胶体化学核心知识点.doc

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1、,1. 胶体的定义及分类胶体（Colloid）又称胶状分散体（colloidal dispersion）是一种较均匀混合物，在胶体中含有两种不同状态的物质，一种分散相，另一种连续相。分散质的一部分是由微小的粒子或液滴所组成，分散质粒子直径在1100nm之间的分散系是胶体；胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系。按照分散剂状态不同分为：气溶胶以气体作为分散剂的分散体系。其分散质可以是液态或固态。（如烟、雾等）液溶胶以液体作为分散剂的分散体系。其分散质可以是气态、液态或固态。（如Fe(OH)3胶体）固溶胶以固体作为分散剂的分散体系。其分散质

2、可以是气态、液态或固态。（如有色玻璃、烟水晶）按分散质的不同可分为：粒子胶体、分子胶体。如：烟，云，雾是气溶胶，烟水晶，有色玻璃、水晶是固溶胶，蛋白溶液，淀粉溶液是液溶胶；淀粉胶体，蛋白质胶体是分子胶体，土壤是粒子胶体。2. 胶体的不同表征方式胶体分散体系分为单分散体系和多分散体系。单分散系表征可以用分散度、比表面积法（不规则形状包括单参数法，双参数法和多参数法）多分散体系可以用列表法、作图法，如粒子分布图，粒子累计分布图。用激光粒度分析仪测定。胶体的稳定性一般用zeta电位来表征。zeta电位为正，则胶粒带正电荷，zeta电位为负，则胶粒带负电荷。zeta电位绝对值越高，稳定性越好，分散度越

3、好，一般绝对值30mV说明分散程度很好。胶体的流变性表征黏度。可用毛细管黏度计，转筒黏度计测定。3.有两种利用光学性质测定胶体溶液浓度的仪器；比色计和浊度仪，分别说明它们的检测原理比色计 它是一种测量材料彩色特征的仪器。比色计主要用途是对所测材料的颜色、色调、色值进行测定及分析。工作原理：仪器自身带有一套从淡色到深色，分为红黄蓝三个颜色系列的标准滤色片。仪器 的工作原理是基于颜色相减混合匹配原理。罗维朋比色计目镜筒的光学系统将光线折射成90并将观察视场分成可同时观察的左右两个部分，其中一部分是观察样品色的视场；另一部分是观察参比色（即罗维朋色度单位标准滤色片）的视场。适当选择滤色片组合以达到与

4、被测样品颜色的最佳匹配，此时仪器显示的罗维朋滤色片量值即为被测样品的测量结果。浊度仪浊度仪，又称浊度计。可供水厂、电厂、工矿企业、实验室及野外实地对水样浑浊度的测试。 该仪器常用于饮用水厂办理QS认证时所需的必备检验设备。工作原理：浊度是表现水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中含有泥土、粉尘、微细有机物、浮游动物和其他微生物等悬浮物和胶体物都可使水中呈现浊度。浊度仪（浊度计）采用90散射光原理。由光源发出的平行光束通过溶液时，一部分被吸收和散射，另一部分透过溶液。与入射光成90方向的散射光强度符合雷莱公式：Is=(KNV2)/)I0其中：I0入射光强度 Is散射光强度 N单位溶液微粒数

5、V微粒体积 入射光波长 K系数在入射光恒定条件下，在一定浊度范围内，散射光强度与溶液的混浊度成正比。上式可表示为：Is/I0= KN （K为常数）根据这一公式，可以通过测量水样中微粒的散射光强度来测量水样的浊度。4.影响胶体粒子布朗运动位移的因素有哪些？布朗运动看起来复杂而无规则，在一定条件下，在一定时间内粒子所移动的平均位移却具有一定的数值。爱因斯坦利用分子运动论，假定胶体粒子为球形的前提下，提出如下布朗公式：x粒子沿X方向平均位移;t为观察时间;为介质粘度;r为粒子半径;NA阿伏加德罗常数扩散存在浓度梯度时，物质粒子因热运动（Brown运动）而发生宏观上的定向迁移现象，称为扩散。扩散的推动

6、力：浓度梯度描述扩散的基本定律：Fick第一定律和第二定律Fick第一定律（Ficks first law）：沿X方向发生扩散时，在dt时间通过截面积A的物质的量可表示为:D称为扩散系数，其物理意义是在单位浓度梯度下，在单位时间内通过单位截面的物质的量。D的单位m2s-1对于球形粒子，扩散系数D可用爱因斯坦斯托克斯方程计算：R和L分别为气体常数和阿伏加德罗常数;为介质粘度;r为球形粒子的半径;T为温度Fick第二定律（Ficks second law）：在扩散方向上某一位置的浓度随时间的变化率存在以下关系：1905年，爱因斯坦假设粒子为球形，推导出粒子在t时间的平均位移x与扩散系数D之间的关系

7、：上式著名的爱因斯坦布朗（Einstein-Brown）运动公式，它揭示了布朗运动与扩散的内在联系，扩散是布朗运动的宏观表现，布朗运动是扩散的基础。5.溶胶体系采用投加电解质的方法使胶粒脱稳，试说明电解质投加电解质投加的选用依据。电解质的聚沉能力有两种表示法：（1） 聚沉值（或临界聚沉浓度）：指定条件下，使胶体沉淀所需的最低浓度，以mmolL-1表示；（2） 聚沉率：即聚沉值的倒数。电解质起聚沉作用的是胶体粒子所带相反电荷的异号离子，异号离子价数越高，聚沉率也越高。M+:M2+:M3+=100:1.6:0.3=(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6上式括号中的分母就相当于异号离子的价数，这个

8、规则称为Schulze-Hardy规则。一价离子的聚沉值约在50150之间，二价离子在0.52之间，三价离子在0.050.1之间。电解质的聚沉能力不但与异号离子的价数有关，而且与其它因素也有关，这些因素是：（1） 异号离子的大小 同价离子的聚沉效率虽然接近，但仍有差别，特别是一价离子的差别比较明显，若将各离子按其聚沉能力的顺序排列，则一价正离子可排列为：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+一价负离子可排列为F-IO3-H2PO4-BrO3-Cl-ClO3-Br-I-SCN-（2） 同号离子的影响 与胶粒所带电荷相同的离子称同号离子，一般说来，它们对胶体有一定的稳定作用，可以降低异号离子的聚

9、沉能力。但也不完全如此，有些同号离子，特别是有机大离子，即使与胶体粒子电荷相同，也能呗胶粒所吸附，增加了异号离子的聚沉值。所以同号离子的影响尚无规律可循。（3） 不规则聚沉 在溶胶中加入少量电解质可以是溶胶聚沉，电解质浓度稍高，沉淀又重新分散形成溶胶，并使胶粒所带电荷改变符号。如果电解质的浓度再升高，可以是新形成的溶胶再次沉淀，这种现象称为不规则聚沉。不规则聚沉是胶体粒子对高价异号离子的强烈吸附的结果，少量电解质可以是胶体聚沉，但吸附过多的异号高价离子，是溶胶粒子又重新带异号离子的电荷，于是溶胶又重新稳定，所带电荷与原胶粒相反。再加入电解质后，由于电解质离子的作用，又使溶胶聚沉。此时电解质浓度

10、已经很高，在增加电解质也不能使沉淀在分散。（4） 相互聚沉现象 一般来说，带相同电荷的两种溶胶混合后没有变化，当然也有个别例外。若将两种相反电荷的溶胶相互混合，则发生聚沉，这叫做相互聚沉现象。聚沉的程度与两者的相对量有关，在胶粒所带电荷为零的附近沉淀得最完全。如果第二种溶胶的相对含量很小或很大时沉淀都不完全。产生相互聚沉现象的原因是可以把溶胶粒子看成一个巨大离子，所以溶胶的混合相似于加电解质的一种特殊情况。6.在水处理领域，面对多分散体系的胶体水溶液，可采用哪些单元操作进行分离，试说它们分别利用了胶体的哪些性质？絮凝 利用胶体双电层结构，通过添加絮凝剂，是胶体脱稳，凝聚成团，在通过重力作用下达

11、到固液分离。电泳 用于分离带不同电性的胶体，其在外电场作用下，分散相胶粒相对于静止介质作定向移动的电动现象，利用的是其电化学性质电渗析 用于分离不同胶粒大小的胶体，其在外电场作用下分散介质可在相对于与它接触精致的固体表面定向运动的性质。固体为多孔膜或极细的毛细管，利用不同胶体粒径大小不同和电化学的性质。7.电凝聚和化学混凝的基本原理是什么？各自有何优势特点？电凝聚法是指可溶性阳极在废水处理过程中通电溶解，产生的离子进一步反应生成羟基化合物与废水中的悬浮物、油类等物质凝聚沉淀从而达到净化废水的目的。以铝电极和铁电极为例阐述电凝聚法处理废水过程中所发生的有关反应：铝阳极反应：Al-3e-Al3+；

12、 Al3+（aq）+ 3H2OAl(OH)3 +3H+（aq）； 铁阳极反应：Fe-2e Fe2+； Fe2（aq）2OH- Fe(OH)2；4Fe(OH)2O2（g）2H2O 4Fe(OH)3； 阴极反应：3H2O +3e-（3/2）H2（g）+3OH-（aq）；电凝聚法处理废水的作用机理主要有电解凝聚、电气浮以及电解氧化还原三种：（1） 电解凝聚 以铝为电解阳极时，在电凝聚法处理废水的过程中所形成的单核羟基化合物主要有Al(OH)2+，Al(OH)22+，Al2(OH)24+，Al(OH)4；多核羟基化合物主要有 Al6(OH)153+，Al7(OH)174+，Al8(OH)204+，Al

13、13O4(OH)247+，Al13(OH)345+；以铁为阳极的电凝聚过程中所形成的羟基化合物主要有 Fe(OH)2+，Fe(OH)2+，Fe2(OH)24+，Fe(OH)4，Fe(H2O)2+，Fe(H2O)5OH2+，Fe(H2O)4(OH)2+，Fe(H2O)8(OH)24+，Fe2(H2O)6(OH)42+。这些羟基化合物可以充当絮凝剂与废水中的油类、悬浮物以及溶解有机物等凝聚聚合成大的絮体，然后沉淀到溶液底部，从而出去这一部分污染物。而且这些羟基络合离子具有的特殊的链式链式结构可以起到网捕和架桥的作用，是一种很强的吸附性能，也可以吸附废水中的部分污染物。（2） 电解气浮 在电凝聚法处

14、理废水的过程中，阴极产生 H2、阳极也会有少量 O2生成，这些气泡细小、均匀而且密度大，在上浮至水面的过程中可以将密度小的絮体携带至废水表面，从而达到净化废水的目的。 （3） 电解氧化还原 废水中常含有氯离子，在电解处理废水的过程中可以生成具有强氧化性的ClO-，它可以将废水中的部分氧化物催化氧化成水、二氧化碳以及无毒的小分子有机物，从而提高废水中COD的去除率。而且HClO、Cl2等具有杀菌作用，可以降低废水中微生物、细菌的活性，从而提高废水的生化活性。电凝聚的优缺点：电凝聚法作为处理废水的一种方法已经被人类使用了一百多年了，它具有以下几点优点: 处理废水的设备简单，仅需一个电解装置，而且设

15、备占地面积小； 操作容易，适用范围广； 反应过程无需添加化学药剂，所以减小了设备投资和处理成本； 该方法处理废水时具有电凝聚、电气浮以及氧化还原等作用，所以其处理效果高。 同时电凝聚法也具有一些缺点，主要表现在：电解过程阳极溶解会给废水带来二次污染；处理废水过程中电极容易钝化，影响处理效果；电导率低的废水使用此法进行处理会有很高的能耗；虽然电凝聚法处理废水应用已久，但是有关它的诸多理论还不是很成熟，所以其应用也受到一定得限制。化学混凝是水中胶体离子聚集的过程，通过适当的物理化学手段使均匀分散的稳定胶体颗粒失去动力稳定性、带电稳定性和溶剂化作用，促使微小胶体颗粒聚集、尺寸增大，从而使重力沉降作用

16、占主导地位易于实现固液分离，最终去除水中的胶体浊质颗粒。关于混凝原理主要有四个方面理论：压缩双电层作用、吸附电中和作用、吸附架桥作用、网捕卷扫作用；(1) 压缩双电层作用，较薄的双电层能够降低胶体颗粒的排斥势能，当排斥势能降到一定程度时，两胶体颗粒接近时就可以由原来的排斥力为主变成吸引力为主，胶体颗粒之间就会发生凝聚现象；(2) 吸附电中和作用是胶体颗粒表面吸附异号离子、胶体颗粒或电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶体颗粒间的静电斥力，使胶体颗粒更易于聚沉；(3) 吸附架桥作用是指分散体系中的胶体颗粒通过吸附有机或无机高分子物质架桥连接，凝集变大而发生的脱稳聚沉现象；(4

17、) 网捕卷扫是指投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物，这些水合金属氧化物体积收缩沉降时，会像多孔的网一样，将水中胶体颗粒和悬浮浊质颗粒捕获卷扫下来。化学混凝法操作简单易行、效果好、处理费用低、适应性强。8.对于大豆蛋白工业废水，拟采用何种处理方法？说明理由。大豆蛋白废水是在大豆蛋白生产过程中产生的废水，属于高浓度有机废水。近年来，我国大豆蛋白生产加工行业飞速发展，己成为全球最大的大豆蛋白出口国，相应地也产生了大量的废水。据统计，年产万吨的大豆蛋白生产企业每天可排放超过1000吨乳清废水。大豆蛋白废水的特点是：成分较复杂，有机物含量高（以糖类和蛋白质为主

18、，包括鹿糖、大豆球蛋白以及大豆乳清蛋白等，水质水量变化大，对废水处理设施的冲击性大等。该废水的处理目前多采用生物处理工艺。然而,对于乳清废水这种高蛋白废水,无论是活性污泥法还是厌氧处理工艺都不太理想;此外,在常规的生物处理中,越来越突出的另一个问题是污泥的处置。活性污泥法将BOD的40%60%转化为剩余污泥,而厌氧处理也会导致一部分有机物转化为剩余污泥,污泥的填埋需要大量的土地,而污泥堆肥技术多年来也一直未能得到有效发展和应用。将高浓度有机废水当作纯粹的“废水”进行处理而不将其作为资源利用起来,是很不合适的。如果能有效地回收其中的蛋白质和低聚糖,不仅回收了有用资源,而且净化了污水.有研究表明,

19、膜分离技术是实现这一目的的有效途径.采用超滤膜分离其中的蛋白质,可将原液中的COD降到800010000mg /L,再以纳滤膜提取其中的低聚糖,可将COD值进一步降低到100mg /L以下,剩下的废水送污水处理站以生化方法进行处理。据研究，大豆蛋白废水中含有分子量300-700Da的低聚糖和2000-20000Da的大豆乳清蛋白，因此膜处理技术可以回收利用这些有效成分。采用多级串联膜设备对大豆乳清废水中的有用成份进行了分离提取。车间排出的废水，经杀菌、冷却沉降、调pH至2.5等预处理后，上清液经超滤截留乳清蛋白。浓缩液经浓缩干燥制得大豆乳清蛋白，透过液则继续进入下一步纳滤。纳滤中大部分大豆低聚糖被截留，浓缩液经脱色、过滤和稀释后进入二级纳滤进行水洗脱盐的纯化。二级纳滤的浓缩液经浓缩干燥制得大豆低聚糖。同时，两级纳滤透过液经两级串联反渗透系统进行除盐。盐水进入污水处理站被处理，而净化后的水则返回至生产车间被用作浸出用水等再利用.