膠體化學(xué)核心知識點.docx

1、1. 膠體的定義及分類膠體（Colloid）又稱膠狀分散體（colloidal dispersion）是一種較均勻混合物，在膠體中含有兩種不同狀態(tài)的物質(zhì)，一種分散相，另一種連續(xù)相。分散質(zhì)的一部分是由微小的粒子或液滴所組成，分散質(zhì)粒子直徑在1100nm之間的分散系是膠體；膠體是一種分散質(zhì)粒子直徑介于粗分散體系和溶液之間的一類分散體系，這是一種高度分散的多相不均勻體系。按照分散劑狀態(tài)不同分為：氣溶膠以氣體作為分散劑的分散體系。其分散質(zhì)可以是液態(tài)或固態(tài)。（如煙、霧等）液溶膠以液體作為分散劑的分散體系。其分散質(zhì)可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。（如Fe(OH)3膠體）固溶膠以固體作為分散劑的分散體系。其分散質(zhì)可

2、以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。（如有色玻璃、煙水晶）按分散質(zhì)的不同可分為：粒子膠體、分子膠體。如：煙，云，霧是氣溶膠，煙水晶，有色玻璃、水晶是固溶膠，蛋白溶液，淀粉溶液是液溶膠；淀粉膠體，蛋白質(zhì)膠體是分子膠體，土壤是粒子膠體。2. 膠體的不同表征方式膠體分散體系分為單分散體系和多分散體系。單分散系表征可以用分散度、比表面積法（不規(guī)則形狀包括單參數(shù)法，雙參數(shù)法和多參數(shù)法）多分散體系可以用列表法、作圖法，如粒子分布圖，粒子累計分布圖。用激光粒度分析儀測定。膠體的穩(wěn)定性一般用zeta電位來表征。zeta電位為正，則膠粒帶正電荷，zeta電位為負(fù)，則膠粒帶負(fù)電荷。zeta電位絕對值越高，穩(wěn)定性越好，分散度越好

3、，一般絕對值30mV說明分散程度很好。膠體的流變性表征黏度?？捎妹?xì)管黏度計，轉(zhuǎn)筒黏度計測定。3.有兩種利用光學(xué)性質(zhì)測定膠體溶液濃度的儀器；比色計和濁度儀，分別說明它們的檢測原理比色計 它是一種測量材料彩色特征的儀器。比色計主要用途是對所測材料的顏色、色調(diào)、色值進(jìn)行測定及分析。工作原理：儀器自身帶有一套從淡色到深色，分為紅黃藍(lán)三個顏色系列的標(biāo)準(zhǔn)濾色片。儀器 的工作原理是基于顏色相減混合匹配原理。羅維朋比色計目鏡筒的光學(xué)系統(tǒng)將光線折射成90并將觀察視場分成可同時觀察的左右兩個部分，其中一部分是觀察樣品色的視場；另一部分是觀察參比色（即羅維朋色度單位標(biāo)準(zhǔn)濾色片）的視場。適當(dāng)選擇濾色片組合以達(dá)到與被

4、測樣品顏色的最佳匹配，此時儀器顯示的羅維朋濾色片量值即為被測樣品的測量結(jié)果。濁度儀濁度儀，又稱濁度計。可供水廠、電廠、工礦企業(yè)、實驗室及野外實地對水樣渾濁度的測試。 該儀器常用于飲用水廠辦理QS認(rèn)證時所需的必備檢驗設(shè)備。工作原理：濁度是表現(xiàn)水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。水中含有泥土、粉塵、微細(xì)有機(jī)物、浮游動物和其他微生物等懸浮物和膠體物都可使水中呈現(xiàn)濁度。濁度儀（濁度計）采用90散射光原理。由光源發(fā)出的平行光束通過溶液時，一部分被吸收和散射，另一部分透過溶液。與入射光成90方向的散射光強(qiáng)度符合雷萊公式：Is=(KNV2)/)I0其中：I0入射光強(qiáng)度 Is散射光強(qiáng)度 N單位溶液微粒數(shù)V

5、微粒體積 入射光波長 K系數(shù)在入射光恒定條件下，在一定濁度范圍內(nèi)，散射光強(qiáng)度與溶液的混濁度成正比。上式可表示為：Is/I0= KN （K為常數(shù)）根據(jù)這一公式，可以通過測量水樣中微粒的散射光強(qiáng)度來測量水樣的濁度。4.影響膠體粒子布朗運動位移的因素有哪些？布朗運動看起來復(fù)雜而無規(guī)則，在一定條件下，在一定時間內(nèi)粒子所移動的平均位移卻具有一定的數(shù)值。愛因斯坦利用分子運動論，假定膠體粒子為球形的前提下，提出如下布朗公式：x粒子沿X方向平均位移;t為觀察時間;為介質(zhì)粘度;r為粒子半徑;NA阿伏加德羅常數(shù)擴(kuò)散存在濃度梯度時，物質(zhì)粒子因熱運動（Brown運動）而發(fā)生宏觀上的定向遷移現(xiàn)象，稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散的推動力

6、：濃度梯度描述擴(kuò)散的基本定律：Fick第一定律和第二定律Fick第一定律（Ficks first law）：沿X方向發(fā)生擴(kuò)散時，在dt時間通過截面積A的物質(zhì)的量可表示為:D稱為擴(kuò)散系數(shù)，其物理意義是在單位濃度梯度下，在單位時間內(nèi)通過單位截面的物質(zhì)的量。D的單位m2s-1對于球形粒子，擴(kuò)散系數(shù)D可用愛因斯坦斯托克斯方程計算：R和L分別為氣體常數(shù)和阿伏加德羅常數(shù);為介質(zhì)粘度;r為球形粒子的半徑;T為溫度Fick第二定律（Ficks second law）：在擴(kuò)散方向上某一位置的濃度隨時間的變化率存在以下關(guān)系：1905年，愛因斯坦假設(shè)粒子為球形，推導(dǎo)出粒子在t時間的平均位移x與擴(kuò)散系數(shù)D之間的關(guān)系：

7、上式著名的愛因斯坦布朗（Einstein-Brown）運動公式，它揭示了布朗運動與擴(kuò)散的內(nèi)在聯(lián)系，擴(kuò)散是布朗運動的宏觀表現(xiàn)，布朗運動是擴(kuò)散的基礎(chǔ)。5.溶膠體系采用投加電解質(zhì)的方法使膠粒脫穩(wěn)，試說明電解質(zhì)投加電解質(zhì)投加的選用依據(jù)。電解質(zhì)的聚沉能力有兩種表示法：（1） 聚沉值（或臨界聚沉濃度）：指定條件下，使膠體沉淀所需的最低濃度，以mmolL-1表示；（2） 聚沉率：即聚沉值的倒數(shù)。電解質(zhì)起聚沉作用的是膠體粒子所帶相反電荷的異號離子，異號離子價數(shù)越高，聚沉率也越高。M+:M2+:M3+=100:1.6:0.3=(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6上式括號中的分母就相當(dāng)于異號離子的價數(shù)，這個規(guī)

8、則稱為Schulze-Hardy規(guī)則。一價離子的聚沉值約在50150之間，二價離子在0.52之間，三價離子在0.050.1之間。電解質(zhì)的聚沉能力不但與異號離子的價數(shù)有關(guān)，而且與其它因素也有關(guān)，這些因素是：（1） 異號離子的大小 同價離子的聚沉效率雖然接近，但仍有差別，特別是一價離子的差別比較明顯，若將各離子按其聚沉能力的順序排列，則一價正離子可排列為：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+一價負(fù)離子可排列為F-IO3-H2PO4-BrO3-Cl-ClO3-Br-I-SCN-（2） 同號離子的影響 與膠粒所帶電荷相同的離子稱同號離子，一般說來，它們對膠體有一定的穩(wěn)定作用，可以降低異號離子的聚沉

9、能力。但也不完全如此，有些同號離子，特別是有機(jī)大離子，即使與膠體粒子電荷相同，也能唄膠粒所吸附，增加了異號離子的聚沉值。所以同號離子的影響尚無規(guī)律可循。（3） 不規(guī)則聚沉 在溶膠中加入少量電解質(zhì)可以是溶膠聚沉，電解質(zhì)濃度稍高，沉淀又重新分散形成溶膠，并使膠粒所帶電荷改變符號。如果電解質(zhì)的濃度再升高，可以是新形成的溶膠再次沉淀，這種現(xiàn)象稱為不規(guī)則聚沉。不規(guī)則聚沉是膠體粒子對高價異號離子的強(qiáng)烈吸附的結(jié)果，少量電解質(zhì)可以是膠體聚沉，但吸附過多的異號高價離子，是溶膠粒子又重新帶異號離子的電荷，于是溶膠又重新穩(wěn)定，所帶電荷與原膠粒相反。再加入電解質(zhì)后，由于電解質(zhì)離子的作用，又使溶膠聚沉。此時電解質(zhì)濃度已

10、經(jīng)很高，在增加電解質(zhì)也不能使沉淀在分散。（4） 相互聚沉現(xiàn)象 一般來說，帶相同電荷的兩種溶膠混合后沒有變化，當(dāng)然也有個別例外。若將兩種相反電荷的溶膠相互混合，則發(fā)生聚沉，這叫做相互聚沉現(xiàn)象。聚沉的程度與兩者的相對量有關(guān)，在膠粒所帶電荷為零的附近沉淀得最完全。如果第二種溶膠的相對含量很小或很大時沉淀都不完全。產(chǎn)生相互聚沉現(xiàn)象的原因是可以把溶膠粒子看成一個巨大離子，所以溶膠的混合相似于加電解質(zhì)的一種特殊情況。6.在水處理領(lǐng)域，面對多分散體系的膠體水溶液，可采用哪些單元操作進(jìn)行分離，試說它們分別利用了膠體的哪些性質(zhì)？絮凝 利用膠體雙電層結(jié)構(gòu)，通過添加絮凝劑，是膠體脫穩(wěn)，凝聚成團(tuán)，在通過重力作用下達(dá)到

11、固液分離。電泳 用于分離帶不同電性的膠體，其在外電場作用下，分散相膠粒相對于靜止介質(zhì)作定向移動的電動現(xiàn)象，利用的是其電化學(xué)性質(zhì)電滲析 用于分離不同膠粒大小的膠體，其在外電場作用下分散介質(zhì)可在相對于與它接觸精致的固體表面定向運動的性質(zhì)。固體為多孔膜或極細(xì)的毛細(xì)管，利用不同膠體粒徑大小不同和電化學(xué)的性質(zhì)。7.電凝聚和化學(xué)混凝的基本原理是什么？各自有何優(yōu)勢特點？電凝聚法是指可溶性陽極在廢水處理過程中通電溶解，產(chǎn)生的離子進(jìn)一步反應(yīng)生成羥基化合物與廢水中的懸浮物、油類等物質(zhì)凝聚沉淀從而達(dá)到凈化廢水的目的。以鋁電極和鐵電極為例闡述電凝聚法處理廢水過程中所發(fā)生的有關(guān)反應(yīng)：鋁陽極反應(yīng)：Al-3e-Al3+；

12、Al3+（aq）+ 3H2OAl(OH)3 +3H+（aq）； 鐵陽極反應(yīng)：Fe-2e Fe2+； Fe2（aq）2OH- Fe(OH)2；4Fe(OH)2O2（g）2H2O 4Fe(OH)3； 陰極反應(yīng)：3H2O +3e-（3/2）H2（g）+3OH-（aq）；電凝聚法處理廢水的作用機(jī)理主要有電解凝聚、電氣浮以及電解氧化還原三種：（1） 電解凝聚 以鋁為電解陽極時，在電凝聚法處理廢水的過程中所形成的單核羥基化合物主要有Al(OH)2+，Al(OH)22+，Al2(OH)24+，Al(OH)4；多核羥基化合物主要有 Al6(OH)153+，Al7(OH)174+，Al8(OH)204+，Al1

13、3O4(OH)247+，Al13(OH)345+；以鐵為陽極的電凝聚過程中所形成的羥基化合物主要有 Fe(OH)2+，F(xiàn)e(OH)2+，F(xiàn)e2(OH)24+，F(xiàn)e(OH)4，F(xiàn)e(H2O)2+，F(xiàn)e(H2O)5OH2+，F(xiàn)e(H2O)4(OH)2+，F(xiàn)e(H2O)8(OH)24+，F(xiàn)e2(H2O)6(OH)42+。這些羥基化合物可以充當(dāng)絮凝劑與廢水中的油類、懸浮物以及溶解有機(jī)物等凝聚聚合成大的絮體，然后沉淀到溶液底部，從而出去這一部分污染物。而且這些羥基絡(luò)合離子具有的特殊的鏈?zhǔn)芥準(zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可以起到網(wǎng)捕和架橋的作用，是一種很強(qiáng)的吸附性能，也可以吸附廢水中的部分污染物。（2） 電解氣浮 在電凝聚法處理

14、廢水的過程中，陰極產(chǎn)生 H2、陽極也會有少量 O2生成，這些氣泡細(xì)小、均勻而且密度大，在上浮至水面的過程中可以將密度小的絮體攜帶至廢水表面，從而達(dá)到凈化廢水的目的。 （3） 電解氧化還原 廢水中常含有氯離子，在電解處理廢水的過程中可以生成具有強(qiáng)氧化性的ClO-，它可以將廢水中的部分氧化物催化氧化成水、二氧化碳以及無毒的小分子有機(jī)物，從而提高廢水中COD的去除率。而且HClO、Cl2等具有殺菌作用，可以降低廢水中微生物、細(xì)菌的活性，從而提高廢水的生化活性。電凝聚的優(yōu)缺點：電凝聚法作為處理廢水的一種方法已經(jīng)被人類使用了一百多年了，它具有以下幾點優(yōu)點: 處理廢水的設(shè)備簡單，僅需一個電解裝置，而且設(shè)備

15、占地面積?。?操作容易，適用范圍廣； 反應(yīng)過程無需添加化學(xué)藥劑，所以減小了設(shè)備投資和處理成本； 該方法處理廢水時具有電凝聚、電氣浮以及氧化還原等作用，所以其處理效果高。 同時電凝聚法也具有一些缺點，主要表現(xiàn)在：電解過程陽極溶解會給廢水帶來二次污染；處理廢水過程中電極容易鈍化，影響處理效果；電導(dǎo)率低的廢水使用此法進(jìn)行處理會有很高的能耗；雖然電凝聚法處理廢水應(yīng)用已久，但是有關(guān)它的諸多理論還不是很成熟，所以其應(yīng)用也受到一定得限制?；瘜W(xué)混凝是水中膠體離子聚集的過程，通過適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)手段使均勻分散的穩(wěn)定膠體顆粒失去動力穩(wěn)定性、帶電穩(wěn)定性和溶劑化作用，促使微小膠體顆粒聚集、尺寸增大，從而使重力沉降作用占

16、主導(dǎo)地位易于實現(xiàn)固液分離，最終去除水中的膠體濁質(zhì)顆粒。關(guān)于混凝原理主要有四個方面理論：壓縮雙電層作用、吸附電中和作用、吸附架橋作用、網(wǎng)捕卷掃作用；(1) 壓縮雙電層作用，較薄的雙電層能夠降低膠體顆粒的排斥勢能，當(dāng)排斥勢能降到一定程度時，兩膠體顆粒接近時就可以由原來的排斥力為主變成吸引力為主，膠體顆粒之間就會發(fā)生凝聚現(xiàn)象；(2) 吸附電中和作用是膠體顆粒表面吸附異號離子、膠體顆?；螂姾傻母叻肿?，從而中和了膠體顆粒本身所帶部分電荷，減少了膠體顆粒間的靜電斥力，使膠體顆粒更易于聚沉；(3) 吸附架橋作用是指分散體系中的膠體顆粒通過吸附有機(jī)或無機(jī)高分子物質(zhì)架橋連接，凝集變大而發(fā)生的脫穩(wěn)聚沉現(xiàn)象；(4)

17、 網(wǎng)捕卷掃是指投加到水中的鋁鹽、鐵鹽等混凝劑水解后形成大量的具有三維立體結(jié)構(gòu)的水合金屬氧化物，這些水合金屬氧化物體積收縮沉降時，會像多孔的網(wǎng)一樣，將水中膠體顆粒和懸浮濁質(zhì)顆粒捕獲卷掃下來?；瘜W(xué)混凝法操作簡單易行、效果好、處理費用低、適應(yīng)性強(qiáng)。8.對于大豆蛋白工業(yè)廢水，擬采用何種處理方法？說明理由。大豆蛋白廢水是在大豆蛋白生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水，屬于高濃度有機(jī)廢水。近年來，我國大豆蛋白生產(chǎn)加工行業(yè)飛速發(fā)展，己成為全球最大的大豆蛋白出口國，相應(yīng)地也產(chǎn)生了大量的廢水。據(jù)統(tǒng)計，年產(chǎn)萬噸的大豆蛋白生產(chǎn)企業(yè)每天可排放超過1000噸乳清廢水。大豆蛋白廢水的特點是：成分較復(fù)雜，有機(jī)物含量高（以糖類和蛋白質(zhì)為主，

18、包括鹿糖、大豆球蛋白以及大豆乳清蛋白等，水質(zhì)水量變化大，對廢水處理設(shè)施的沖擊性大等。該廢水的處理目前多采用生物處理工藝。然而,對于乳清廢水這種高蛋白廢水,無論是活性污泥法還是厭氧處理工藝都不太理想;此外,在常規(guī)的生物處理中,越來越突出的另一個問題是污泥的處置。活性污泥法將BOD的40%60%轉(zhuǎn)化為剩余污泥,而厭氧處理也會導(dǎo)致一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為剩余污泥,污泥的填埋需要大量的土地,而污泥堆肥技術(shù)多年來也一直未能得到有效發(fā)展和應(yīng)用。將高濃度有機(jī)廢水當(dāng)作純粹的“廢水”進(jìn)行處理而不將其作為資源利用起來,是很不合適的。如果能有效地回收其中的蛋白質(zhì)和低聚糖,不僅回收了有用資源,而且凈化了污水.有研究表明,膜分離技術(shù)是實現(xiàn)這一目的的有效途徑.采用超濾膜分離其中的蛋白質(zhì),可將原液中的COD降到800010000mg /L,再以納濾膜提取其中的低聚糖,可將COD值進(jìn)一步降低到100mg /L以下,剩下的廢水送污水處理站以生化方法進(jìn)行處理。據(jù)研究，大豆蛋白廢水中含有