2S和和As2O3两种溶液，可以制备两种溶液，可以制备As2S3溶胶：溶胶： 2As3+ + 3S2- As2S3(固固) 2物理凝聚法物理凝聚法 物理凝聚法是利用适当的物理过程使分子物理凝聚法是利用适当的物理过程使分子(或离子或离子)分散体系凝聚成胶体体系的方法。分散体系凝聚成胶体体系的方法。1）更换溶剂：）更换溶剂： 这是利用物质在不同溶剂中的溶解度的悬殊差别来这是

14、利用物质在不同溶剂中的溶解度的悬殊差别来制备溶胶的方法，而不同溶剂之间是完全互溶的。制备溶胶的方法，而不同溶剂之间是完全互溶的。松香水溶胶：松香水溶胶：硫磺溶胶：硫磺溶胶：2）蒸气凝聚法）蒸气凝聚法 将汞的蒸气通入冷水中，即可得到汞的水溶胶，此将汞的蒸气通入冷水中，即可得到汞的水溶胶，此时，高温汞蒸气与水接触生成少量的氧化物，该氧化物吸时，高温汞蒸气与水接触生成少量的氧化物，该氧化物吸附在汞粒子的表面起稳定剂的作用。利用蒸气凝聚法还可附在汞粒子的表面起稳定剂的作用。利用蒸气凝聚法还可以制备碱金属的有机溶胶。以制备碱金属的有机溶胶。3）电弧法）电弧法贵金属贵金属(金、银、铂等金、银、铂等)溶胶的

15、制备溶胶的制备图图10-28 将生核期与生长期分开的将生核期与生长期分开的LaMer模型模型3凝聚法原理凝聚法原理第一阶段是晶核形成，第二阶段是晶体的成长。第一阶段是晶核形成，第二阶段是晶体的成长。)(11SScdtdnKv)(22ScDKv0ln33442SSRTrMrrG 晶体生长是一个自发的过程晶体生长是一个自发的过程，当物质在溶液中溶解度达到过饱当物质在溶液中溶解度达到过饱和状态时，一个新相晶核就会出现。和状态时，一个新相晶核就会出现。 在小晶核阶段，随着晶核的长大，表面对体积之比逐渐变小，在小晶核阶段，随着晶核的长大，表面对体积之比逐渐变小，最终形成新相的自由能变得大于表面自由能，由

16、此导致晶体随最终形成新相的自由能变得大于表面自由能，由此导致晶体随比表面能的作用的减少而自发增长。比表面能的作用的减少而自发增长。 表面活性剂存在表面活性剂存在，可以吸附在晶核的表面，或者作为可以吸附在晶核的表面，或者作为个诱个诱导结晶作用的中心。这样，表面活性剂就可以用来控制晶体的导结晶作用的中心。这样，表面活性剂就可以用来控制晶体的生长过程和稳定所形成的颗粒。生长过程和稳定所形成的颗粒。10.2分散体系的稳定性分散体系的稳定性(1)需用强的机械力加以粉碎，因为颗粒本身具有强的结需用强的机械力加以粉碎，因为颗粒本身具有强的结合力，分裂成各个小粒子后，不易回复到原来的状态，它合力，分裂成各个小

17、粒子后，不易回复到原来的状态，它们的集合称为聚集。们的集合称为聚集。(2)用比较弱的机械力，或者固体在液体中界面上作用的用比较弱的机械力，或者固体在液体中界面上作用的物理力即可分裂成小粒子，外力消除后又回复至原来的粒物理力即可分裂成小粒子，外力消除后又回复至原来的粒子集合状态，这种集合称为凝聚或絮凝。子集合状态，这种集合称为凝聚或絮凝。10.2.1胶体稳定性的DLVO理论 亲液胶体粒子表面覆盖有溶剂化层，可以防止粒子聚亲液胶体粒子表面覆盖有溶剂化层，可以防止粒子聚集。同时大部分亲液胶体粒子表面也带有电荷，粒子集。同时大部分亲液胶体粒子表面也带有电荷，粒子间也可存在电性斥力，从而使得粒子难以聚集

18、。间也可存在电性斥力，从而使得粒子难以聚集。 疏液胶体体系稳定性最著名的理论就是由疏液胶体体系稳定性最著名的理论就是由DerjaguinDerjaguin、LandauLandau、VerweyVerwey和和OverbeekOverbeek四人提出的四人提出的DLVODLVO理论理论12HArAV式中AHamaker常数； r质点的半径； H质点间的最短距离。 吸引能与之点半径成正比。粒径大的质点吸引能也大。吸引能吸引能与之点半径成正比。粒径大的质点吸引能也大。吸引能随着质点间的最短距离的减小而增大。随着质点间的最短距离的减小而增大。Hr 1质点间的范得华相吸能（质点间的范得华相吸能（VA）

19、 2.双电层的排斥能双电层的排斥能（VR） 扩散层未重叠扩散层未重叠, 两胶团两胶团之间不产生斥力之间不产生斥力 扩散层重叠扩散层重叠, 平衡破坏平衡破坏, 产产生渗透性斥力和静电斥力生渗透性斥力和静电斥力质点的排斥能VR： VR rDu2ln1+exp(-kH)式中，VR质点间的排斥力； r质点的半径； D水的介电常数； u吸附层和扩散层界面上的电位； 扩散层的厚度； H质点间的最短距离。21k1排斥能与吸附层和扩散层界面上的电势和质点半径成正比；排斥能与吸附层和扩散层界面上的电势和质点半径成正比；吸附层和扩散层界面的电势越高，排斥能越大，质点越不易靠近，质点越易分散稳定；吸附层和扩散层界面

20、的电势越高，排斥能越大，质点越不易靠近，质点越易分散稳定；粒径小时，排斥能也小，质点容易靠近，易于絮凝；粒径小时，排斥能也小，质点容易靠近，易于絮凝；排斥能随之质点间的距离的增加，而以指数的形式下降。排斥能随之质点间的距离的增加，而以指数的形式下降。3质点间的相互作用能VT将第一极小值处发生的聚结称为聚沉（将第一极小值处发生的聚结称为聚沉（congulation），），而在第二极小值处发生的聚结叫做絮凝（而在第二极小值处发生的聚结叫做絮凝（flocculation）。）。当粒子的动能当粒子的动能3kT/2大于势垒大于势垒Eb时方能聚沉时方能聚沉 斥力势能斥力势能, 吸力势能及总势能曲线吸力势能

21、及总势能曲线4电解质对溶胶稳定性的影响00-8-137聚沉聚沉: 憎液溶胶中分散相微粒互相聚结构憎液溶胶中分散相微粒互相聚结构, 颗粒变大颗粒变大, 进而发生进而发生沉淀的现象沉淀的现象. 加热加热, 辐射辐射或或加入电解质加入电解质皆可导致溶胶的聚沉皆可导致溶胶的聚沉.三种溶胶聚沉三种溶胶聚沉. (左左)Al(OH)3; (中中)Fe(OH)3; (右右)Cu(OH)2 00-8-139加入电解质对吸力势能加入电解质对吸力势能影响不大影响不大, 但对斥力势能的但对斥力势能的影响却十分显著影响却十分显著. 电解质的电解质的加入会导致系统的总势能发加入会导致系统的总势能发生很大的变化生很大的变化

22、, 适当调整电适当调整电解质浓度解质浓度, 可以得到相对稳可以得到相对稳定的胶体定的胶体.在电荷作用下稳定存在的在电荷作用下稳定存在的Fe2O3溶胶溶胶00-8-14010.2.2高聚物的稳定与絮凝机理高聚物的稳定与絮凝机理 高分子化合物对溶胶聚沉和保护作用示意图高分子化合物对溶胶聚沉和保护作用示意图(a)聚沉作用聚沉作用(b)保护作用保护作用若在溶胶中加入较多的高分子化合物若在溶胶中加入较多的高分子化合物, 许多个高分子化合许多个高分子化合物的一端吸附在同一个分散相粒子的表面上物的一端吸附在同一个分散相粒子的表面上, 或者是许多个高或者是许多个高分子线团环绕在胶体粒子周围分子线团环绕在胶体粒

23、子周围, 形成水化外壳形成水化外壳, 将分散相粒子将分散相粒子完全包围起来完全包围起来, 对溶胶则起保护作用对溶胶则起保护作用.1 1空间稳定理论空间稳定理论(Steric Stabilization)(Steric Stabilization) a a体积限制效应理论体积限制效应理论 图图1014 空间稳定示意图空间稳定示意图（a)b b混合效应理论混合效应理论 式中式中V VT T体系的总势能，体系的总势能， V VR R双电层排斥能，双电层排斥能， V VS S 空间效应产生的排斥能。空间效应产生的排斥能。 总势能曲线总势能曲线V VT T-H-H如图如图9 91515所示。所示。 图图

24、1015 空间稳定的势能曲线空间稳定的势能曲线(a)无双电层斥能；无双电层斥能；(b)有双电层斥能有双电层斥能 2 2空位稳定理论空位稳定理论(Depletionstabilization) (Depletionstabilization) 在非离子型表面活性剂或高分子聚合物的水或非水溶在非离子型表面活性剂或高分子聚合物的水或非水溶液中，当两个质点相互靠近时，若能将高分子聚合物从两液中，当两个质点相互靠近时，若能将高分子聚合物从两质点间的间隙中挤出去，导致质点间隙区内只有溶剂分子质点间的间隙中挤出去，导致质点间隙区内只有溶剂分子而无高分子聚合物存在，致使质点表面形成空位，质点间而无高分子聚合物

25、存在，致使质点表面形成空位，质点间的这种相互作用称为空位作用。的这种相互作用称为空位作用。 图图1016 空位作用示意图空位作用示意图 (a)低浓度下的桥连絮凝作用；低浓度下的桥连絮凝作用；(b)中等浓度下的空间稳定作用；中等浓度下的空间稳定作用； (c)较高浓度下的空位絮凝作用；较高浓度下的空位絮凝作用；(d)高浓度下的空位稳定作用高浓度下的空位稳定作用10.3 10.3 表面活性剂的分散稳定作用表面活性剂的分散稳定作用(1)(1)降低液体介质的表面张力降低液体介质的表面张力LVLV固液界面张力固液界面张力SLSL和液体在固体上和液体在固体上的接触角的接触角，提高其润湿性质和降低体系的界面能

26、。同时可提高，提高其润湿性质和降低体系的界面能。同时可提高液体向固体粒子孔隙中的渗透速度，以利于表面活性剂在固体界液体向固体粒子孔隙中的渗透速度，以利于表面活性剂在固体界面的吸附，并产生其它利于固体粒子聚集体粉碎、分散的作用。面的吸附，并产生其它利于固体粒子聚集体粉碎、分散的作用。 (2)(2)离子型表面活性剂在某些固体粒子上的吸附可增加粒子表面电离子型表面活性剂在某些固体粒子上的吸附可增加粒子表面电势，提高粒子间的静电排斥作用，利于分散体系的稳定。势，提高粒子间的静电排斥作用，利于分散体系的稳定。 (3)(3)在固体粒子表面上亲液基团朝向液相的表面活性剂定向吸附层在固体粒子表面上亲液基团朝向

27、液相的表面活性剂定向吸附层的形成利于提高疏液分散体系粒子的亲液性，有时也可以形成吸的形成利于提高疏液分散体系粒子的亲液性，有时也可以形成吸附溶剂化层。附溶剂化层。(4)(4)长链表面活性剂和聚合物大分子在粒子表面吸附形成厚吸附层长链表面活性剂和聚合物大分子在粒子表面吸附形成厚吸附层起到空间稳定作用。起到空间稳定作用。 (5)(5)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，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，而且能在表面上形成机械蔽障，有利于固体研磨分散。而且能在表面上形成机械蔽障，有利于固体研磨分散。10.3.110.3.1表面活性剂在水介质中的分散稳定作用表面活

28、性剂在水介质中的分散稳定作用 1对非极性固体粒子的分散作用对非极性固体粒子的分散作用图10-17 炭黑的分散过程(a)吸附阴离子表面活性剂提高电能障； (b)吸附非离子表面活性剂提高空间阻碍 2对带电质点的分散稳定作用对带电质点的分散稳定作用1) 离子型表面活性剂与质点表面带有同种电荷离子型表面活性剂与质点表面带有同种电荷Zeta电势与磺甲基酚醛树脂在粘土表面上吸附量的关系电势与磺甲基酚醛树脂在粘土表面上吸附量的关系 2) 2)离子型表面活性剂与质点表面带有相反电荷离子型表面活性剂与质点表面带有相反电荷 阴离子表面活性剂对带正电荷的氧化铁粒子的分散与絮凝作用 10.3.210.3.2表面活性剂

29、在有机介质中的分散稳定作用表面活性剂在有机介质中的分散稳定作用 TiO2的表面处理过程质点在有机介质中的分散主要是靠空间位阻产生熵斥力来实现的。质点在有机介质中的分散主要是靠空间位阻产生熵斥力来实现的。 使用有机胺类对有机颜料进行表面处理使用有机胺类对有机颜料进行表面处理 常用的有机胺有常用的有机胺有使用颜料衍生物对有机颜料进行表面处理。如汉沙系列及联苯胺使用颜料衍生物对有机颜料进行表面处理。如汉沙系列及联苯胺系列黄颜料，在偶合反应之后加入一定量脂肪胺与颜料分子中系列黄颜料，在偶合反应之后加入一定量脂肪胺与颜料分子中 缩合生成席夫碱通过分子平面吸附于颜料表面。缩合生成席夫碱通过分子平面吸附于颜

30、料表面。 图图1024是以颜料衍生物对颜料进行表面处理的模型。是以颜料衍生物对颜料进行表面处理的模型。图图1024 以颜料衍生物及无色衍生物表面处理模型以颜料衍生物及无色衍生物表面处理模型 喹吖啶酮磺化衍生物的盐也可以平面性吸附于颜料表面改进颜喹吖啶酮磺化衍生物的盐也可以平面性吸附于颜料表面改进颜料分散性，如图料分散性，如图10102525所示。所示。图图1025 喹吖啶酮磺化衍生物表面处理模型喹吖啶酮磺化衍生物表面处理模型10.4 10.4 分散剂与超分散剂分散剂与超分散剂分散剂：分散剂：能使固液悬浮体中的固体粒子分散稳定于介能使固液悬浮体中的固体粒子分散稳定于介质中的表面活性剂可称为分散剂

31、。质中的表面活性剂可称为分散剂。10.4.1分散剂的选择分散剂的选择良好的润湿性质。良好的润湿性质。便于分散过程的进行。便于分散过程的进行。能稳定形成的分散体系。能稳定形成的分散体系。10.4.2 10.4.2 水介质中使用的分散剂水介质中使用的分散剂 亲水性较强的表面活性剂，另外疏水链多为较长的碳链或成亲水性较强的表面活性剂，另外疏水链多为较长的碳链或成平面结构，如带有苯环或萘环，这种平面结构易作为吸附基吸平面结构，如带有苯环或萘环，这种平面结构易作为吸附基吸附于具有低能表面的有机固体粒子表面而以亲水基伸入水相，附于具有低能表面的有机固体粒子表面而以亲水基伸入水相，将原来亲油的低能表面变为亲

32、水的表面。将原来亲油的低能表面变为亲水的表面。 离子型表面活性剂还可使固体粒子在接近时，产生电斥力而使离子型表面活性剂还可使固体粒子在接近时，产生电斥力而使固体粒子分散。固体粒子分散。 非离子表面活性剂可以通过长的柔顺的聚氧乙烯链形成的水化非离子表面活性剂可以通过长的柔顺的聚氧乙烯链形成的水化膜来阻止固体粒子的絮凝而使其分散稳定。膜来阻止固体粒子的絮凝而使其分散稳定。1 1）阴离子型分散剂）阴离子型分散剂 a萘系分散剂 b木质素类 c聚合物类(水溶性分散剂) a a萘系分散剂萘系分散剂亚甲基二萘磺酸钠亚甲基二萘磺酸钠( (扩散剂扩散剂NNO)NNO) 本品为米黄色固体粉末，易溶于水。耐酸、碱、

33、盐和硬本品为米黄色固体粉末，易溶于水。耐酸、碱、盐和硬水。扩散性能好，对蛋白质及聚酰胺纤维有亲和力，对棉水。扩散性能好，对蛋白质及聚酰胺纤维有亲和力，对棉、麻等纤维素无亲和力。主要用作还原染料染色，酸法染、麻等纤维素无亲和力。主要用作还原染料染色，酸法染色或悬浮体轧染的分散剂，也用作水泥的早强减水剂。色或悬浮体轧染的分散剂，也用作水泥的早强减水剂。 甲基萘磺酸钠甲醛缩合物甲基萘磺酸钠甲醛缩合物( (扩散剂扩散剂MF)MF) 本品为棕色至深棕色粉末，易溶于水，易吸潮，耐本品为棕色至深棕色粉末，易溶于水，易吸潮，耐酸、碱及硬水。具有良好的扩散性能，用作分散染料、酸、碱及硬水。具有良好的扩散性能，用

34、作分散染料、活性染料、还原染料的分散剂，匀染剂；也用于航空农活性染料、还原染料的分散剂，匀染剂；也用于航空农药的分散剂，水泥混凝土的减水剂。药的分散剂，水泥混凝土的减水剂。 b b木质素类木质素类 木质素磺酸木质素磺酸 深褐色粘稠液体，用作混凝土减水剂，也可作为分散深褐色粘稠液体，用作混凝土减水剂，也可作为分散、还原染料加工的分散剂。、还原染料加工的分散剂。 c c聚合物类聚合物类( (水溶性超分散剂水溶性超分散剂) )低分子量聚丙烯酸钠低分子量聚丙烯酸钠 浅黄色透明粘稠液体。与涂布加工纸用涂料中的其他浅黄色透明粘稠液体。与涂布加工纸用涂料中的其他组分相容性好。分散剂本身的贮存稳定性好，无混浊

35、或分组分相容性好。分散剂本身的贮存稳定性好，无混浊或分层现象。易溶于水。无毒，无腐蚀性。用于造纸、涂料等层现象。易溶于水。无毒，无腐蚀性。用于造纸、涂料等行业，是一种优良的颜料分散剂。行业，是一种优良的颜料分散剂。 2 2）非离子型分散剂）非离子型分散剂 以聚氧乙烯醚作为亲水基的非离子型表面活性剂如吐温以聚氧乙烯醚作为亲水基的非离子型表面活性剂如吐温型、烷基醚型和烷基酚型也都是较好的水介质中的分散剂型、烷基醚型和烷基酚型也都是较好的水介质中的分散剂。图图1026 以非离子表面活性剂处理颜料模型以非离子表面活性剂处理颜料模型10.4.3 10.4.3 有机介质中的分散剂有机介质中的分散剂 1 1

36、）用于无机粒子的分散剂）用于无机粒子的分散剂 包括各类脂肪酸钠盐，常用的有月桂酸钠，硬脂酸钠包括各类脂肪酸钠盐，常用的有月桂酸钠，硬脂酸钠盐和磺酸盐。长碳链的胺类化合物如：伯胺类，仲胺类和盐和磺酸盐。长碳链的胺类化合物如：伯胺类，仲胺类和季铵盐以及醇胺类。季铵盐以及醇胺类。2 2）用于有机粒子的分散剂）用于有机粒子的分散剂 主要包括各种非离子型表面活性剂，各种长碳链胺类主要包括各种非离子型表面活性剂，各种长碳链胺类如十八胺，各类以聚氧乙烯为亲水如十八胺，各类以聚氧乙烯为亲水 基团的烷基胺，吐温基团的烷基胺，吐温类，亲油性强的斯盘类非离子表面活性剂。类，亲油性强的斯盘类非离子表面活性剂。 3 3

37、超分散剂超分散剂 1 1以表面活性剂的极性基作为吸附基团在低能表面上的以表面活性剂的极性基作为吸附基团在低能表面上的吸附强度差，往往出现脱附现象，导致分散体系粒子的聚吸附强度差，往往出现脱附现象，导致分散体系粒子的聚集或沉淀；集或沉淀； 2 2在非水介质中质点间几乎不存在电斥力，而主要能在非水介质中质点间几乎不存在电斥力，而主要能起作用的是被吸附的表面活性剂疏水链形成的溶剂化膜起起作用的是被吸附的表面活性剂疏水链形成的溶剂化膜起分散稳定作用，而经典表面活性剂的疏水链不具备足够长分散稳定作用，而经典表面活性剂的疏水链不具备足够长的链，即不能形成足够厚的溶剂化膜产生足够高的空间排的链，即不能形成足

38、够厚的溶剂化膜产生足够高的空间排斥能来克服粒子间的范德华相吸力，而使粒子分散稳定于斥能来克服粒子间的范德华相吸力，而使粒子分散稳定于有机介质中。有机介质中。超分散剂的分子结构特征：超分散剂的分子结构特征：超分散剂的分子量一般在超分散剂的分子量一般在100010001000010000之间；之间； 一部分为锚固基团，可通过离子对、氢键、范德华力一部分为锚固基团，可通过离子对、氢键、范德华力及改性剂结合等作用以单点锚固或多点锚固的形式紧密地及改性剂结合等作用以单点锚固或多点锚固的形式紧密地结合在颗粒表面上。结合在颗粒表面上。 另一部分为亲介质的溶剂化的聚合物链，它通过空间另一部分为亲介质的溶剂化的

39、聚合物链，它通过空间位阻效应位阻效应( (熵排斥熵排斥) )对颗粒的分散起稳定作用。对颗粒的分散起稳定作用。 图图1027 超分散剂在颜料表面的锚固方式超分散剂在颜料表面的锚固方式4 4超分散剂的作用机理超分散剂的作用机理 稳定机理稳定机理 在非水分散体系中，对稳定起决定作用的是空间位阻在非水分散体系中，对稳定起决定作用的是空间位阻( (熵排斥熵排斥) )。 在超分散剂作用体系中，超分散剂以其锚固段吸附于在超分散剂作用体系中，超分散剂以其锚固段吸附于颗粒表面，溶剂化段则伸展于分散介质中，其长度一般在颗粒表面，溶剂化段则伸展于分散介质中，其长度一般在101015nm15nm之间，当两个吸附有超分

40、散剂的颗粒相互接近之间，当两个吸附有超分散剂的颗粒相互接近时，由于伸展链的空间阻碍因此不会引起絮凝，而维持稳时，由于伸展链的空间阻碍因此不会引起絮凝，而维持稳定的分散状态。定的分散状态。5 5超分散剂的分子结构超分散剂的分子结构 1 1）锚固段与固体颗粒表面能形成牢固的结合；超分）锚固段与固体颗粒表面能形成牢固的结合；超分散剂在颗粒表面形成较完整的覆盖层；散剂在颗粒表面形成较完整的覆盖层； 2 2）溶剂化段在分散介质中有一定的厚度。）溶剂化段在分散介质中有一定的厚度。图图929 超分散剂在颗粒表面的主要吸附形态超分散剂在颗粒表面的主要吸附形态 3 3）超分散剂的分子结构）超分散剂的分子结构 锚

41、固段锚固段(A(A段段) )的选择的选择 颗粒表面与颗粒表面与A A段间能发生的较强的相互作用有氢键、段间能发生的较强的相互作用有氢键、共价键、酸碱作用等。共价键、酸碱作用等。 溶剂化段溶剂化段(B(B段段) )的选择的选择 一方面一方面B B段与分散介质应有较好的相容性，另一方段与分散介质应有较好的相容性，另一方面，面，B B段本身要具有足够的分子量。段本身要具有足够的分子量。 超分散剂分子结构的确定：最好为单端官能化的超分散剂分子结构的确定：最好为单端官能化的A AB B两嵌段聚合物，锚固段应与颗粒表面有较强的吸附力。两嵌段聚合物，锚固段应与颗粒表面有较强的吸附力。溶剂化段要有合宜的长度，

42、介质应对溶剂化段有良好的溶溶剂化段要有合宜的长度，介质应对溶剂化段有良好的溶解性，而对锚固段最好不具备溶解性。解性，而对锚固段最好不具备溶解性。 10.610.6 聚沉作用聚沉作用凝聚作用凝聚作用: :使用凝聚剂中和质点和悬浮物颗粒表面电荷，使其克服质点和悬浮物颗粒间的静电排斥力，从而使颗粒脱稳的过程称作凝聚作用。凝聚作用往往发生在凝聚作用往往发生在V VT T-H-H势能势能曲线的第一极小值处，且不具备可逆性。曲线的第一极小值处，且不具备可逆性。絮凝作用絮凝作用: :是质点和悬浮物粒子在有机高分子絮凝剂的桥连作用下, 使其形成粗大的絮凝体的过程。在此过程中也存在着电荷的中和作用。聚沉作用是凝

43、聚和絮凝两种作用过程聚沉作用是凝聚和絮凝两种作用过程表表10-4凝聚和絮凝的区别凝聚和絮凝的区别72 10.710.7凝聚作用凝聚作用 凝聚作用主要是在体凝聚作用主要是在体系中加入无机电解质系中加入无机电解质凝聚剂凝聚剂, ,通过带电质通过带电质点对溶液中反离子的点对溶液中反离子的吸附，使两个带电质吸附，使两个带电质点的表面电荷被点的表面电荷被中和，中和，ZetaZeta电势下降，双电电势下降，双电层被压缩减薄，减小层被压缩减薄，减小质点间双电层斥力质点间双电层斥力，在范德华相吸力占主在范德华相吸力占主导的情况下，质点间导的情况下，质点间能形成稳定的化学键能形成稳定的化学键结合在一起，质点间结

44、合在一起，质点间的相互作用处于第一的相互作用处于第一极小值的能态，而产极小值的能态，而产生凝聚体与溶液分离。生凝聚体与溶液分离。 10.8絮凝作用絮凝作用 絮凝作用主要是在体系中加入有机高分子絮凝剂，有机絮凝作用主要是在体系中加入有机高分子絮凝剂，有机高分子絮凝剂通过自身的极性基或离子基团与质点形成氢高分子絮凝剂通过自身的极性基或离子基团与质点形成氢键或离子对，加之范德华相吸力而吸附于质点表面，在质键或离子对，加之范德华相吸力而吸附于质点表面，在质点间进行桥连形成体积庞大的絮状沉淀而与水溶液分离。点间进行桥连形成体积庞大的絮状沉淀而与水溶液分离。絮凝作用的特点是絮凝剂用量少，体积增大的速度快，

45、形絮凝作用的特点是絮凝剂用量少，体积增大的速度快，形成絮凝体的速度快，絮凝效率高。成絮凝体的速度快，絮凝效率高。 1）有机高分子絮凝剂在质点表面的吸附状态）有机高分子絮凝剂在质点表面的吸附状态2 2）有机高分子絮凝剂的桥连作用）有机高分子絮凝剂的桥连作用桥连作用桥连作用: :质点和悬浮物通过有机高分子絮凝剂架桥而被连接起来形成絮凝体的过程。主要通过高分子絮凝剂在质点表面的环式和尾式吸附架桥形成的桥连。a高分子絮凝剂与带有不同电荷的质点间的桥连b高分子絮凝剂与带相同电荷的质点间的桥连 a高分子絮凝剂与带有不同电荷的质点间的桥连 其脱稳作用是由于静电引力的原因。在此过程中，有机阳离子絮凝剂的分子量

46、起着重要的作用。 例:采用分子量为51042105的有机阳离子絮凝剂处理油田污水，可观察到细小的絮凝体。如果改用分子量高达2106的有机阳离子絮凝剂来处理同种油田污水，会观察到在电荷中和的同时，不但絮凝作用完全而且形成粗大的絮凝体，污水迅速被澄清。 镶嵌作用：镶嵌作用：有机阳离子絮凝剂通过静电相吸力吸附于电荷相反的质点表面时，当吸附量达到足以使Zeta电势达到零时，也不可能将胶体颗粒和悬浮物颗粒表面上的电荷全部中和。在其表面上仍然存在正电荷区和负电荷区。在这些吸附着有机高分子絮凝剂的质点中，当一个质点表面的正电荷区与另一质点表面的负电荷区互相接近时，所产生的吸引力大于排斥力从而降低了相互作用能

47、，并达到第一最小能量值，结果产生絮凝沉淀，这就是镶嵌作用。 分子量高电荷密度也高的有机阳离子高分子絮凝剂，在质点表面的多点吸附使高分子链多以无桥链作用的列车式结构形态存在，而能参与桥连的立体环式和尾式结构形态较少，影响了高分子的桥连作用，降低了絮凝作用。 分子量高电荷密度低的有机阳离子絮凝剂在质点表面的吸附形态多以能参与桥连的立体环式和尾式结构形态为主，桥连作用强，因此絮凝效果好。高分子量高的低电荷密度的分子结构高分子量高的低电荷密度的分子结构是有机阳离子高分子絮凝剂的理想分子结构，它具有高效絮凝作用。b b高分子絮凝剂与带相同电荷的质点间的桥连高分子絮凝剂与带相同电荷的质点间的桥连 质点表面

48、存在着正电荷区 带负电的絮凝体对质点的包裹作用 反离子的作用 质点表面存在着正电荷区质点表面存在着正电荷区 带负电的絮凝体对质点的包裹作用带负电的絮凝体对质点的包裹作用 反离子的作用反离子的作用 分子量很高的离子型有机高分子絮凝剂在电离状态下分子量很高的离子型有机高分子絮凝剂在电离状态下，在带电离子附近电势最大区域以外存在一个电势隧道，在带电离子附近电势最大区域以外存在一个电势隧道，反离子在电势隧道里具有较大的流动性，这有助于絮凝过反离子在电势隧道里具有较大的流动性，这有助于絮凝过程的进行。程的进行。 图图1043中表示出质点和质点的双电层，阴离子高分子絮凝剂和它的电势隧道近似尺寸。其反离子为

49、阳离子。中表示出质点和质点的双电层，阴离子高分子絮凝剂和它的电势隧道近似尺寸。其反离子为阳离子。 化学絮凝模型：化学絮凝模型：(a)(a)高分子絮凝剂与质点间的排斥能曲线，高分子絮凝剂与质点间的排斥能曲线，高分子絮凝剂带电荷的球面会与质点表面的双电层发高分子絮凝剂带电荷的球面会与质点表面的双电层发生交联，使体系的排斥能升高生交联，使体系的排斥能升高( (变得更负变得更负) )(b)(b)反离子流入质点双电层后高分子絮凝剂与质点间的排斥能曲线反离子流入质点双电层后高分子絮凝剂与质点间的排斥能曲线在静电吸引力的作用下，高分子絮凝剂的电势隧道可作为反离子在静电吸引力的作用下，高分子絮凝剂的电势隧道可

50、作为反离子的导管，使可流动的反离子流入质点表面的双电层中，使双电层的导管，使可流动的反离子流入质点表面的双电层中，使双电层压缩，导致表面的部分电荷中和，排斥能降低压缩，导致表面的部分电荷中和，排斥能降低 (c)(c)总排斥能曲线总排斥能曲线若反离子能将体系的排斥能降低至相互作用能可达到第二极小若反离子能将体系的排斥能降低至相互作用能可达到第二极小值，这样，较大的质点就容易迅速地絮凝，而流动性大的小质值，这样，较大的质点就容易迅速地絮凝，而流动性大的小质点只能通过电荷中和使能垒进一步降低才可能絮凝而沉淀。点只能通过电荷中和使能垒进一步降低才可能絮凝而沉淀。 阴离子高分子絮凝剂阴离子高分子絮凝剂:

51、 :絮凝带负电荷的质点时，反离子的价数絮凝带负电荷的质点时，反离子的价数及数量是关键。在溶液中不存在无机盐的条件下，阴离子高分子及数量是关键。在溶液中不存在无机盐的条件下，阴离子高分子絮凝剂不能吸附在带负电荷的质点表面，不能进行桥连，也就不絮凝剂不能吸附在带负电荷的质点表面，不能进行桥连，也就不会产生絮凝作用，在上述过程中，镁离子对絮凝过程有促进作用，会产生絮凝作用，在上述过程中，镁离子对絮凝过程有促进作用，使絮凝效果得到很大提高。使絮凝效果得到很大提高。 无机盐即反离子的作用在于首先压缩双电层降低悬浮粒子表面无机盐即反离子的作用在于首先压缩双电层降低悬浮粒子表面的的ZetaZeta电势，减少

52、阴离子高分子絮凝剂与悬浮粒子间的电斥能；电势，减少阴离子高分子絮凝剂与悬浮粒子间的电斥能；使阴离子絮凝剂能顺利完成吸附使阴离子絮凝剂能顺利完成吸附桥连桥连絮凝这一过程中发挥絮絮凝这一过程中发挥絮凝作用。凝作用。有机高分子絮凝剂应具备的条件有机高分子絮凝剂应具备的条件 1. 1.在介质中必须可溶。在介质中必须可溶。 2.2.高分子的链节上应具有能与固液悬浮体中的固体粒子间产生高分子的链节上应具有能与固液悬浮体中的固体粒子间产生桥连的吸附基团。例如，阳离子型的季铵基，阴离子型的羧钠基以桥连的吸附基团。例如，阳离子型的季铵基，阴离子型的羧钠基以及非离子型的氨基、羟基、酰胺基和羧基等。及非离子型的氨基

53、、羟基、酰胺基和羧基等。 3.3.大分子应是线型的，并有适合于分子伸展的条件。大分子应是线型的，并有适合于分子伸展的条件。 4.4.分子链应有一定长度，使其能将一部分吸附于颗粒上，而另分子链应有一定长度，使其能将一部分吸附于颗粒上，而另一部分则伸进溶液中，以便吸附另外的颗粒，产生桥连作用。一部分则伸进溶液中，以便吸附另外的颗粒，产生桥连作用。 5.5.固液悬浮体中的固体颗粒表面必须有以供高聚物架桥时空位固液悬浮体中的固体颗粒表面必须有以供高聚物架桥时空位10.12.210.12.2有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂种类1）有机阳离子高分子絮凝剂（丙烯酰胺共聚物）2）阴离子高分子絮

54、凝剂3）非离子高分子絮凝剂4）天然产物絮凝剂5）生物高分子絮凝剂1）阳离子型有机高分子絮凝剂阳离子型有机高分子絮凝剂 丙烯酰胺共聚物丙烯酰胺共聚物 ( a( a丙烯酰胺丙烯酰胺甲基丙烯酸甲基丙烯酸2 2羟基丙酯基三甲基氯化铵共聚物羟基丙酯基三甲基氯化铵共聚物 ( b( b 丙烯酰胺丙烯酰胺甲基丙烯酸乙酯基三甲基氯化铵共聚物甲基丙烯酸乙酯基三甲基氯化铵共聚物10.12.310.12.3天然产物絮凝剂天然产物絮凝剂 天然产物絮凝剂最大特点是易生物降解，不会造成二次污染。天然产物絮凝剂最大特点是易生物降解，不会造成二次污染。 (1)(1)纤维素衍生物纤维素衍生物 主要是水溶性纤维素衍生物如：羧甲基纤

55、维素钠盐、羟乙基纤维素和羟乙基羧甲主要是水溶性纤维素衍生物如：羧甲基纤维素钠盐、羟乙基纤维素和羟乙基羧甲基纤维素。基纤维素。 (2)(2)淀粉衍生物淀粉衍生物 阳离子淀粉阳离子淀粉氯化氯化2 2羟丙基三甲基铵化淀粉醚羟丙基三甲基铵化淀粉醚氯化氯化2 2羟丙基三甲基铵化丙烯酰胺接枝淀粉醚羟丙基三甲基铵化丙烯酰胺接枝淀粉醚阴离子淀粉醚阴离子淀粉醚 羧甲基淀粉醚羧甲基淀粉醚 StarchStarchO OCH2COONaCH2COONa 还有微生物酶作用于淀粉制取的环糊精絮凝剂。还有微生物酶作用于淀粉制取的环糊精絮凝剂。 (3)(3)多糖和各种树胶多糖和各种树胶 用黄单孢菌作用所产生的阴离子多糖制备阴离子多糖络合物可用于絮凝高岭土的水用黄单孢菌作用所产生的阴离子多糖制备阴离子多糖络合物可用于絮凝高岭土的水悬浮液。悬浮液。用半乳甘露多糖树胶的羧烷基醚澄清水，及聚半乳甘露多糖树胶的阳离子衍生物和多用半乳甘露多糖树胶的羧烷基醚澄