当前课程知识点：Water and Wastewater Treatment Engineering: Physicochemical Technology > Chapter 1 Coagulation and flocculation > 1-2 Properties of colloids > 1-2 Properties of colloids
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同学们好，接下来我们学习混凝的第2节胶体的主要性质
在前面混凝概述中
我们给同学们介绍了混凝去除的对象主要是胶体
那下面呢，我们就先来看看胶体都有哪些性质
首先胶体具有双电层结构
大家来看看，这是胶体微粒结构的一个示意图
胶体微粒的中心是胶核
在胶核的表面由于吸附、表面溶解等原因，会带有电荷
使胶核表面具有一定的电势
因此，这种离子称为电势形成离子
由于胶核带电，必然就会存在静电引力的作用
这样就会吸引溶液中的异号离子，在这里我们称为反离子
向胶核表面趋近
而这些异号离子同时还由于本身存在热运动
和液体对这些异号离子的溶剂化作用
而远离胶核表面，向溶液中扩散
这两种力综合作用使得靠近胶核表面处的反离子的浓度大
而随着与胶核表面距离的增加，反离子的浓度逐渐减小
最后等于溶液中离子的平均浓度
这样，电势形成离子层和反离子层就构成了胶体的双电层结构
对于反离子，在靠近胶核表面
由于胶核表面电势形成离子的静电引力很强
部分反离子会紧附在胶核表面，并随着胶核一起移动
这一层反离子我们称为束缚反离子，它与胶核组成吸附层
吸附层一般很薄，薄到什么程度呢？
一般只有几个离子的大小，约一个分子的尺寸
吸附层之外就是扩散层
吸附层内的反离子由于受到的静电引力减弱
因此在胶体微粒运动时，就会与胶体表面脱开而与液体一起运动
这里我们称为自由反离子
通常将胶核与吸附层合在一起，我们称为胶粒
而胶粒与扩散层合在一起就组成了胶团
由于胶核表面吸附的异号反离子总是比吸附层中的异号反离子多
所以胶粒是带电的，而整个胶团是电中性的
胶核表面吸附的离子所形成的电势称为总电势，这里我们称为φ电势
而当胶核在滑动时所具有的电势
也就是说在滑动面上的电势，我们称为ζ电势，也称为电动电势
最紧的滑动面就是我们吸附层的边界
一般情况下滑动面在吸附层边界外
但在胶体化学中，通常我们将吸附层边界视为滑动面
对于某类胶体来讲，总电势φ电势是一个定值
一般是测定不出来的，也没有实用意义
而ζ电势由于它是表征了胶体稳定性的一个重要指标
在我们水处理中具有十分重要的意义，而且我们可以通过实验测定出来
那我们用什么方法可以测定出ζ电势呢？
一般我们可以根据带电胶粒在电场中的运动速度
ζ电势就可以通过电泳法、电渗法、流动电位法等进行测定
在水中我们常见的胶体颗粒，一般它的ζ电势究竟有多大呢？
一般我们在水中常见的杂质，比如说粘土颗粒，它的主成分是SiO2
细菌颗粒主成分是蛋白质，那么这些胶体通常都带负电
ζ电势一般在负十几到负几十mV范围内
当然这些胶体颗粒的ζ电势值
还会随溶液温度、pH值及反离子浓度等外界条件而发生变化
根据胶核表面是否带有极性基团
通常我们还可以把胶体分为憎水胶体和亲水胶体
憎水胶体是指胶核表面不带极性基团
比如-OH、-COOH、-NH2等
在胶体的吸附层中
反离子受电势形成离子的静电吸引而直接与胶核接触
水分子不直接接触胶核
一般无机胶体颗粒，如水中的粘土颗粒就属于这类胶体
这就是我们前面介绍的胶体的一般结构
而如果胶核表面带有极性基团，情况就会有所不同
由于这些极性基团对水分子具有良好的亲和性
就会导致水分子优先吸附在胶核表面
形成一层水化膜，这就是亲水性胶体
这类胶体绝大多数一般都是相对分子质量很大的
高分子化合物或聚合物，比如蛋白质等
憎水胶体的双电层和亲水胶体的水化膜都具有一定的厚度
这个厚度是决定胶体是否稳定的主要因素
那下面，我们就来看看什么是胶体的稳定性？
胶体的稳定性一般是指胶体粒子在水中能够保持分散悬浮状态的特性
其实我们从胶体化学角度来看
胶体溶液并非是真正的稳定体系
但是从水处理工程的角度来看
由于胶体和细小的悬浮物在重力场的沉降速度十分缓慢
因此可以近似被认为是稳定的
比如我们举个例子，一个粒径在1微米的粘土颗粒
在重力场如果沉降10cm大约需要多长时间呢？
大约需要20h
而在水处理中，通常水在沉淀池中的停留时间有多长呢？
大概时间只有几个小时
因此，胶体颗粒在停留时间有限的沉淀池中是难以沉淀下来的
因此它的沉降性可以忽略，所以我们认为是稳定的
那胶体颗粒为什么会稳定呢？
胶体的稳定性主要与动力学稳定性和聚集稳定性有关
动力学稳定性是指什么呢？
它是指胶体颗粒在水分子热运动的影响下
产生布朗运动，抵抗重力的影响
从而长期悬浮在水中，保持稳定的能力
因此颗粒越小，动力学稳定性就越高
聚集稳定性又是指什么呢？
聚集稳定性是指胶体颗粒之间不能互相聚集的能力
胶体颗粒很小，具有巨大的表面自由能
有较大的吸附能力，又具有布朗运动的特征
按理说，似乎胶体颗粒之间有相互碰撞的机会
聚集成大的颗粒，然后可以在重力的作用下下沉
但是由于胶体带电，同性电荷会产生相互排斥的作用
或者由于水化膜的阻碍作用
使胶体颗粒之间不能发生碰撞和聚集
因此胶体就会表现出聚集稳定性
但如果胶体表面电荷或水化膜消失，聚集稳定性就会消失
小颗粒胶体就有可能相互聚集成大的颗粒
从而动力学稳定性也就会随之破坏
因此胶体稳定性的关键在于聚集稳定性
对于胶体的稳定性
我们还可以进一步从两个胶体粒子之间的相互作用力
及其与两胶粒之间的距离关系来进一步解释
这里我们以憎水胶体为例来进行介绍
这个图的纵坐标上面表示了两个胶粒之间的排斥势能，这里我们用ER表示
下面表示了吸引势能，用EA表示
横坐标表示了两胶粒之间的距离
当两个胶粒相互接近至双电层发生重叠时
就会产生静电斥力
该排斥势能与两个胶粒之间的距离x有关
随着x增大按指数关系减少
两胶粒之间越接近，排斥势能也就越大
而另一方面，两胶粒之间还存在着范德华引力
由范德华引力造成的吸引势能与两个胶粒之间距离的6次方成反比
将排斥势能和吸引势能相加，我们就得到总势能E
由这个图我们可以看到
总势能E随胶粒间的距离x而发生变化
当胶粒间的距离x很近，小于oa时
吸引势能占优势，两个胶粒相互吸引，胶体失去稳定性
但是，当两个胶粒的距离较远，比如说大于oa，小于oc时
排斥势能占优势，胶体处于稳定状态
当两胶粒间的距离在ob时，排斥势能达到最大
这个点称为排斥能峰，用Emax来表示
前面我们谈到，胶体颗粒还存在布朗运动
如果布朗运动的能量能够大于排斥能峰的话
那么胶粒就有可能在布朗运动的推动下越过排斥能峰
进入吸引势能区域，而发生碰撞和凝聚
但布朗运动的能量通常比排斥能峰小很多
因此胶粒在一般情况下是不能自发发生碰撞和凝聚的
从这个图中我们还可以看到，当胶粒之间的距离x大于oc时
两个胶粒间会表现出相互吸引的趋势
可以发生远距离的相互吸引
但由于排斥能峰这一屏障的存在，两个胶粒仍然无法靠近
因此只有当胶粒间的距离小于oa时，才会发生碰撞和凝聚
关于胶体颗粒之间的相互作用能的关系
是由原苏联的德加根（Derjaguin）、兰道（Landon）
和荷兰的伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）四位科学家提出来的
后人为了纪念他们在这个领域的贡献
取他们名字的首字母，把这一理论称为DLVO理论
由于DLVO理论是以憎水胶体为对象推导出来的
因此只适用于憎水胶体的情况
从前面的介绍可以看到
造成胶体稳定性的主要原因是胶粒之间存在排斥能峰
如果我们能降低这个排斥能峰
就可以引起胶体颗粒发生碰撞、脱稳，最后形成絮凝体
而要使排斥能峰降低的一个关键就是要使胶体的ζ电势降低
也就是说需要降低胶粒之间的静电斥力
在胶体化学中，降低胶粒静电斥力的一个办法就是向胶体溶液中投加电解质
而在我们水处理中，就是加入混凝剂，使胶粒脱稳和凝聚
今天关于胶体的主要性质我们就先介绍到这儿，谢谢
-0-2 Water treatment process
-0-3 Wastewater treatment process
--0-3 Wastewater treatment process
-Chap 0 Homeworks
-1-1 Introduction
-1-2 Properties of colloids
-1-3 Mechanisms and process of coagulation and flocculation
--1-3 Mechanisms of coagulation and flocculation
-1-4 Coagulant and coagulant aids
-- 1-4 Coagulant and coagulant aids
-1-5 Kinetics of coagulation and flocculation
--1-5 Kinetics of coagulation and flocculation
-1-6 Factors affecting the coagulation performance
--1-6 Factors affecting the coagulation performance
-1-7 Facilities for coagulation and flocculation
--1-7 Facilities for coagulation and flocculation
-Chapter 1 Homeworks
-2-1 Introduction
-2-2 Discrete particle settling
--2-2 Discrete particle settling
-2-3 Flocculent settling
-2-4 Zone settling
-2-5 Rectangular settling tank
--2-5 Rectangular settling tanks
-2-6 Process calculation of rectangular settling tanks
--2-6 Process calculation of rectangular settling tanks
-2-7 Vertical Flow (up-flow ) and radial flow settling tank
--2-7 Vertical Flow (up-flow ) and radial flow settling tank
-2-8 Plated sedimentation tank
--2-8 Plated sedimentation tank
-2-9 Clarification pool
-3D interactive demonstration for settling tanks
-Chapter 2 Homework (part 1)
-Chapter 2 Homework (part 2)
-3-1 Introduction
-3-2 Theoretical foundation of air floatation
--3-2 Theoretical foundation of air floatation
-3-3 Pressurized dissolved air flotation
--3-3 Pressurized dissolved air flotation
-Chapter 3 Homework
-4-1 Introduction
-4-2 Structure and process of conventional rapid filter
--4-2 Structure and process of conventional rapid filter
-4-3 Water head loss of filter
--4-3 Water head loss of filter
-4-4 Filtration method of filter
--4-4 Filtration method of filter
-4-5 Filter media
-4-6 Water distribution system
--4-6 Water distribution system
-4-7 Filter backwashing
-4-8 Siphon filter
-4-9 Gravity valveless filter
--4-9 Gravity valveless filter
-4-10 Movable hood filter
-3D interactive demonstration for filtration tanks
--Usage and description for 3-D demonstration
-Chapter 4 Homework
-5-1 Introduction
-5-2 Influence factors of disinfection
--5-2 Influence factors of disinfection
-5-3 Chlorine disinfection
-5-4 Chlorine dioxide disinfection
--5-4 Chlorine dioxide disinfection
-5-5 Ultraviolet disinfection
--5-5 Ultraviolet disinfection
-Chapter 5 Homework
-6-1 Ion-exchange resin
-6-2 Properties of ion-exchange reactions
--6-2 Properties of ion-exchange reactions
-6-3 Properties of cation exchange resin
--6-3 Properties of cation exchange resin
-6-4 Properties of anion exchange resin
--6-4 Properties of anion exchange resin
-6-5 Softening system using ion exchange
--6-5 Softening system using ion exchange
-6-6 Desalination system using ion exchange
--6-6 Desalination system using ion exchange
-6-7 Ion-exchange equipment
-6-8 Treatment of industrial wastewater by ion-exchange method
--6-8 Treatment of industrial wastewater by ion-exchange method
-Chapter 6 Homework
-7-1 Introduction
-7-2 Principle and characteristics of electrodialysis
--7-2 Principle and characteristics of electrodialysis
-7-3 Configuration of electrodialysis unit
--7-3 Configuration of electrodialysis unit
-7-4 Operating parameters for electrodialysis unit
--7-4 Operating parameters for electrodialysis unit
-7-5 Principle and process of reverse osmosis
--7-5 Principle and process of reverse osmosis
-7-6 Operating parameters for reverse osmosis
--7-6 Operating parameters for reverse osmosis
-7-7 Principles and characteristics of UF and MF
--7-7 Principles and characteristics of UF and MF
-7-8 Design of ultrafiltration and microfiltration process
--7-8 Design of ultrafiltration and microfiltration process
-Chapter 7 Homework
-8-1 Fundamental knowledge and classification
--8-1 Fundamental knowledge and classification
-8-2 Ozonation
-8-3 Photo-catalytic oxidation
--8-3 Photo-catalytic oxidation
-8-4 Supercritical water oxidation
--8-4 Supercritical water oxidation
-8-5 Electrolysis
-Chapter 8 Homework
-9-1 Introduction
-9-2 Adsorption equilibrium and adsorption isotherm
--9-2 Adsorption equilibrium and adsorption isotherm
-9-3 Adsorption breakthrough curve
--9-3 Adsorption breakthrough curve
-Chapter 9 Homework
