重力场和电解质浓度对胶体凝聚体分形结构的影响
土壤学问题答疑
《土壤与土壤地理学》问题答疑１、硅铝铁率：土壤中的所有硅折合成二氧化硅，所有铁折合成氧化铁，所有铝折合成氧化铝后，二氧化硅与氧化铁和氧化铝总量的分子比率。
２、土壤背景值：处于某一演化阶段的未受人为活动影响的自然土壤中元素的组成和含量，称土壤背景值。
３、富铝化过程：风化过程中，矿物中盐基离子释放出来而形成中性或微碱性环境，此时所发生的氧化硅淋失，氧化铁和氧化铝相对富集的过程称富铝化过程。
４、土壤环境容量：土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准，即保证农产品产量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤所能允许承纳的污染物最大数量或负荷。
５、土壤质地：土壤中不同大小粒级土粒的构成状况称土壤的机械组成。
根据土壤机械组成状况划分的土壤类别名称，称土壤质地。
或：土壤中，根据不同大小粒级土粒的构成状况而划分的土壤类别名称，称土壤质地。
６、土壤质量：在自然或人类管理的生态系统边界内，土壤具有动植物生产持续性，保持和提高大气和水体质量以及支撑人类健康与生活的能力。
７、土壤自净作用：进入土壤的污染物在土壤中通过物理、化学和生物化学等作用，降低其浓度或改变其形态，从而消除或降低污染物毒性。
８、土壤颗粒的表面电荷来自于：同晶替代，表面羟基，专性吸附。
９、我国北部地区从东到西依次分布着：暗棕壤，黑土，黑钙土，栗钙土，棕钙土或灰钙土、漠境土壤等经度地带性土壤。
我国从南到北依次分布着：砖红壤，赤红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、暗棕壤、灰化土。
１０、分析离子浓度和离子价数对胶体分散性与凝聚性的影响。
胶体颗粒受到两个相反的作用力的作用：A：胶体颗粒间的长程范德华力，它是吸引力，使胶体凝聚。
B：胶体双电层间的静电排斥力，它使胶体分散。
当胶体间的范德华力大于静电排斥力时，胶体就凝聚，反之则分散。
当土壤中的离子价数越高，离子浓度越大时，双电层就越薄，范德华力就可能大于静电排斥力，土壤胶体就发生凝聚，反之则反。
１１、主要的淋溶过程类型及发生机理是什么？土壤中的淋溶过程类型主要包括：中性淋溶、还原淋溶和络合淋溶三种类型。
土壤学问题答疑
《土壤学》问题答疑１、硅铝铁率：土壤中的所有硅折合成二氧化硅，所有铁折合成氧化铁，所有铝折合成氧化铝后，二氧化硅与氧化铁和氧化铝总量的分子比率。
２、土壤肥力：在植物生活期间，土壤供应和调节植物生长所需要的水份、养分、热量、空气和其它生活条件的能力3、腐殖质化过程：进入土壤的有机质在微生物进行的生化过程和一些纯化学过程的共同作用下，形成腐殖质的过程。
4、永久电荷：指由于层状硅酸盐矿物晶格中的同晶替代作用所产生的剩余负电荷。
这种负电荷不受介质pH值的影响。
5、土壤潜性酸：土壤胶粒上吸附的氢离子和铝离子进入土壤溶液后表现出来的酸度6、硝化作用：氨在亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用下，氧化成为硝酸的过程。
7、土壤结构体：土壤中的土粒或其中的一部分，通过不同的机制相互团聚成大小、形状和性质不同的土团、土块或土片，这就是土壤的结构体。
8、Eh：由于溶液中氧化态物质和还原物质的浓度关系变化而产生的电位称为氧化还原电位,用Eh表示之,单位为伏或毫伏9、陪补离子效应：由于陪补离子与胶体的结合能不同，而导致某种离子有效度发生变化的效应。
10、可变电荷：数量和符号随介质pH变化而发生变化的表面电荷。
11、土壤容重：单位容积土体的干土重。
12、阳离子交换量：CEC是指土壤所能吸附和交换的阳离子总量，用coml(+)/kg表示。
13、土壤质地：土壤中不同大小粒级土粒的构成状况称土壤的机械组成。
根据土壤机械组成状况划分的土壤类别名称，称土壤质地。
或：土壤中，根据不同大小粒级土粒的构成状况而划分的土壤类别名称，称土壤质地。
14、土壤颗粒的表面电荷来自于：同晶替代，表面羟基，专性吸附。
15、我国北部地区从东到西依次分布着：暗棕壤，黑土，黑钙土，栗钙土，棕钙土或灰钙土、漠境土壤等经度地带性土壤。
我国从南到北依次分布着：砖红壤，赤红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、暗棕壤、灰化土。
１6、分析离子浓度和离子价数对胶体分散性与凝聚性的影响。
胶体颗粒受到两个相反的作用力的作用：A：胶体颗粒间的长程范德华力，它是吸引力，使胶体凝聚。
聚电解质结构及盐浓度对基于DNA和聚阳离子的层层组装型大孔薄膜结构的影响
形成 机 理及薄 膜生 长机制 还不 明 确 ，特别 是 聚 阳离 子 的结 构及盐 浓 度对于 大孔薄 膜 的影 响还 不清楚 ． （ Ａ ）
本文选择 ２种 不 同类 型 的聚 阳离子 （ 强 电解 质
型Ｐ Ｄ Ｄ Ａ和弱 电解 质型 Ｐ Ａ Ｈ，结 构见 图 １ ） 分 别 和 Ｄ Ｎ Ａ进行组 装 ， 制备 多层膜 ，然后利 用 原子 力显 微 Ｆ ｉ ｇ ・ １ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｐ Ａ Ｈ（ Ａ） ａ ｎ ｄ Ｐ Ｄ Ｄ Ａ （ Ｂ ）
ｌ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ １ ２，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ；
高电压技术课后答案(吴广宁)
1 气体的绝缘特性与介质的电气强度1—1气体放电过程中产生带电质点最重要的方式是什么，为什么？1-2简要论述汤逊放电理论。
1—3为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高?1—4雷电冲击电压的标准波形的波前和波长时间是如何确定的？1-5操作冲击放电电压的特点是什么？1—6影响套管沿面闪络电压的主要因素有哪些？1—7具有强垂直分量时的沿面放电和具有弱垂直分量时的沿面放电，哪个对于绝缘的危害比较大，为什么?1—8某距离4m的棒-极间隙.在夏季某日干球温度=30℃,湿球温度=25℃，气压=99。
8kPa 的大气条件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多少kV？(空气相对密度=0。
95）1—9某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m的高原地区的35kV变电站,问平原地区的制造厂在标准参考大气条件下进行1min工频耐受电压试验时,其试验电压应为多少kV？1—1气体放电过程中产生带电质点最重要的方式是什么,为什么？答: 碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要的方式。
这是因为电子体积小,其自由行程(两次碰撞间质点经过的距离)比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子大得多.其次．由于电子的质量远小于原子或分子,因此当电子的动能不足以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不损失其动能;而离子因其质量与被碰撞的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累.1—2简要论述汤逊放电理论.答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于α过程,电子总数增至d e α个。
假设每次电离撞出一个正离子,故电极空间共有（d e α－1)个正离子。
这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数γ的定义,此（d eα－1)个正离子在到达阴极表面时可撞出γ（d e α－1）个新电子，则（d e α—1）个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。
微重力环境和外加磁场对晶体生长中杂质分凝的影响
第29卷 第2期1999年5月25日力 学 进 展ADVANCES IN M ECHAN ICS Vol.29 No.2May 25,1999微重力环境和外加磁场对晶体生长中杂质分凝的影响李 凯 徐自亮中国科学院力学研究所微重力实验室,北京 100080摘 要 浮区结晶法是生长体单晶的重要方法之一.本文从理论和实验两方面综述了浮区结晶法中熔体内宏观场对体单晶中杂质分布均匀性影响的定性和定量研究,并从改善体单晶杂质分布均匀性的角度出发,总结了目前所采取的两种重要方法:微重力环境和外加磁场的研究现状.关键词 晶体生长,浮区结晶法,杂质分凝,微重力环境,外加磁场1 前 言 半导体体单晶在电子、通讯、信息等产业中具有广泛的应用背景.例如,硅单晶是制造大规模集成电路最重要的材料;砷化镓由于其高电子迁移率而应用于超高速集成电路中信息元件图1 浮区结晶法示意图的制造;磷化铟则在制造适用于特定波长范围的光纤通讯器件方面具有特殊的地位.熔体生长是工业生产半导体体单晶最常用和最重要的方法,它具有生长快、生长的单晶纯度和完整性高等优点.熔体生长方法中,浮区结晶法[1]是一种无坩埚的生长方式(图1):在生长过程中,处于多晶柱和单晶柱之间一定长度的熔体完全依靠自身表面张力来维持熔区不破裂,这不但避免了坩埚材料对熔体的污染和对所生长体单晶熔点的限制,有利于高熔点和熔体化学性质比较活泼的半导体单晶的生长;而且还避免了非受控不均匀成核过程的发生以及与坩埚壁相接触造成的位错等晶体不完整性[2,3].正因为具有以上优点,20工业应用的高质量硅单晶必须通过浮区结晶法生长以满足特殊的品质要求. 收稿日期:1997-11-19,修回日期:1998-04-27・122・ 熔体生长的体单晶中总含有一定量的杂质,根据应用要求而有意掺杂的晶体中杂质浓度更高,而且杂质分布的不均匀性是很典型的.杂质分布的不均匀性是制约体单晶质量的主要因素之一,它导致的材料光学、电学性质的不均匀性将最终损害半导体电子和光电子器件的性能[2].因此,要想充分利用浮区结晶法的优点生长出高品质的体单晶,就必须采取有效措施来避免杂质分布的不均匀性.为达到上述目的,首先必须了解杂质分布不均匀性的起源和形成,即晶体生长中的杂质分凝现象.本文主要以硅单晶的浮区法生长为例,分析守恒性杂质的行为,这不影响讨论的普适性.2 熔体中的宏观场和分凝的关系 体单晶的熔体生长宏观上是有效控制液固相变的过程.从微观角度上讲,杂质在晶体生长过程中的行为包括杂质在熔区内的输运过程、杂质在生长界面处结合进入晶体的界面动力学过程以及杂质在晶体内的扩散过程.由于结晶作用仅发生在生长界面处,而且一般情况下杂质在晶体内的扩散过程可以忽略,因此杂质在晶体中的分布主要由生长界面处的杂质浓度场和杂质结合进入晶体的能力决定.晶体生长过程中,生长界面处的杂质浓度分布除了受温度场支配的生长界面的形状、稳定性的影响[4～6]之外,主要由质量输运过程决定,即通过扩散过程和伴随对流过程(动量输运过程)实现.扩散过程由熔区内的浓度梯度驱动,而动量输运过程则紧密依赖于熔区内的流场.当杂质通过输运过程出现在生长界面处时,其结合进入晶体的能力可用杂质的分凝系数表示.当固液相平衡时,分凝系数K 0为K 0=C s /C l (1)其中C s 和C l 分别为相平衡时晶体和熔体中的杂质浓度[7];在通常掺杂范围(浓度较低)内,K 0可以近似作为常数.对于绝大多数半导体单晶而言都有K 0<1.由于实际生长过程偏离相平衡,因此定义有效分凝系数K eff 更有意义:K eff =C int (s )/C ∞(l )(2)下标i nt 和∞分别代表生长界面处和熔体中离界面足够远处;有效分凝系数K eff 由杂质性质、界面生长速率和熔区内流场共同决定.以上的宏观场相互耦合作用,共同决定了晶体内杂质分布的均匀性.2.1 熔体中的宏观场 体单晶熔体生长首先是热量输运的过程.首先,晶体生长的驱动力来自于生长界面处的温度梯度(过冷度).与此同时,只有在整个生长系统中建立起合理稳定的温度场,才能够使熔体通过从外界热源吸收热量以维持熔融状态,并将生长界面处释放的结晶潜热及时从晶体表面等处以传导和辐射等方式输运出去,从而保证单晶的优质稳定生长.对于小Pr 数的半导体熔体,热扩散过程基本上决定了熔区内的温度场.浮区结晶法中,熔区内的流场非常复杂.浮区结晶法的地面工艺中,一般采用射频加热技术.射频线圈中通过的一定频率的交变电流将在熔体的自由面上感生出感应电流,由于“趋肤效应”,感应电流会被局限在自由面附近的薄层内,并加热此薄层,产生的热量再通过对流、传导等机制到达熔体内部.由于感应电流在自由面上分布不均匀,因而将在熔体内部和自由面・222・上建立起温度梯度,熔体内部的温度梯度在重力作用下产生浮力对流[8,9];自由面上的温度梯度在表面张力作用下产生热毛细对流[10～12];若熔体不是单质,还可能在浓度梯度作用下产生熔质对流[13]:这些都属于自然对流.与此同时,射频加热电流会激发出感应磁场,感应磁场与感应电场作用产生电磁力驱动的对流[14];在地面上为控制生长界面形状而旋转单晶柱和多晶柱将引起旋转对流[15,16]:这些都属于强迫对流.对流可以是定常的,也可以随时间变化.与地面工艺相比,微重力环境下浮区结晶法中熔区内的浮力对流减弱,若再采用辐射加热和表面敷层等技术,热毛细对流和电磁对流也将不存在,因此流场情况比较简单.2.2 宏观场与分凝的关系根据分凝系数的不同,可将杂质分为K 0>1,K 0=1和K 0<1三种情况,其中K 0=1最利于晶体内杂质的均匀分布.但实际晶体生长过程中K 0一般不等于1,而K 0>1和K 0<1的情况都会导致生长出的单晶中杂质浓度沿晶体的轴向(平行于生长轴)和径向(垂直于生长轴)发生宏观的(毫米量级)连续变化和微观的(常为微米量级)不连续变化,称为宏分凝和微分凝.我们可以从电阻率分布的角度清楚地看到这一现象(图2,图3). 图2(a ) 对于用Czochralski 法生长的硅单晶,掺不同杂质的归一化电阻率ρ/ρ0与归一化晶体长度的关系. ρ0(Ωcm ):0.03(B ),1.05(In ),0.03(As ),0.015(P ),0.18(G a ),0.3(Al ) 图2(b ) 〈100〉和〈111〉方向生长的掺磷的硅单晶中归一化电阻率的径向分布. ρ0在1和100Ωcm 之间21211 宏分凝在杂质确定(讨论K 0<1的杂质)的情况下,宏分凝与熔区内的定常对流过程密切相关[17].由于精确求解同时受扩散和对流作用的运动流体中的杂质浓度分布存在一定困难,Burton ,Prim 和Slichter 提出了BPS 边界层近似模型[18]:引入杂质浓度边界层δ的概念,把对流对杂质浓度场的影响归结为对δ厚度的影响;δ之外,由于对流的强烈作用,杂质均匀分布;δ之内不受对流作用,杂质在δ之内的输运只通过扩散进行.轴向宏分凝主要由熔区的体对流决定,通常用K eff 沿轴向的变化来描述.利用BPS 模型,在假设平面生长界面的情况下求解一维稳态杂质传输方程可得到K eff 的表达式,K eff =K 0/[K 0+(1-K 0)exp (-R δ/D )](3)其中R 为界面生长速率;D 为杂质扩散系数.分凝曲线的系统分析已由Camel ,Favier 等人[19,20]作出(图4).由(3)式可看出存在两・322・种极限情况:(1)当R →0(趋近准静态)或δ→0(熔体有充分对流,杂质近于均匀分布)时,K eff →K 0,这时晶体生长为准静态过程.(2)当R →∞(过冷度极大)或δ→∞(熔体搅拌很差,几乎不存在对流传输)时,K eff →1,这时扩散是杂质传输的唯一机制,且建立起稳态的浓度边界层,此时杂质具有均匀的轴向分布.而通常的实际生长过程总是介于两种极限之间,即图3 Czochralski (CZ )法和浮区法(FZ )生长的掺杂质不同的Si 的径向扩散电阻图4 定向凝固中不同分凝行为的范围无量纲对流热传输 G r ・Sc 和无量纲生长速率 P ε的曲线(a )K eff =1,纯扩散传输;(b )K eff =K 0,完全(对流)混合;(c )K eff =K 0,在极低的生长速率下,扩散造成的完全混合;(d )K 0<K eff <1,没有瞬态效应的部分混合;(e )纯扩散传输和不可忽略的过渡效应;(f )和主要过渡效应混合的部分对流K 0<K eff <1.以上半定量的结论与Danilewsky 等人[21]的空间和地面晶体生长的实验结果基本吻合,从而该模型的有效性得到了验证.当然,BPS 模型过于简化对流的作用并忽略了生长界面形状的影响,考虑到硅的体单晶生长过程中固液相化学势之差较小,轴向宏分凝的定量描述可以直接通过数值求解基本方程组[22]得到,而不需要引入边界层概念.・422・ 同样,利用δ的概念可定性描述径向宏分凝.Keller [23]利用磷掺杂的硅单晶浮区法生长实验较系统研究了生长参数对径向宏分凝的影响.实验表明:生长轴取向对于径向宏分凝的形成非常重要.当出现小面生长(小面指低指数的晶面)时,尤其是Ⅲ～V 族化合物半导体,会引起强烈的径向杂质不均匀分布,K imura 等人[24]实验也有相似的结果.然而避免了小面生长后,晶体中依然存在较严重的径向宏分凝,这就需要考虑杂质浓度边界层处的杂质浓度不均匀性和对流过程对δ厚度的调制.当δ厚度大于动量边界层厚度时,δ厚度所受的调制就尤为重要.由于实际的对流过程一般为三维涡流,使得δ厚度空间不均匀,(例如晶体旋转使生长界面中心δ厚度大于边缘的δ厚度),由此引起的生长界面处分凝系数的局域变化导致了径向宏分凝.至于定量描述,无论是边界层模型下的半定量工作还是直接数值求解的定量工作都需要进行输运过程的三维计算,运算量巨大.因此目前定量工作基本处于轴对称流场假设下的准三维模型,该类模型的有效程度仍有待进一步验证.2.2.2 微分凝当生长条件(例如非定常对流)随时间变化时,单晶中杂质出现条带状分布,称为微分凝(杂质条纹).杂质条纹的存在可从晶体纵向剖面腐蚀后的照片中得到证实.在生长过程中,当发生生长界面处温度场的脉动、外部加热功率的扰动以及晶体的旋转时,杂质结合进入晶体发生不均匀,这种情况下产生的杂质条纹一般平行于瞬时的生长界面,称为第一类条纹.除此之外的杂质条纹[25]统称为第二类条纹.第二类条纹主要由界面动力学过程引起,包括来自一个台阶源的台阶模式不规则性导致的台阶轨迹和来自于两个台阶源的台阶模式不规则性导致的谷轨迹.根据晶格分析,无论第一类条纹还是第二类条纹都源于空位和间隙式点缺陷所造成的晶格扭曲.由于选择适当的籽晶、晶体生长轴方向和控制生长界面形状等方法可基本避免第二类条纹的形成,本文不做更多讨论.要理解第一类杂质条纹(以下简称为杂质条纹)形成,必须通过反应动力学来研究其微观过程[17].生长速率R 表征粒子在界面生长位置的结合过程,当R 受熔体中的热输运控制时,温度场脉动必定会影响单晶中的杂质分布.当温度场随时间脉动时,R 也表现出时间依赖性,导致杂质的分凝系数与时间有关,表现在浓度分布上就是杂质条纹,对微观生长速率的测量[26]定量地揭示了温度场起伏与微分凝之间的对应关系.这是目前受到普遍认同的一种作用机制.而另一种可能的机制是:对流过程直接调制生长界面处扩散层厚度,这也应该能够引起生长速率的脉动.浮区结晶法中,引起R 起伏的原因有:(1)无论浮力对流还是热毛细对流,其驱动力大小超过临界值时,对流变为周期性振荡的非定常对流,随着驱动力的不断增大,对流最终发展为湍流,统称为随时间变化的对流.对于半导体硅这样低Pr 数的熔体,非定常对流极易发生[27],非定常的对流热输运过程引起温度场的脉动,使得生长速率的脉动与对流过程间接耦合起来,这样产生的杂质条纹称为对流条纹.(2)由于生长界面附近熔体的温度分布相对于晶体旋转轴并不是完全对称的,导致非轴对称生长界面的出现.当晶体周期性旋转时,生长界面任意一点所感受到的温度场也是周期性振荡的,从而引起生长速率起伏,严重的甚至在界面某些部位发生回熔现象,引起旋转条纹.电磁对流和机械振动也会导致杂质条纹[25].3 提高晶体生长质量的措施 根据BPS 模型的定性分析,避免宏分凝的有效办法之一是通过适当的手段使K eff =1.根・522・据(3)式,考虑到实际生长速率的限制,最可行的途径是通过抑制对流输运来增加δ厚度,以接近纯扩散控制输运极限下的杂质均匀分布(图4);抑制依赖时间对流过程的发生则是减弱进而避免杂质条纹的重要途径,这需要减弱对流的驱动力,提高依赖时间对流发生的临界数.为此,人们进行了各种尝试,其中空间(微重力环境)生长技术和外加磁场技术是两种行之有效的技术,近年来越来越受到重视.3.1 微重力环境重力水平是晶体熔体生长中的一个重要影响因素[28].重力对晶体的直接作用只体现在晶体自身因重力而具有的静压力,一般情况下,这种影响对于绝大多数晶体可以忽略不计.目前,人们利用各种手段,如落塔、弹道火箭飞行以及轨道空间站等,对不同微重力水平下的晶体生长(包括半导体、氧化物及生物晶体等)进行了大量的研究.通过与地面生长的对比表明:重力对晶体生长的作用主要通过流体中因密度差异引起的浮力对流实现,这对晶体中杂质的宏观和微观分布将产生重要的影响.其次,重力将影响界面区域中的输运性质,尤其是与体输运效应有关的过程,由此引起的生长界面的不稳定性将引起晶体中的堆积缺陷、孪晶、晶界和空位等.由于重力引起的密度差异也可导致晶体生长中发生沉积,包括漂浮凝聚核的聚集和浓度梯度的形成.另外,由于重力的存在,地面浮区结晶法需要材料的液相具有足够大的表面张力,因此只能应用于很少的几种材料(例如硅),而且生长晶体的尺寸也不能太大.这无法适应当前生长大尺寸晶体的发展趋势.而在空间,即微重力条件下,熔区中的流体静压力几乎完全消失,界面和表面张力起主导作用,这使得空间浮区结晶法几乎成为普适的生长方法[2],并可生长大尺寸的晶体.与此同时,由于微重力条件下,重力加速度只有μg 的量级,重力驱动的浮力对流几乎消失,上述各种效应也相应变得十分微弱,这使得那些地面上被浮力对流所掩盖的物理现象的研究得以实现,而且晶体的完整性和杂质分布的均匀性得到了很大改善(例如空间就曾生长出轴向宏分凝比地面减少6倍的掺镓单晶锗[29]).再加上浮区结晶法本身具有的优点,使得空间浮区结晶生长技术无论对科学研究还是商业应用都具有诱人的前景.然而,浮区法的熔区具有自由面这一特点决定了在熔体中除了存在重力驱动的浮力对流以外,还有不依赖重力而存在的其它形式的对流,其中最重要的是热毛细对流.因此,微重力条件下熔体中仍存在着相当的定常甚至非定常的热毛细对流,这同样引起宏分凝和杂质条纹[30,31].因此人们在微重力条件下辅以其它的手段(外加磁场,表面敷层等)来抑制热毛细对流的产生.在TEXUS -12火箭和D -1空间站进行的辐射加热(空间不宜采用射频技术,且可消除杂质条纹的来源之一[25])硅单晶生长实验[32]中,采用表面敷层技术成功地抑制了热毛细对流的产生;而在D -2空间G aAs 单晶生长实验中则采用了外加磁场技术[2],使生长界面接近于平面,消除了晶体中的杂质条纹,位错密度减少了一个数量级以上,达到了理想的晶体生长效果.Camel 等人[2]的实验也证实了空间生长的优势.到目前为止,微重力条件下的晶体生长研究(包括浮区法)几乎涵概了所有重要的半导体材料.大量的实验表明,微重力条件的应用可以显著改善晶体的完整性,晶体中杂质分布的宏观均匀性和微观均匀性均得到很大程度的改善.同时,在适当生长条件下杂质条纹也能得以消除.当然,微重力条件下的晶体生长也有自己的局限性.首先是受到目前航天发展水平的制约;其次,空间残余重力引起的对流[33]以及“g -颤动”现象也会给晶体生长带来一些负面影响,如弱对流混合将使径向均匀性变坏;再者微重力条件下晶体的表面形貌控制比较困难,但这并不能影响空间晶体生长的良好前景.・622・3.2 外加磁场在浮区结晶法中的应用对于熔体具有导电性的晶体,外加磁场也可以达到改善晶体质量和杂质分布均匀性的目的.晶体生长中外加磁场的应用最早开始于1966年,所加磁场分为静磁场和旋转磁场,两者的作用原理不同.3.2.1 静磁场1981年,Guldberg [34]首先在硅单晶的浮区法生长中应用静磁场.在晶体生长中外加静磁场的主要目的在于抑制非定常对流的发生,以避免杂质条纹的形成.静磁场是依靠导电熔体的对流运动过程中,其垂直于外加磁场方向的速度分量切割磁力线产生感应电流,感应电流与外加磁场作用产生洛仑兹力F =J ×B .由于力的方向与对流垂直于磁场方向的速度分量相反,减弱了熔体中非定常对流的强度,限制了对流的作用范围,因而减弱了杂质条纹的强度,并提高了非定常对流出现的临界值.当磁场足够强时,就能够在熔体的部分,特别是生长界面中心处抑制非定常对流的发生,消除相应位置晶体中的杂质条纹.研究表明,静磁场同时可以减弱定常对流的强度,从而显著影响宏分凝.静磁场的作用对浮力对流、热毛细对流以及其它对流过程都有效.静磁场基本上可分为横向磁场、径向磁场和不均匀磁场,均可由永久磁铁、电磁线圈组产生[35,36].(1)横向磁场横向磁场的磁力线垂直于生长轴.K imura 等人[37]研究了横向磁场下直径20mm 掺杂硅单晶浮区法生长的影响.在0.18T 的磁场下,晶体生长界面形状趋于平坦.磁场提高到0.55T [38]的实验表明:强磁场将强烈影响熔体中的对流输运,使整个生长界面除边缘部分外趋于平坦,界面扩散层整体增厚,但未发现横向强磁场对杂质条纹产生明显的抑制作用.实验同时发现,横向磁场破坏了生长系统相对生长轴的对称性,因而磁场对于对流的影响也是非轴对称的,由此产生了许多特殊现象,例如单晶将出现椭圆形的横截面(长轴平行于磁场方向)和圆柱形的生长界面;而且横向磁场对晶体生长轴的方向具有稳定作用.(2)轴向磁场轴向均匀磁场的磁力线与晶体生长轴平行.Guldberg 等人[34]首先在硅单晶浮区法生长中采用了轴向静磁场,Robertson 等人[39]在生长25mm ～30mm 直径掺杂硅时,采用轴向均匀强磁场:当磁场高于0.3T 时,生长界面趋于平坦,中心区域形成性质类似于小面[24]的“核区”(低转速时尤为明显),核区内的扩散层厚度显著增加(幅度约200%～300%),这表明轴向磁场的出现,减弱了熔体中对流的径向分量,因而对流(特别是热毛细对流)被局限于自由面附近.核区内对流强度大为减弱,而核区外的对流过程则得到加强.核区内外不同的对流强度,导致两种条纹的出现.随磁场增强,核区直径不断增加,区内对流强度和杂质条纹进一步减弱.当磁场达到0.5T 且晶体无旋转时,核区内非定常对流受到抑制,杂质条纹消失,核区外杂质条纹依然存在.实验[27,40]也得到了相似的结果.研究同时表明,核区内的对流混合减弱,扩散层增厚,使宏分凝处于扩散为主的输运过程,从而使轴向杂质分布的均匀性得到很大改善.但这距离纯扩散输运过程仍有一定差距,也就是说熔体中存在弱对流输运[40,41],其原因在于磁场的作用随对流强度减弱而减弱,而目前磁场的制造技术又无法达到理论上足以彻底消除对流所需的强度.因此,轴向均匀静磁场的应用将引起严重的径向分凝[27].(3)不均匀磁场为避免轴向磁场引起的径向分凝,通过设计磁场位形(不均匀磁场),在抑制非定常对流的同・722・时兼顾径向均匀性极为必要.目前研究比较多的是所谓的“cusp ”磁场,即通过线圈组组合,使得到的磁场在生长界面处为横向磁场,而在熔体内部主要为轴向磁场.这种不均匀磁场在晶体直拉法中得到了成功的应用[42,43],但其在浮区法中应用的研究尚未充分开展,目前仅有一些结论不一致的数值模拟的结果[44,45].因此,非均匀磁场在浮区法中应用的利弊仍有待磁场位形对晶体生长影响的系统研究来揭示.(4)静磁场下流场的数值模拟外加静磁场所以能够对杂质的分布产生影响,是因为磁场减弱了熔体中的对流过程.因此,通过对熔体流场的研究,可进一步了解外加磁场与对流的相互作用.晶体生长的输运理论多年来一直是受关注的研究课题,并已有不少有意义的理论和实验,但定量的研究结果还不多.原因是多方面的,其中主要是动力学方程组求解困难,特别是在实际生长边界条件下,无法得到数学解.另外,高温、高压、密封及熔体不透明,使实验直接测量流场几乎不可能.因此数值模拟就成了极其重要的手段.磁场使数值模拟求解的Navier 2Stokes 方程中出现电磁作用力项,引入了新参数:Hartmann 数.加上浮区法熔区中复杂的流场、非线性流体传质传热方程组的耦合性,使数值模拟存在相当的困难.目前,磁场下流场的数值模拟主要以轴向磁场为主,并建立在:(1)流场相对于生长轴对称;(2)定常对流;(3)Boussinesq 近似等基本假设之上,以此对流体力学方程组进行简化.目前的数值模拟可基本分为两大类:一类是以Walker 等人的计算为代表的“渐近解”.求解过程中采用了无惯性假设[46],即强磁场下,表征洛仑兹力与惯性力之比的惯性项很大,因而可忽略惯性效应,以此对流体力学方程组进行线性化,使得各对流项的作用得以分开研究.Lie 等人图5 熔区分区图o :外区,i :内区,f :自由剪切区对轴向均匀静磁场中经典感应加热[47]和“针眼”感应加热[48]的熔区流场进行了数值计算.模拟将熔区大体分为:粘性边界层,内区,外区,自由剪切层(图5).该计算解释了实验[39]的部分现象.Morth 2land 等人[44]近似计算了空间辐射加热下轴向均匀磁场中的热毛细对流场,说明了核区的形成,定性地解释了空间实验[27]的结果.由于近似解法旨在对问题进行量级分析,所以模拟与实际问题存在一定的差距:无惯性项假设只在一定条件下成立.当惯性力项与电磁力项相比不能忽略时,如自由面附近的热毛细对流速度很大,就必须考虑惯性项的作用;而且熔区的分区也不符合实际.所以,渐近解只能作为实验和进一步数值模拟的一种大体估计.另一类数值模拟则以建立接近真实生长过程为目标.Lan [45]同时考虑了熔区内传质传热过程和单晶(多晶)柱内传热过程,直接数值求解传质传热流体方程组(生长界面和自由面的位形都是数值解的一部分),从而系统研究了磁场下晶体生长的实际过程和杂质分凝现象,很好地解释了核区的形成及由此引起的径向分凝等实验现象[27].Lan 的处理方法很大程度地提高了数值模型的真实性.计算中还首次发现了弱磁场下方程组同时具有多个定常解.数值计算[44,45]表明外加cusp 磁场时,熔区中流场结构明显不同于外加轴向均匀磁场的情况.流场结构的改变将显著影响晶体中的杂质分凝,但这种影响的利弊如何仍待进一步研究.目前,静磁场下浮区法数值模拟大都属于建立在流场的定常轴对称假设上的二维模型.当模型扩展到三维时,定常对流可以是非轴对称的.同时,研究杂质条纹的形成需要非定常模型,而・822・。
pH值及电解质对水体中胶体颗粒Zeta电位的影响
pH值及电解质对水体中胶体颗粒Zeta电位的影响pH值及电解质对水体中胶体颗粒Zeta电位的影响【摘要】:介绍了关于pH值及电解质影响水中胶体Zeta电位的研究～并讨论了其原因。
【关键字】:pH值～电解质～胶体Zeta电位1. 前言电位在许多基础理论教学中都是一个非常重要的概念，电位的大小是衡量胶体粒子稳定性的重要参数，在胶体稳定理论中占有非常重要的地位。
天然水或饮用水体系中往往含有大量悬浮体，这些悬浮体通过吸附/解离等方式而带上一定量电荷，而带电量的多少影响胶体粒子的稳定性，从而影响水质。
通过Zeta电位的测定不仅可以判断水中胶体粒子的稳定性，而且还可以用来[1]选择合适的絮凝剂和监测最佳絮凝条件。
不同条件下水体中常会含有一些无机盐和各种各样的表面活性物质，因此研究水体中胶体颗粒Zeta电位的影响因素对于控制胶体聚沉具有重要意义。
本文主要介绍了关于pH值及阳离子对水体中胶体颗粒Zeta电位影响的研究，并讨论了其不同影响的原因。
2. pH值的影响pH不仅直接影响到胶体颗粒的表面电荷，而且影响水环境中某些物质的性质及存在形态，是影响Zeta电位的最重要因数之一。
[2]根据蒋展鹏等的研究发现，同种胶粒尽管由于来源、准备方法的不同而受pH值的影响不同，但是Zeta电位与pH值的关系曲线的总体形状却非常相似。
其Zeta电位随着pH值的增大而减小。
[3]根据王慧云等的pH对蒙脱土Zeta电位的影响，在实验pH值范围内(pH=3~11)，蒙脱土表面Zeta电位皆为负值，并且随着pH值升高负值增加。
-这是因为当pH 值增加时，越来越多的OH吸附到蒙脱土表面;并且蒙脱土表-面的羟基或边缘断键处产生的羟基也与更多的OH反应，从而使蒙脱土表面的1/6页[4]双电层结构发生了变化，其Zeta电位随pH值升高负值增加。
Min Hoon Baik等的实验也同样证明了，当pH值升高，3种不同离子强度下的膨润土胶体体系的Zeta电位是随之减少的。
加入电解质使胶体聚沉的原因
加入电解质使胶体聚沉的原因电解质是指在溶液中能够电离成离子的物质。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的混合物，由微细颗粒和分散介质组成。
当电解质加入到胶体溶液中时，会发生一系列的反应和相互作用，导致胶体聚集和沉淀。
下面将详细介绍加入电解质使胶体聚沉的原因。
1.破坏胶体的稳定性：胶体稳定性是指胶体溶液中微粒分散状态的能力。
胶体粒子通过表面电荷的存在而呈现出相互间斥的效果，防止了粒子之间的聚集和沉降。
当电解质加入到胶体溶液中时，会与胶体粒子上的电荷发生反应，中和其表面电荷。
这使得胶体微粒失去相互排斥的作用，从而导致聚集和沉淀。
2.提供吸引力：当电解质加入胶体溶液中时，其中的离子会与溶液中的极性分子发生吸引作用。
这种吸引力有助于胶体颗粒之间的聚集和沉降。
电解质的加入可以增加溶液中的离子浓度，从而增加离子间的相互作用力。
这些吸引力会克服胶体粒子间的斥力，使其聚集并沉淀下来。
3.形成电双层：胶体颗粒在溶液中会带有表面电荷，形成电双层。
电解质加入后，其中的离子会与胶体颗粒上的电荷相互作用，进一步增加双层的厚度。
这种厚度的增加会导致胶体颗粒之间的相互排斥力降低，从而促进其聚集和沉淀。
4.中和胶体微粒本身的电荷：胶体颗粒在溶液中带有电荷，这些电荷对粒子的相互作用和分散状态起着重要的稳定性作用。
当电解质加入胶体溶液中时，其中的离子会与胶体颗粒上的电荷相互作用，导致胶体粒子表面电荷的中和或屏蔽。
中和或屏蔽后，胶体粒子之间的排斥力减弱，使其更容易聚集和沉淀。
总之，加入电解质会破坏胶体稳定性，提供吸引力，形成电双层，中和胶体微粒的电荷，从而导致胶体聚集和沉淀。
这些过程是通过改变胶体颗粒表面电荷、增加离子浓度和改变粒子间相互作用来实现的。
加入电解质使胶体聚沉的原因是多方面的，其具体结果及过程取决于胶体粒子的性质、电解质的种类和浓度、溶液条件等因素。
生物物理学中的胶体力学理论
生物物理学中的胶体力学理论生物物理学是研究生命现象和生物系统的物理学科，包括生物分子、细胞和生物体等层次的研究。
胶体力学理论是生物物理学的重要分支，研究微粒分散在介质中的物理性质和行为，涉及胶体学、表面化学、物理化学等领域。
本文将介绍胶体力学理论在生物物理学中的应用和研究现状。
1. 胶体力学理论概述胶体是指介于分子和大粒子之间的微粒子，其粒径在10纳米到1微米之间。
胶体存在于自然界中的许多生物体系中，例如细胞质、胶原蛋白、血漿蛋白等。
胶体的特性包括颗粒之间的相互作用力、表面化学特性等，而胶体力学理论研究的是介质中微粒之间的相互作用力。
胶体力学理论主要研究颗粒之间的相互作用力及其在流体中的行为。
颗粒之间的相互作用力可以分为静电力、范德华力、双层电势力等，这些力的作用导致颗粒聚集、沉降、稳定等现象。
而颗粒在流体中的运动行为，如扩散、沉降等，也是胶体力学理论所研究的内容。
胶体力学理论的应用包括纳米技术、药物传输、材料科学等领域，而在生物物理学中的应用也是十分广泛的。
2. 胶体力学理论在生物分子研究中的应用生物分子是生物体系的重要组成部分，其结构和功能对生命活动起着至关重要的作用。
而生物分子的研究往往需要考虑到其在生物体系中的特殊性质，例如分子间相互作用力、胶体环境中的运动行为等。
胶体力学理论可以提供有力的理论工具，用于生物分子在胶体环境中的研究。
以蛋白质为例，它是生物体系中重要的功能分子，也是胶体环境中重要的研究对象。
蛋白质颗粒在溶液中存在电荷、亲疏水性等不同的特性，其相互作用力常常决定着蛋白质的空间构型和功能。
胶体力学理论可以用于模拟不同条件下蛋白质颗粒的聚集、稳定等现象，并定量分析其影响因素。
此外，胶体力学理论还可以用于研究蛋白质的传输行为，如胶体电泳、扩散传输等。
3. 胶体力学理论在细胞研究中的应用细胞是生物体系的基本单位，其结构和功能对生命活动有着至关重要的作用。
细胞的内部环境是胶体体系，包括细胞质、细胞核、细胞膜等。
加电解质使胶体聚沉的原理
加电解质使胶体聚沉的原理嘿，咱聊聊加电解质使胶体聚沉这神奇事儿！胶体，那可是个有点小神秘的家伙呢。
就像一群调皮的小精灵，在溶液里欢快地游荡。
咱先说说胶体为啥能稳定存在。
这胶体里的粒子啊，带着相同的电荷，就像一群小伙伴都穿着同样颜色的衣服，互相排斥着，谁也不挨着谁，所以就能稳稳地在溶液里待着。
可一旦加入电解质，那就不一样喽！电解质就像个厉害的魔法师，能打破胶体的稳定状态。
电解质里的离子可不得了，它们就像一群勇敢的小战士，冲向胶体粒子。
这些离子会中和胶体粒子的电荷，让它们失去那股互相排斥的力量。
你想想，本来大家都靠着电荷保持距离，现在电荷没了，那还不得凑到一块儿去呀？这就好比一群原本在操场上各自玩耍的孩子，突然来了个老师把他们集合起来，他们就不能再到处乱跑了。
比如说氢氧化铁胶体吧，那红褐色的模样，看着就很特别。
平时它在溶液里安安静静地待着，可要是加入一些电解质，像氯化钠啥的，钠离子和氯离子就会迅速行动起来。
钠离子可能会找上带负电的氢氧化铁胶体粒子，氯离子也不甘示弱，去中和带正电的部分。
这么一来，氢氧化铁胶体粒子就没办法再保持稳定啦，它们会慢慢地聚集在一起，最后沉下来。
这就像一场小小的战斗，电解质的离子们取得了胜利，让胶体聚沉了。
再看看豆浆，那也是一种胶体。
要是往豆浆里加点盐或者石膏啥的，嘿，神奇的事情就发生了。
豆浆会变得不再那么均匀，开始出现沉淀。
这就好像原本平静的湖面，突然扔进去几块石头，激起了层层涟漪，最后湖水变得不再清澈，有了沉淀物。
还有那土壤胶体，对植物的生长可重要了。
要是土壤里的胶体不稳定，那植物可就长不好啦。
有时候，农民伯伯会给土地施一些肥料，这里面可能就含有电解质。
这些电解质能让土壤胶体聚沉，改变土壤的结构，让植物的根更容易吸收水分和养分。
这就像给土壤做了一次美容，让它变得更加健康。
那为啥电解质能有这么大的威力呢？这是因为电解质在溶液中会电离出大量的离子，这些离子就像一支庞大的军队，而胶体粒子就像是一个个小城堡。
Cu2_与Zri2+引发胡敏酸胶体凝聚比较研究_____
第38卷第9期西南师范大学学报(自然科学版)2013年9月V o l.38N o.9J o u r n a l o f S o u t h w e s t C h i n aN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)S e p.2013文章编号:10005471(2013)09005005C u2+与Z n2+引发胡敏酸胶体凝聚比较研究①傅强,郭霞,邵月,朱华玲,李航西南大学资源环境学院,重庆400716摘要:腐殖质是一类组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物,胡敏酸是腐殖质的主要成分之一,系统地研究胡敏酸的结构特征对了解毒害有机污染物在环境中的迁移,转化过程具有重要意义.本文利用光散射技术比较研究了C u2+和Z n2+吸附所引发的胡敏酸凝聚过程及凝聚体的结构特征.结果表明:①C u2+和Z n2+作用下胡敏酸胶体凝聚特征类似,低浓度下胡敏酸凝聚体有效粒径随时间呈线性增长,高浓度下呈幂函数增长.②随着C u2+和Z n2+浓度的增加,在同一体系下胡敏酸胶体颗粒的平均凝聚速率逐渐增加,形成的凝聚体分形维数逐渐降低,凝聚速率越快形成的凝聚体结构越疏松.③胡敏酸胶体的平均凝聚速率和凝聚体分形维数对C u2+浓度的敏感性大于Z n2+.关键词:胡敏酸;光散射;凝聚;分形维数中图分类号:S153.3文献标志码:A腐殖质是一类组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物[1],由于含氧功能团的存在,腐殖质具有带电性和对重金属离子的络合能力.许多研究表明[2],腐殖质与C u2+和Z n2+等重金属离子会发生专性吸附.这些研究使我们对重金属离子在环境中的迁移㊁转化过程已有深入的认识,然而,因专性吸附导致的腐殖质分子之间的相互作用,以及产生的腐殖质聚合体结构研究却没有得到足够的重视.已有研究表明:土壤腐殖质实际上是粒径大约为100~1000n m的颗粒状物质[3];最新研究表明:腐殖质并非一般概念的 分子 ,而可能是一种 超分子凝聚体 [4].既然腐殖质是介观尺度的超分子颗粒,而且是超分子凝聚体,它似乎暗示腐殖质分子应该是若干个纳米级的有机分子经聚合而形成的.C u2+和Z n2+等重金属离子与腐殖质发生的界面配位反应,正好是腐殖质小分子发生聚合的诱因之一.光散射技术是1~1000n m介观尺度颗粒研究的重要工具,已成功被引入土壤颗粒的相互作用研究中[5].朱华玲等[6]用光散射技术已发现,胡敏酸的分散游离态或凝聚结合态只是环境中电解质变化引发纳米级胡敏酸单体小分子发生相互作用的结果,高晓丹等[7]对C a2+和C u2+引发胡敏酸胶体的凝聚进行了研究,反应出不同表面作用引发的腐殖质颗粒相互作用的差异.本文以提纯的胡敏酸作为实验材料,利用光散射技术[5-9],研究不同电解质浓度下,C u2+和Z n2+与胡敏酸相互作用引发的胡敏酸的凝聚动力学及其形成的凝聚体的结构特征,揭示专性吸附反应下腐殖质的可能形成过程,进而为腐殖质的分子结构研究提供依据.1材料与方法1.1实验仪器土壤无机有机生物界面相互作用实验室:J A/F A系列电子天平;J B200-D型强力电动搅拌机;p H S-①收稿日期:20121113基金项目:国家级大学生创新创业训练计划(201210635021),西南大学资源环境学院大学生科技创新 光炯 培育项目(20110106).Copyright©博看网. All Rights Reserved.作者简介:傅强(1991),男,新疆塔城人,本科,主要从事土壤化学研究.通信作者:朱华玲,高级实验师.3C 酸度计;电热恒温培养箱;T D L -5-A 型低速台式离心机;恒温培养振荡器;T G L -16G 系列高速离心机;F S -300超声波处理器;B I -200S M 广角度动态/静态激光光散射仪.1.2 胡敏酸胶体的制备提取胡敏酸的土壤样品为重庆市北碚鸡公山,嘉陵江组发育的石灰岩性土壤.胡敏酸样品的分离提纯参照国际胡敏酸协会的标准方法和P o l l o 法相结合的方法[8-12],用烘干法测得胡敏酸颗粒密度为8.84g /L .取上述30m L 悬液于100m L 容量瓶中,定容,倒入烧杯,K O H 溶液调节p H 为9,超声波处理器振动分散15m i n ,放置24h ,再用超纯水将悬液稀20倍至颗粒密度为0.132g /L ,室温下测得p H=7.由于胡敏酸胶体p H 大于3.0时,其表面羧基㊁酚羟基等的解离使胶体表面的净负电荷增多,在静电排斥力的主导作用下体系处于相对分散稳定状态.因此本研究选取了特定p H=7的条件开展试验.1.3 胡敏酸凝聚动力学和凝聚体结构特征的光散射研究动态光散射技术也称光子相关光谱技术,其基本原理见文献[7,13].凝聚过程中形成的胡敏酸凝聚体的结构特征,用分形维数来描述,其测定原理见文献[14].本研究采用美国B l o o k h a v e n 公司生产的多角度动态/静态激光光散射仪,型号为B I -200S M ,其相关器为B I -9000A T ,激光器功率15mW ,入射光波长532n m ,在90ʎ角检测1h 光强不变来确定光源的稳定性.实验方法:激光器预热30m i n ,温控25ħ;取稀释后0.0132g /L 的胡敏酸胶体,动态光散射测有效直径,分别加入不同浓度的C u C l 2㊁Z n C l 2摇匀,动态光散射实验在90ʎ散射角下连续测定1h ,记录胡敏酸粒径随时间的变化;静态光散射在上机后开始连续扫描,扫描范围从15ʎ~135ʎ,每隔5ʎ扫描1次.2 结果与讨论图1 胡敏酸的粒径分布2.1 胡敏酸的粒径分布测定图1是25ħ下颗粒密度为0.0132g /L 的胡敏酸胶体的粒径分布.从图中可以看出,制备的胡敏酸胶体有效粒径为140.49ʃ10n m ,粒径分布范围40~480n m 左右而集中分布于90~190n m.2.2 C u 2+与Z n 2+吸附下凝聚体有效粒径随时间变化基于平均散射光强稳定且自相关函数能平滑衰减到基线[7],不同浓度C u C l 2和Z n C l 2作用下的胡敏酸凝聚体有效粒径随时间的动态变化如图2㊁图3所示,可以看出:(1)随着C u C l 2和Z n C l 2溶液的加入,胡敏酸胶体发生了凝聚,体系的有效粒径随着凝聚时间的增加有不同程度的增加.(2)加入的电解质浓度越大,形成的凝聚体有效粒径也越大.(3)在较低电解质浓度时,凝聚体的有效粒径随时间增长呈线性增长,其凝聚机制可能为反应控制团簇聚集机制(R e a c t i o nL i m i t e dC l u s t e r -C l u s t e rA g g r e g a t i o n ,简称R L C A )[17];在较高电解质浓度时,凝聚体的有效粒径随时间增长大致呈幂函数增长,其凝聚机制可能为扩散控制团簇聚集机制(D i f f u s i o nL i m i t e dC l u s t e r -C l u s t e rA g g r e -g a t i o n ,简称D L C A )[15-17].这与C a 2+和M g 2+等非专性吸附离子引发的胶体凝聚规律一致[6,9].专性吸附是离子与胶体颗粒表面的配位化学反应,非专性吸附主要表现为离子与胶体颗粒表面的静电作用,二者虽为胶体颗粒表面不同的界面反应,但是都同样引发胶体颗粒相互作用产生凝聚,只是凝聚速率表现出很大差异.2.3 胡敏酸胶体的凝聚速率根据文献[9,12]可求得胡敏酸胶体颗粒在C u 2+和Z n2+体系中平均凝聚速率和拟合方程,见表1:由表1可知,R 2都>0.9,拟合方程的相关性好,随着C u 2+和Z n2+浓度的增加,拟合方程的底数㊁指数以及胡敏酸凝聚体的平均凝聚速率都在逐渐增加.这一结果可以用D L V O 理论[18]解释随着C u2+和Z n2+的加入,胡敏酸胶体表面因专性吸附而表面电位下降,与此同时发生的是双电层被改变,胶体颗粒间的静电斥力位能随之减小而发生凝聚;随着C u 2+和Z n2+浓度的增加,静电斥力位能逐渐下降,颗粒间有效15第9期 傅 强,等:C u 2+与Z n 2+引发胡敏酸胶体凝聚比较研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.碰撞概率逐渐增加,导致平均凝聚速率随之升高.图2 不同C u2+浓度下胡敏酸胶体凝聚体有效粒径随时间的变化图3 不同Z n2+浓度下胡敏酸胶体凝聚体有效粒径随时间的变化表1 不同C u 2+/Z n2+浓度下胡敏酸胶体平均凝聚速率电解质类型电解质浓度(mm o l㊃L -1)拟合方程R 2平均凝聚速率(n m ㊃m i n-1)0.5 \\\0.6v (t )=45.578t -0.43940.958220.70.65v (t )=35.682t-0.1610.993626.43C u C l 20.7v (t )=142.82t0.51470.9811400.40.75v (t )=150.22t0.57640.9989479.50.8v (t )=460.75t 0.30850.9765844.80.9v (t )=794.32t0.09790.9412958.81 \\\3v (t )=25.072t0.72470.9993109.83.5v (t )=59.978t0.49740.9785162.2Z n C l 23.8v (t )=85.475t 0.50030.9783232.54v (t )=119.14t0.46580.9805301.64.5v (t )=254.19t 0.37120.9892529.54.8v (t )=355.84t0.27220.9506606.35v (t )=578.57t0.18680.992831.4 比较C u 2+和Z n 2+两个凝聚体系的胡敏酸平均凝聚速率,我们发现:C u2+浓度只有微小的变化,就能引发胡敏酸胶体凝聚速率剧烈增加,当C u 2+体系胡敏酸凝聚速率高达到958.8n m /m i n,仅需要离子浓度0.9mm o l /L ,而相同浓度下Z n 2+体系还未能发生凝聚;当两个凝聚体系都达到最高凝聚速率时,所需要的Z n 2+浓度是C u 2+浓度的5倍以上.这表明胡敏酸的凝聚对C u 2+更敏感.由此我们判断,虽然C u2+和Z n 2+同为专性吸附离子,但是二者与胡敏酸的表面反应强度明显不同,最终导致胡敏酸胶体凝聚的差异.2.4 胡敏酸凝聚体的稳定性与结构性质分形维数(f r a c t a l d i m e n s i o n ,简称d f )不仅反映了凝聚体结构的自相似特性,而且还可以反映复杂结构体的疏松和开放程度[19].图4㊁图5为不同C u C l 2和Z n C l 2浓度下胡敏酸凝聚体的分形维数.从中可以看出,随着C u 2+和Z n 2+离子浓度的增加,胡敏酸凝聚体的分形维数逐渐降低.这表明随C u 2+和Z n2+浓度的增加,所形成的胡敏酸凝聚体结构就越疏松,结构中孔隙就越大.这也与在较低电解质浓度下的R L C A 凝聚机制形成的结构体孔隙度小,较高电解质浓度下的D L C A 凝聚机制形成的结构体孔隙度高的结果相一致[15-17].在同一体系中胡敏酸凝聚体的分形维数随着平均凝聚速率的增大而变小.这一结果表明,在同一体系下,凝聚速率越快越能够形成开放的㊁疏松多孔的结构体.比较两个体系的胡敏酸凝聚体分形维数不难发现,分形维数对C u 2+浓度的变化Z n2+浓度更敏感.C u 2+和Z n 2+的离子半径和水合半径都很接近且C u 2+和Z n2+都可以在胡敏酸胶体上发生专性吸附,理论上形成的胡敏酸凝聚体结构应该相似,但是实验发现C u 2+和Z n2+作用下所形成的胡敏酸凝聚体结构的差异25西南师范大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b jb .s w u .c n 第38卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.很大,可能是由于C u 2+专性吸附所引发的凝聚使胡敏酸凝聚体借助于C u 2+的配位吸附而形成以配位键和氢键为主要键合力的更大分子量的腐殖质超分子聚合体,从而使C u 2+在相同浓度下较Z n 2+更敏感.胡敏酸胶体是一个巨大的电场体系,C u 2+和Z n 2+之间的微小差异可通过强电场中带电体相互作用被放大,引起胡敏酸凝聚体的分形维数以及所形成的胡敏酸凝聚体结构的差异.图4 不同C u2+浓度下胡敏酸胶体凝聚体分形维数图5 不同Z n2+浓度下胡敏酸胶体凝聚体分形维数综上所述,光散射技术不仅可用于颗粒的相互作用研究,还可以反映胶体界面反应的不同类型和反应强度.3 结 论通过比较C u 2+和Z n2+这两种阳离子所引发的胡敏酸胶体凝聚,其凝聚动力学过程以及所形成的凝聚体的结构性质均有很大不同.我们可以得出如下结论:1)C u 2+和Z n2+作用下胡敏酸胶体凝聚特征类似,在低浓度下胡敏酸凝聚体有效粒径随时间呈线性增长,高浓度下呈幂函数增长.2)随着C u 2+和Z n2+浓度的增加,胡敏酸胶体颗粒的平均凝聚速率逐渐增加,所形成的凝聚体的分形维数逐渐降低.在同一体系下,凝聚速率越快,越能够形成开放的㊁疏松多孔的结构体.3)C u 2+浓度变化对胡敏酸胶体的平均凝聚速率和凝聚体分形维数的影响都大于Z n 2+,说明胡敏酸胶体的凝聚对C u C l 2的敏感性大于Z n C l 2体系.4)胡敏酸胶体是一个巨大的电场体系,C u 2+和Z n2+之间的微小差异可通过强电场中带电体相互作用被放大,从而引起胡敏酸凝聚特征以及所形成的凝聚体结构的差异.光散射技术可以反映胶体界面反应的不同类型和反应强度.参考文献:[1]黄昌勇,土壤学[M ].北京:中国农业出版社,2000,40.[2] 王丹丽,关子川,王恩德.腐殖质对重金属离子的吸附作用[J ].黄金,2003,1:47-49.[3] I K A IA ,O S T E R B E R G R.A t o m i cF o r c e M i c r o s c o p y o fH u m i cA c i d sD i s c u s s i o n [J ].S c a n n i n g M i c r o s c o p y ,1996,10(44):947-951.[4] R E B E C C AS ,G A R R I S O NS .M o l e c u l a rS t r u c t u r e i nS o i lH u m i cS u b s t a n c e s :T h eN e w V i e w [J ].E n v i r o n m e n t a l S c i -e n c e&T e c h n o l o g y,2005,39(23):9009-9015.[5] 朱华玲.土壤有机/无机胶体颗粒凝聚的激光散射研究[J ].重庆:西南大学资源环境学院,2009:9-11.[6] 朱华玲,李 兵,熊海灵,等.不同电解质体系中土壤胶体凝聚动力学的动态光散射研究[J ].物理化学学报,2009,25(6):1225-1231.[7] 岳成风,杨冠玲,何振江.动态光散射光强自相关函数与颗粒分布关系及算法比较[J ].光电子技术与信息.2004,17(1):10-14.[8] 贾明云,朱华玲,李 航.光散射技术在土壤胶体颗粒相互作用研究中的应用[J ].土壤学报,2010,47(2):253-261.35第9期 傅 强,等:C u 2+与Z n 2+引发胡敏酸胶体凝聚比较研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.45西南师范大学学报(自然科学版)h t t p://x b b j b.s w u.c n第38卷[9]高晓丹,李航,朱华玲,等.特定p H条件下C a2+/C u2+引发胡敏酸胶体凝聚的比较研究[J].土壤学报,2012,49(4):698-707.[10]K UWA T S U K AS.C o m p a r i s i o n o f T w oM e t h o d s o f P r e p a r a t i o n o fH u l i c a n dF u l v i cA c i d s.I H S SM e t h o d a n dN A G O Y AM e t h o d[J].S o i l S c i P l a n tN u t r i,1992,38(1):23-30.[11]申晋,郑刚,李梦超,等.用光子相关光谱法测量多分散颗粒系的颗粒粒度分布[J].光学仪器,2003,25(4):3-6.[12]田锐,刘艳丽,李航,等.Z n2+吸附引发腐殖质分子凝聚的激光散射研究[J].西南大学学报:自然科学版,2010,32(11).[13]贾明云,朱华玲,李航.光散射技术在土壤胶体颗粒相互作用研究中的应用[J].土壤学报,2010,47(2):253-261.[14]J A N I N EL.B U R N S,Y A N Y a o-d e.AL i g h t S c a t t e r i n g S t u d y o f t h eF r a c t a lA g g r e g a t i o nB e h a v i o r o f a M o d e lC o l l o i d a lS y s t e m[J].L a n g m u i r,1997,13:6413-6420.[15]L I N M Y,L I N D S A Y H M,W E I T ZD A,e t a l.U n i v e r s a l D i f f u s i o n-L i m i t e dC o l l o i dA g g r e g a t i o n[J].J o u r n a l o f P h y s-i c s:C o n d e n s e d M a t t e r,1990,2:3093-3113.[16]L I N M Y,L I N D S A Y H M,W E I T ZDA,e t a l.U n i v e r s a l i t y i nC o l l o i dA g g r e g a t i o n[J].N a t u r e,1989,339:360-362.[17]L I N M Y,L I N D S A Y H M,W E I T ZDA,e t a l.U n i v e r s a l i t y o f F r a c t a lA g g r e g a t e sA sP r o b e db y L i g h t S c a t t e r i n g[M].P r o-c e ed i n g s o f t h eR o y a l S o c ie t y of L o n d d o nS e r i e sA,1989,423:71-87.[18]胡纪华,杨兆禧,郑忠.胶体界面化学[M].广州:华南理工大学出版社,1997:254-330.[19]L U CD E R R E N D I N G E R,G A R R I S O NS P O S I T O.F l o c c u l a t i o nK i n e t i c sa n dC l u s t e r M o r p h o l o g y i nI l l i t e/N a c l S u s p e n-s i o n[J].J o u r n a l o fC o l l o i da n d I n t e r f a c eS c i e n c e,2000,222:1-11.AC o m p a r a t i v e S t u d y o nH u m i cA c i dC o l l o i dA g g r e g a t i o n I n d u c e db y S p ec i f i cAd s o r p t i o n I o n sC u2+,Z n2+F U Q i a n g,G U O X i a,S HA O Y u e,Z HU H u a-l i n g, L I H a n gC o l l e g eo f R e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n t,S o u t h w e s t U n i v e r s i t y,C h o n g q i n g400716,C h i n aA b s t r a c t:I n t e r a c t i o n s o f h u m u s p a r t i c l e s i n d u c e db y m e t a l i o n s p r o f o u n d l y a f f e c t t h e f o r m a t i o no f h u m u s s t r u c t u r e,a n d t h em i g r a t i o n a n d t r a n s p o r t a t i o n o f e n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a n t s.A s h u m i c a c i d i s t h em a i n c o m p o n e n t o f s o i l h u m u s,a g g r e g a t i o nk i n e t i c s o f h u m i c c o l l o i d a l p a r t i c l e s a n d s t r u c t u r a l a n d t h e r e s u l t a n t a g g r e g a t e s a s a f f e c t e db y t h ed i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fC u C l2,Z n C l2i nt h es o l u t i o n sh a v eb e e ns t u d i e d c o m p a r a t i v e l y b y d y n a m i c\s t a t i c l i g h t s c a t t e r i n g.R e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a g g r e g a t i o n c h a r a c t e r s i n d u c e d b y t w o e l e c t r o l y t e s a r e e s s e n t i a l l y s i m i l a r.W i t h t h e e l e c t r o l y t e c o n c e n t r a t i o n l o w,t h e e f f e c t i v e d i a m e t e r o f h u m i c a g g r e g a t e s i n t w o e l e c t r o l y t e s y s t e m s i n c r e a s e s l i n e a r l y,a n d t h e na s a p o w e r f u n c t i o no f t i m ew i t h t h e e l e c t r o l y t e c o n c e n t r a t i o nh i g h.W i t h r i s i n g t h eC u C l2,Z n C l2c o n c e n t r a t i o n,t h em e a n a g g r e g a t i o n r a t e s o f h u m i c c o l l o i d s i n t h e s a m e e l e c t r o l y t e s o l u t i o n i n c r e a s e d g r a d u a l l y a n d t h e f r a c t a l d i m e n s i o n s o f t h e r e-s u l t a n t a g g r e g a t e s d e c r e a s e d,w h i c h i m p l i e d t h a t t h e f a s t e r a g g r e g a t i o nv e l o c i t y i n d u c e d t h em o r eo p e no r l o o s e s t r u c t u r e.T h em e a na g g r e g a t i n g r a t e s o f h u m i c p a r t i c l e s a n d f r a c t a l d i m e n s i o n s o f t h e r e s u l t a n t a g-g r e g a t e s a r em o r e s e n s i t i v e t oC u C l2e l e c t r o l y t e c o n c e n t r a t i o n c h a n g e t h a n t oZ n C l2.K e y w o r d s:h u m i c a c i d;l i g h t s c a t t e r i n g;a g g r e g a t i o n;f r a c t a l d i m e n s i o n责任编辑陈绍兰Copyright©博看网. 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第十二章 界面现象和胶体分散系统第八节 胶体系统的稳定与聚沉
一、胶体系统的稳定——DLVO理论
(一)理论要点
(1)胶团间既存在斥力势能，也存在引力势能 引力 范德华力：分子或原子间与距离6次方反比，属近程力。 分散相微粒间引力，仍有范德华引力性质，但因每个核粒皆由多个 分子或原子组成，这种范德华引力是多个分子或原子作用的结果， 作用范围，比分子的大千百倍，为远程范德华力
（2）感胶离子序 同价反离子聚沉能力大小次序为感胶离子序 (lyotropic series)。一价正、负离子对带相反电荷胶体粒子的聚沉能 力大小的顺序
H+＞Cs+＞Rb+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+
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F-＞C1-＞Br-＞NO3-＞I-＞SCN-＞0H-
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（二）高分子化合物的聚沉作用和保护作用
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二、胶体系统的聚沉 胶体系统中的分散相微粒互相聚结，颗
粒变大，进而发生沉降的现象，称为聚沉（coagulation）
（一）电解质的聚沉作用
适量电解质稳定胶体；量过多，尤其高价反离子易使溶胶聚沉。原
因：电解质浓度或价数增加，将更多反离子挤入紧密层，使电势
降低，扩散层变薄，ER降低，Emax变小，当电解质浓度足够大时，
Emax代表溶胶发生聚沉时必须克服的“势垒”，迎面相碰的一对胶 体粒子所具有的平动能足以克服这一势垒，才能进一步靠拢聚沉。
若Emax足够高，胶粒热运动无法克服，溶胶相对稳定；若Emax很小
或者2023不/2/2存1 在，溶胶易聚沉 Nhomakorabea3
（2）溶剂化的稳定作用 溶剂化也是溶胶稳定的重要原因：水为 分散介质，胶团双电层结构离子都是水化的，在粒子周围形成弹性 水化外壳。布朗运动使胶团靠近时，水化外壳受挤压而变形，但每 个胶团都力图恢复其原来的形状而又被弹开，可见，水化外壳的存 在增加了溶胶聚合的机械阻力，利于溶胶的稳定性
胶体液滴固着蒸发后颗粒沉积形貌的影响因素研究
目录摘要 (1)Abstract (2)第一章引言 (4)第1.1节研究背景及意义 (4)第1.2节国内外研究进展 (4)第1.3节本文研究内容 (6)第二章实验介绍 (7)第2.1节实验原理 (7)第2.2节实验药品及仪器 (8)第2.2.1节实验药品 (8)第2.2.2节实验仪器 (8)第2.3节实验方法 (9)第2.3.1节梯度溶液的配制 (9)第2.3.2节液滴自然蒸发 (9)第2.3.3节颗粒沉积形貌拍摄 (11)第三章结果与讨论 (12)第3.1节颗粒沉积形貌的变化 (12)第3.2节溶液浓度对颗粒沉积形貌的影响 (14)第3.3节液滴体积对颗粒沉积形貌的影响 (16)第3.4节颗粒粒径对颗粒沉积形貌的影响 (17)第3.5节重力对颗粒沉积形貌的影响 (18)总结 (20)参考文献 (21)致谢 (23)摘要液滴的蒸发觉象普遍存在于自然界和生活中。
当含有胶体颗粒的溶液液滴在固体基底上自然蒸发后，大部分溶质聚集在液滴边缘，少量溶质残留在内部，即在基底上留下不均匀的的沉积图案，这种现象就是闻名的“咖啡环效应”。
“咖啡环效应”的实质为液体蒸发驱动颗粒进行自组装，目前，许多研究工作致力于研究液滴的蒸发模型、蒸发动力学、液滴蒸发后形成的不均匀图案等。
本文主要探究影响胶体液滴固着蒸发后颗粒沉积形貌的因素。
分别从颗粒粒径、液滴体积、溶液浓度、重力等方面进行试验与分析。
试验选用含不同颗粒的四种溶液，分别为RS（约120 nm）、SM-30（胶态氧化硅，约7 nm）、TM-40（胶态氧化硅，约22 nm）、水解TEOS（氧化硅低聚体，呈现溶液行为），固体基底为导电玻璃。
待基底上的液滴自然蒸发后，用电镜和显微镜观察残留的沉积图案。
试验结果表明，含不同颗粒的胶体液滴蒸发后形成不同的沉积图案，如SM-30的花瓣状图案、TM-40的辐射状图案、水解TEOS的无规章状图案。
同时，颗粒粒径也会影响液滴在基底上的钉扎效应。
胶体粒子的结构与胶体的聚沉
胶体粒子的结构与胶体的聚沉一,胶体的结构以AgI胶体为例说明胶体的形成及结构:1.胶核及吸附①胶核的形成若将稀溶液与KI稀溶液混合后,将发生如下的化学反应:生成m个AgI分子聚集成直径为1nm～100nm范围内的微晶粒子是分散质的核心,称之为胶核.②胶核的选择性吸附体系中有多种离子,如等,胶核吸附何者实验表明胶核选择性吸附与其组成有关,浓度较大的离子,例如制备AgI时,如果KI过量,胶核就优先吸附了n个而带负电荷,反之,若过量,则吸附了n个而带正电荷.③反离子的分布与体系中的胶核所带电荷电性相反的离子称为反离子,如KI过量时的或过量时的就是反离子,体系中的反离子受到两种相反的作用力.静电作用力:由于反离子带有与胶核表面电荷电性相反的电荷,所以反离子与胶核间将产生静电作用,使反离子尽量靠近胶核分布.分子热运动:反离子在不停地运动之中,这种运动驱使反离子趋向均匀分布.静电作用和分子热运动共同作用的结果,使体系反离子按一定的梯度分布,即自胶核表面向外,单位体积的反离子数目越来越少.2.胶粒与胶团靠近胶粒表面的n-x个反离子,由于受到较强的静电作用,因而较紧密地束缚在胶核周围,与胶核表面吸附的离子共同组成吸附层,吸附层与胶核构成胶粒.胶粒与扩散层包括在一起称为胶团.较外层的x个反离子,由于受到静电作用力很弱,很疏松地分布在胶粒的周围,称为扩散层.从胶团的结构可知,由于吸附层内离子或离子数目少于或,因此胶粒是带电的,但整个胶团是电中性的.由于扩散层并不与胶粒一起运动,因此,在外电场作用下,胶粒作为一个整体而向某一电极移动,而扩散层的离子移向另一电极.二,胶体的稳定性与聚沉1.胶体的稳定性从理论上讲,胶体是热力学不稳定体系,胶粒有相互聚集成大颗粒而沉降析出的趋势.然而实际上经过纯化的胶体往往可以保存数日甚至更长时间也不会沉降析出.其原因主要有以下两点:①胶粒的静电作用同一体系胶粒带有同种电荷,相互排斥,阻止了胶粒的靠近,聚集.②水化膜的保护作用胶粒中的吸附离子和反离子都是水化的(即离子外围包裹着水分子),所以胶粒是带水化膜的粒子.水化膜犹如一层弹性隔膜,起到了防止运动中的胶粒在碰撞时相互聚集变大的作用. 2.胶体的聚沉胶体的稳定性是相对的,是有条件的.只要减弱或消除使胶体稳定的因素,就能使胶体胶粒聚集成较大的颗粒而沉降,这种使胶粒聚集成较大颗粒而沉降的现象称为聚沉.(1)电解质对胶体的聚沉作用在胶体体系中,加入少量电解质后,增加了体系中离子的浓度,将有较多的反离子挤入吸附层,从而减少甚至完全中和了胶粒所带的电荷,使胶粒之间的相互斥力减少甚至丧失,导致胶粒聚集合并变大,最终从胶体中聚沉下来.聚沉规律有以下两点:①电解质对胶体的聚沉作用,主要是由与胶粒电性相反的离子引起的,这种离子的价数越高,其聚沉值越大.②同价离子的聚沉能力虽相近,但也略有不同,半径大的离子聚沉能力强.(2)胶体的相互聚沉作用将两种带相反电荷的胶体以适当的比例混合也会发生聚沉.如所带电荷相互抵消,形成较大颗粒,产生聚沉.由蛋白质离心想到的一种或几种物质分散在另一种介质中所形成的体系称为分散系。
胶体发生聚沉的条件
胶体发生聚沉的条件一、电解质浓度电解质的加入可以改变胶体中的电离程度，从而影响胶体的稳定性。
当电解质浓度增加时，正负离子的数目也增加，胶体内部的电荷屏蔽效应增强，微粒之间的静电斥力减弱。
这会导致微粒之间的吸引力增加，胶体发生聚沉。
二、pH值pH值是指溶液中氢离子（H+）的浓度的负对数。
当改变溶液的pH值时，会影响胶体中微粒表面的电离程度。
对于带电的胶体微粒来说，当溶液的pH值接近微粒的等电点时，微粒表面的电荷几乎中和，胶体失去稳定性，微粒会发生聚沉。
三、离子强度离子强度是指溶液中所有电离物质的浓度，包括电解质和胶体微粒。
当溶液中的离子强度增加时，溶液中的正负离子浓度增加，导致微粒表面电荷屏蔽效应增强，微粒之间的静电斥力减弱。
这会促使胶体微粒发生聚沉。
四、温度温度的变化会引起胶体微粒的热运动的变化，进而影响胶体的稳定性。
一般情况下，随着温度的升高，胶体中微粒的热运动加剧，微粒之间的碰撞频率增加，胶体发生聚沉的可能性增加。
五、外界力的作用外界力的作用是指外力对胶体微粒的作用力，如重力、离心力等。
当外界力作用于胶体微粒时，会破坏微粒之间的平衡，导致微粒发生聚沉。
例如，在离心过程中，胶体微粒会受到离心力的作用，向离心管的底部沉淀。
六、胶体浓度胶体浓度是指单位体积内胶体微粒的数量。
当胶体浓度过高时，微粒之间的碰撞频率增加，微粒之间的吸引力增强，胶体发生聚沉的可能性增加。
七、胶体微粒的大小胶体微粒的大小对胶体的稳定性有一定影响。
一般来说，微粒越小，其表面积越大，表面电荷越多，胶体的稳定性越高。
而当微粒的大小差距较大时，大微粒之间的吸引力会增强，导致胶体发生聚沉。
导致胶体发生聚沉的条件有电解质浓度、pH值、离子强度、温度、外界力的作用、胶体浓度和胶体微粒的大小等因素。
了解这些条件对胶体的影响，可以帮助我们更好地控制和应用胶体，提高胶体的稳定性。
电解质破坏胶体的主要原因
中和胶粒的电荷或加快其胶粒的热运动以增加胶粒的结合机会。
在溶液中加入电解质，这就增加了胶体中离子的总浓度，而给带电荷的胶体粒子创造了吸引相反电荷离子的有利条件，从而减少或中和原来胶粒所带电荷，使它们失去了保持稳定的因素。
这时由于粒子的布朗运动，在相互碰撞时，就可以聚集起来，迅速沉降。
向胶体中加入盐（电解质）时，其中的阳离子或阴离子能中和分散质微粒所带的电荷，从而使分散质聚集成较大的微粒，在重力作用下形成沉淀析出。
这种胶体形成沉淀析出的现象称为胶体的聚沉（适用于液溶胶）。
胶体聚沉原理
胶体聚沉原理胶体是一种特殊的物质状态，它的粒子大小介于分子和颗粒之间，具有分散体系的特点。
在水处理领域，胶体颗粒的存在往往会给水质净化和处理带来一定的困难，因此研究胶体聚沉原理对于水处理工艺具有重要意义。
胶体聚沉是指在适当的条件下，胶体颗粒由于各种作用力的作用而聚集成较大的团聚体，最终沉降到容器底部的过程。
胶体聚沉原理主要涉及到几种力的作用，静电作用、凝聚作用和重力沉降。
首先，静电作用是胶体聚沉的重要机制之一。
在水处理过程中，胶体颗粒通常带有电荷，这种电荷会使它们相互排斥，难以聚集成较大的团聚体。
为了克服这种排斥作用，可以通过添加适当的混凝剂改变胶体颗粒表面的电荷性质，使它们发生凝聚作用，从而形成较大的团聚体。
其次，凝聚作用是胶体聚沉的关键环节。
通过添加混凝剂或絮凝剂，可以改变胶体颗粒的表面性质，使其发生凝聚作用，形成较大的絮团。
这些絮团在重力的作用下会迅速沉降到容器底部，从而实现胶体的有效去除。
最后，重力沉降是胶体聚沉的最终实现方式。
在经过静电作用和凝聚作用后，形成的较大团聚体或絮团会在重力的作用下迅速沉降到容器底部，完成胶体的去除过程。
总的来说，胶体聚沉原理是通过改变胶体颗粒表面的电荷性质，促使其发生凝聚作用，最终在重力的作用下完成胶体的聚集和沉降。
在实际的水处理工艺中，可以通过合理选择混凝剂和絮凝剂的类型和投加量，控制水质的pH值和温度等条件，来实现胶体的有效去除，从而达到净化水质的目的。
需要注意的是，胶体聚沉原理在水处理工艺中的应用需要根据具体的水质情况和处理要求进行调整和优化，以达到最佳的处理效果。
同时，对于胶体的去除还可以结合其他的水处理技术，如过滤、吸附等，从而实现更全面、高效的水质净化处理。
综上所述，胶体聚沉原理是水处理工艺中重要的理论基础，通过改变胶体颗粒的性质和促使其聚集沉降，可以有效地净化水质，保障水环境的安全和健康。
在实际应用中，需要充分理解胶体聚沉原理，并结合具体情况进行合理的调整和优化，以实现最佳的水质处理效果。
土壤学问题答疑
土壤学问题答疑《土壤与土壤地理学》问题答疑１、硅铝铁率：土壤中的所有硅折合成二氧化硅，所有铁折合成氧化铁，所有铝折合成氧化铝后，二氧化硅与氧化铁和氧化铝总量的分子比率。
２、土壤背景值：处于某一演化阶段的未受人为活动影响的自然土壤中元素的组成和含量，称土壤背景值。
３、富铝化过程：风化过程中，矿物中盐基离子释放出来而形成中性或微碱性环境，此时所发生的氧化硅淋失，氧化铁和氧化铝相对富集的过程称富铝化过程。
４、土壤环境容量：土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准，即保证农产品产量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤所能允许承纳的污染物最大数量或负荷。
５、土壤质地：土壤中不同大小粒级土粒的构成状况称土壤的机械组成。
根据土壤机械组成状况划分的土壤类别名称，称土壤质地。
或：土壤中，根据不同大小粒级土粒的构成状况而划分的土壤类别名称，称土壤质地。
６、土壤质量：在自然或人类管理的生态系统边界内，土壤具有动植物生产持续性，保持和提高大气和水体质量以及支撑人类健康与生活的能力。
７、土壤自净作用：进入土壤的污染物在土壤中通过物理、化学和生物化学等作用，降低其浓度或改变其形态，从而消除或降低污染物毒性。
８、土壤颗粒的表面电荷来自于：同晶替代，表面羟基，专性吸附。
９、我国北部地区从东到西依次分布着：暗棕壤，黑土，黑钙土，栗钙土，棕钙土或灰钙土、漠境土壤等经度地带性土壤。
我国从南到北依次分布着：砖红壤，赤红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、暗棕壤、灰化土。
１０、分析离子浓度和离子价数对胶体分散性与凝聚性的影响。
胶体颗粒受到两个相反的作用力的作用：A：胶体颗粒间的长程范德华力，它是吸引力，使胶体凝聚。
B：胶体双电层间的静电排斥力，它使胶体分散。
当胶体间的范德华力大于静电排斥力时，胶体就凝聚，反之则分散。
当土壤中的离子价数越高，离子浓度越大时，双电层就越薄，范德华力就可能大于静电排斥力，土壤胶体就发生凝聚，反之则反。
１１、主要的淋溶过程类型及发生机理是什么？土壤中的淋溶过程类型主要包括：中性淋溶、还原淋溶和络合淋溶三种类型。
蛋白质工程复习题集(1)
第二章蛋白质结构基础1·名词解释蛋白质分子的构象：蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布2·填空氨基酸结构中有一个不对称的α碳原子，这就表示它有不同构型的两种立体结构L型和D 型。
3·判断β发夹结构属于二级结构（X）4·简答什么是基因表达的中心法则答：DNA转录成RNA，再翻译成蛋白质序列5·论述蛋白质的结构层次是如何界定的？答：1.蛋白质所含有的由遗传密码决定的标准氨基酸共有20种天然蛋白质大多是L型的，D型非常少（正确）2.简述氨基酸的基本组成氨基酸是由一个氨基、一个羧基、一个氢原子和一个称为侧链的R基团组成的。
组成蛋白质的氨基酸是一类特殊的氨基酸，氨基和羧基都在碳原子上，不同的氨基酸有不同的R基团3.名词蛋白质的二级结构，是指多肽链在氢键的作用下，沿一维方向排列成为具有周期性的结构的构象，它是肽链中局部肽段的构象，是完整肽链构象的结构单元，是蛋白质复杂构象的基础。
4.简述蛋白质都有哪些二级结构二级结构的类型有α螺旋、β折叠、回折和无规则卷曲。
一填空生命遗传中的中心法则是从DNA到RNA，再到蛋白质。
二名词解释卷曲：在蛋白质构象中，有一些有序但不重复的构象，它与仪螺旋、β折叠和转角等规则而重复的构象不同，仍是氢键，这种构象称之为卷曲。
三简答简述蛋白质的二级结构类型（二级结构的类型有α螺旋、β折叠、回折和无规则卷曲。
）四判断蛋白质的二级结构并不是一成不变的，一些因素可以引起蛋白质二级结构的改变。
（正确）五论述试论述蛋白质初级结构与高级结构的关系（答案略）1；名词解释pI定义：在某一pH值溶液中，Pr酸性基团和碱性基团的解离程度相当Pr分子所带正负电荷相等，净电荷为零此时溶液的pH值称为Pr的pI。
2；蛋白分子在溶液中形成稳定胶体的原因：表面形成水化层，表面同种电荷的斥力。
3；判断题：变性Pr不一定凝固凝固的Pr不一定变性。
（错误）准确答案：变性Pr不一定凝固凝固的Pr一定变性4；蛋白质分子引起280nm光吸收的最主要成分是｛D｝A.肽键B.半胱氨酸的-SH基C.苯丙氨酸的苯环D.色氨酸的吲哚环E.组氨酸的咪唑环5；H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响1》.H+、和CO2促进氧的释放（Bohr效应）2》.ＢＰＧ降低Hb 对氧的亲和力第三章蛋白质的功能特性与改性加工一、名词解释1.吸湿平衡法2.乳化能力3.起泡能力4.蛋白质凝胶化5.化学改性二、填空题1.影响蛋白质溶解性的主要因素是-------和----------。
超重力环境下AlCl3-Et3NHCl离子液体电解铝的研究的开题报告
超重力环境下AlCl3-Et3NHCl离子液体电解铝的研究的开题报告一、研究背景在空间中进行化学反应和材料制备，是未来太空探索的重要方向之一。
由于太空中重力微弱或者不存在，重力对存在于太空中的化学反应和材料制备具有极大的影响。
因此，在进行太空化学和材料制备研究时，需要考虑重力环境对反应的影响。
电解铝是一种重要的金属制备方法，在地球上已经有较为成熟的工业化生产体系。
但在低重力环境下，电解铝的机理和产物可能会发生变化，这对其在太空中的应用具有极大的影响。
因此，研究在超重力环境下电解铝的基础机理和反应动力学，对于开展太空电解铝的研究和应用具有重要的意义。
二、研究目的本研究旨在采用超重力环境下的离子液体（IL）体系，研究AlCl3-Et3NHCl离子液体电解铝的动力学和机理，并与常规地球重力环境下的电解铝进行比较研究。
具体目的如下：1.构建超重力环境下的离子液体反应器，实现离子液体电解铝的制备。
2.研究超重力环境对离子液体电解铝反应机理和产物的影响，比较超重力环境与地面重力环境下的差异。
3.探讨超重力环境下离子液体电解铝的反应动力学，寻求反应参数（如温度、电流密度、电解液成分等）对反应速率和产物占比的影响规律。
三、研究方法及步骤1.实验方案设计（1）构建超重力环境下的离子液体反应器在飞行器上设备一台离子液体反应器，通过旋转等方式模拟超重力环境。
设计反应器的结构和参数，保证反应器中的温度、压力、流速等与地球重力环境下的反应器相同。
（2）制备AlCl3-Et3NHCl离子液体电解铝在超重力环境下，制备AlCl3-Et3NHCl离子液体，并通过电解铝的方式进行制备，探讨超重力环境对离子液体电解铝反应机理和产物的影响，比较超重力环境与地面重力环境下的差异。
（3）反应动力学研究在不同的反应条件下（如温度、电流密度、电解液成分等），研究离子液体电解铝的反应动力学，寻求反应参数对反应速率和产物占比的影响规律。
2.实验流程（1）反应器准备准备超重力环境下的离子液体反应器，并设立相应的控制系统和监测系统。
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[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.鄄Chim.Sin .,2007,23(5)：688-694MayReceived:October 13,2006;Revised:December 7,2006;Published on Web:April 18,2007.English edition available online at ∗Corresponding author.Email:hli22002@;Tel:+8623⁃68251925.国家自然科学基金(40371061)及重庆市教委科学技术研究项目(KJ050205)资助ⒸEditorial office of Acta Physico ⁃Chimica Sinica重力场和电解质浓度对胶体凝聚体分形结构的影响袁勇智1,2熊海灵2李航2,∗朱华玲2蒋先军2(1西南大学图书馆,重庆400716;2西南大学资源环境学院,重庆400716)摘要：运用李航等提出的新方法,克服了DLVO 理论中无法理论计算不同电解质浓度下颗粒的表面电位这一困难,从而可以直接计算出不同电解质浓度下胶体颗粒间的位能.同时,还运用胶体颗粒动能的玻耳兹曼分布原理和蒙特卡罗方法来模拟胶体的运动,并采用非弹性碰撞理论解决了碰撞后凝聚的有效概率问题.在改进DDA 模型的基础上,成功地建立了以往的模拟中未能建立的重力场中电解质浓度与碰撞凝聚概率间的联系,结果发现,(1)重力场作用下的凝聚体分形维数随电解质浓度变化的曲线完全不同于无重力条件下的曲线.无重力作用下,凝聚结构体分形维数随电解质浓度的变化比较缓慢,曲线呈“L ”形；而重力作用下的分形维数则呈明显的“S ”形曲线.(2)在重力条件下,慢凝聚包括两个区域,对电解质浓度不敏感区域和敏感区域.在敏感区域存在一个电解质浓度的拐点.(3)无重力条件下,不同大小的胶体颗粒在快凝聚时的分形维数都是在1.86±0.01.当电解质浓度降低,凝聚速率变慢,分形维数增加,最大达到2.01±0.02,但不会形成重力条件下的分形维数接近3的结构体.关键词：胶体颗粒;凝聚;计算机模拟;分形中图分类号：O648Effect of Gravity and Electrolyte Concentration on the Fractal Structure of Colloidal AggregatesYUAN Yong ⁃Zhi 1,2XIONG Hai ⁃Ling 2LI Hang 2,∗ZHU Hua ⁃Ling 2JIANG Xian ⁃Jun 2(1Library,Southwest University,Chongqing 400716,P.R.China ;2College of Resource and Environment,Southwest University,Chongqing 400716,P.R.China )Abstract ：The new method developed by Li et al .was used to calculate the energy between two colloidal particles,which could break through the limit that the surface potential to be taken as a constant as electrolyte concentration changes in the classic DLVO theory.Also in this research,both the Boltzmann theory of kinetic energy of colloidal particles and Monte Carlo method were used to simulate the movement of colloidal particles,and the inelastic collision theory was used to solve the problem of effective collision probability.By improving the DDA model,the relationship between the cohesion efficiency and the electrolyte concentration in gravity field was established successfully.The results showed that:(1)the curves of the fractal dimension change with electrolyte concentration as gravity field presence were quite different from that as the gravity field absence.The curves were “L ”⁃shaped as the gravity field absence;however,as the gravity field presence,the curves were “S ”⁃shaped.(2)As gravity field presence,the slow aggregating process can be divided into two sections:the sensitive and non ⁃sensitive sections to electrolyte concentration.In the sensitive section,an inflexion of electrolyte concentration was found.(3)As gravity field absence,the fractal dimension of aggregates was 1.86±0.01for different size of colloidal particles as the aggregating process was fast under a higher electrolyte concentration paratively,for a slow aggregating process of low electrolyte concentration,the fractal dimension increased to 2.01±0.02.However,under the same low electrolyte concentration,the fractal dimension of aggregates approached 3as the gravity field presence.Key Words ：Colloidal particle;Computer simulation;Aggregation;Fractal688No.5袁勇智等：重力场和电解质浓度对胶体凝聚体分形结构的影响悬浮液中胶体颗粒的凝聚作用是自然界的一个普遍现象,胶体颗粒的凝聚不仅是胶体化学的重要研究内容,而且在化学化工、生态环境等多个领域都有重要应用.分散介质中的胶体颗粒在布朗运动、水流紊动、差速沉降等作用下发生碰撞,在一定条件下可结合而形成具有复杂的内部结构的凝聚体.不同体系胶体颗粒的凝聚机理不同,其凝聚过程可分别用DLVO(Derjaguin⁃Landau⁃Verwey⁃Overbeek)理论、空间稳定性理论和空缺稳定性理论来描述[1].带电胶体在电解质作用下的凝聚过程适合用DLVO理论来描述[1].根据DLVO理论、由于双电层的作用,胶体颗粒间存在一个排斥势垒,所以只有当胶体颗粒间的长程范德华吸引位能大到足以克服该排斥势垒时,胶体颗粒的凝聚作用才可能发生.而胶体颗粒的表面电位、体系的温度、电解质类型、电解质浓度等条件对该排斥势垒的高低有决定性的影响.胶体凝聚作用是多因素影响下的复杂过程,计算机模拟是研究胶体凝聚作用的重要手段.若干年来,人们已经在这方面进行了大量的研究.由Witten和Sander[2]提出的扩散控制凝聚模型(diffusion⁃limited aggregation(DLA))被广泛应用于固定中心的凝聚过程研究.Meakin[3a]和Kolb等[3b]提出了“簇间”凝聚模型(cluster⁃cluster aggregation(CCA)).在该模型中,当两个随机运动的单粒相遇后凝聚成“簇团”,这些“簇团”也可以发生随机运动,并相互碰撞形成更大的“簇团”或“凝聚体”.后来的研究者又依据碰撞后发生凝聚的有效概率,提出了DLCA(diffusion⁃lim⁃ited colloidal aggregation)模型[4]和RLCA(reaction⁃limited colloidal aggregation)模型[5].DLCA模型中的有效凝聚概率设定为1,用来模拟快凝聚；RLCA的有效凝聚概率小于1,用来模拟慢凝聚.在RLCA模拟中,一般都通过假设一个凝聚概率来进行模拟[6,7]. Jensen等[8,9]提出了DDA(deposition,diffusion and aggregation)模型,由于该模型同时考虑了重力和布朗运动的作用,比较真实地反映了重力场中的凝聚过程.该模型得到了广泛的应用.如Shao等[10]利用该模型对缺陷基底上的凝聚进行了模拟；Chan等[11]对多孔介质中的布郎粒子运动进行了研究.在目前针对胶体系统的模拟研究中,人们在处理粒子间的相互作用势垒时,大都把胶体颗粒作为硬球(hard sphere)[12,13]或软球(soft sphere)[14,15]进行处理.而李敬生[16]曾将颗粒间的相互作用势处理为Lennard⁃Jones势.但是,在凝聚过程模拟中,目前还缺乏将势垒与凝聚概率联系起来的有效方法.综上所述,虽然带电胶体颗粒凝聚的计算机模拟取得了重要的进展,但目前仍有如下几点不足: (1)由于胶体凝聚过程本身的复杂性,在目前的模拟研究中,在综合考虑有关热力学条件(如:电解质类型、电解质浓度、温度、悬浮液中颗粒密度、颗粒大小等)对凝聚过程与凝聚结果的影响方面明显不足,凝聚过程模拟必须进行较多的简化处理.众所周知,简单的欧几里德形状是在近平衡条件下形成的,而分形结构则只能在远离热力学平衡的条件下形成,而且其形成的动力学过程必将是非线性的[17].所以,详细考察各热力学条件对凝聚过程的影响是十分重要的.(2)在目前的模拟中,人们在考虑电解质类型、浓度、温度等热力学条件对凝聚的影响时,都把胶体颗粒的表面电位作为一个常数来处理,这显然是不合理的.研究表明[18],不论是恒电荷胶体还是可变电荷胶体,这些热力学条件都强烈地影响表面电位,从而影响双电层的排斥位能,进而影响胶体的有效碰撞概率.(3)当胶体颗粒的动能足够大时,在排斥位能大于吸引位能的条件下,仍可能出现胶体颗粒的非弹性碰撞的问题,在目前计算机模拟中被忽略掉了.在本研究中,我们考虑了电解质浓度对表面电位以及由此引起的对胶体颗粒间排斥势能的影响,采用了非弹性碰撞理论来处理大动能颗粒的碰撞问题,成功地建立了以往的模拟中未能建立的有关热力学条件与碰撞凝聚概率间的联系,并对最重要的环境条件———重力的影响进行了详细的研究,发现了一些有趣的新现象.1模拟计算方法1.1凝聚过程中聚合体颗粒的扩散系数的处理凝聚过程中的凝聚体是分形结构,对于分形结构,如何从“簇团”含有的胶体颗粒数得到分形凝聚过程中形成的“簇团”的等效半径R值是模拟中的关键一步.由于分形结构体的R值与“簇团”粒子数N、“簇团”分形维数D f间服从如下关系:N=c(R/r0)D f(1)R=r0(N/c)1/D f(2)式中,r0是胶体颗粒的半径,本研究中各种环境因素(如电解质、重力场等)对胶体凝聚的影响方面,r0的值设定为0.2μm,而研究胶体颗粒大小对凝聚的影响时,r0设定为4个值,即0.1、0.2、0.3、0.5μm;c是体系的堆积密度,为一常数.在密堆积情况下,c值689Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2007Vol.23应取为c=π/32√.凝聚过程中“簇团”的扩散系数的传统处理[19]未能反映胶体分形凝聚过程中,随凝聚的进行,扩散系数D随“簇团”包含的颗粒数N之间的定量化的联系.根据Einstein公式,“簇团”的扩散系数与“簇团”大小满足如下关系D=k T/6πηR(3)式中,k是Boltzmann常数,T是绝对温度,η是介质黏度.将(2)式与(3)式联合得到:D=kT(c/N)1/D f/(6πηr0)(4)根据此式,在模拟中,可以根据颗粒数N来计算“分形簇团”的扩散系数.1.2移动步长的确定根据Rzepiela等[12]提出的布朗运动模拟模型,在三维坐标的x方向上的位移有以下关系,Δx i(t+Δt)=N s6DΔt√(5)其中N s是一个随机数,在(-1,1)上服从均匀分布.由于三维坐标的另两个方向,y和z方向有相同的关系.于是任意r i方向上的位移有以下关系:Δr i(t+Δt)=3N s2DΔt√(6) 1.3凝聚体沉降作用对结构体形成的影响当胶体体系中胶体颗粒的沉降速率远低于布朗运动速率时,重力作用引起的同向运动相对于布朗运动是可以忽略的.然而,随着胶体颗粒凝聚成更大的“簇团”,重力作用增强,布朗运动减弱,当“簇团”达到一定大小时,重力的作用将不可忽略.规则球体的沉降速率可以按Stokes公式进行计算.但这里要解决的是分形结构体的沉降问题.假定分形结构成球状而且没有溶剂流经它,在层流状态下,Tang等[20]建立了分形结构的沉降速率(v)计算公式:v=2r20g9η(ρ-ρ0)(R r)D f-1(7)其中,ρ是胶体颗粒的质量密度,ρ0是体系的质量密度.由于在研究过程中分形结构的等效半径R无法预先知道,已知的只是分形结构包含的粒子数(N).为此,结合(1)式和(7)式,得到一个在模拟中更加实用的关系式:v=2r20g9η(ρ-ρ0)(N c)(1-1D f)(8) 1.4电解质浓度与有效碰撞概率间的关系按经典理论,胶体粒子在溶液分子的作用下作布朗运动,相互间会发生碰撞.根据DLVO理论,如果胶体颗粒双电层的静电排斥力小于颗粒间的范德华力,净位能为负值,胶体凝聚就可以发生.反之则胶体不会凝聚.但是,我们认为,如果胶体颗粒的布朗运动速度足够快,使得其动能可以突破双电层离子氛的静电排斥力,使颗粒充分靠近,最终使范德华力的强度大于静电斥力时,即使这个净位能为正值,胶体的凝聚仍可发生.基于以上分析,本研究将同时考虑胶体颗粒的动能和位能两种能量,并认为胶体颗粒的动能服从能量的Boltzmann分布.由于胶体颗粒碰撞后是否凝聚这一随机事件,其凝聚概率(或有效碰撞概率)同时受到多种因素的影响.所以,凡影响颗粒的动能、排斥能、吸引能和碰撞概率的因素,如温度、电解质类型、电解质浓度、表面电势、胶体颗粒密度、胶体颗粒大小等,都会影响粒子碰撞后凝聚的概率或有效碰撞概率.所以,本研究将同时利用Boltzmann理论和DLVO理论来计算胶体颗粒(包括凝聚过程中形成的“簇团”)的碰撞概率和有效碰撞概率,并研究电解质浓度对碰撞概率和有效碰撞概率的影响.胶体颗粒在溶液中作布朗运动,在一定条件下胶体颗粒将发生凝聚而形成聚合体.这一过程可以用Smoluchwski公式来描述[21]:d n ld t=12αi+j=l∑β(i,j)n i n j-αn l i∑β(i,l)n i(9)式中α是凝聚效率参数(有效碰撞概率),为0-1之间的一个常数.β(i,j)是分别含有i个单粒和j个单粒的两个“簇团”间的碰撞概率,n i,n j,n l是含有i,j,l个胶体颗粒的“簇团”个数.该公式描述了含有l个单粒的“簇团”的浓度变化.其中α值是一个关键的参数,其值的大小与体系的温度、电解质类型、电解质浓度、胶体颗粒的表面电位等热力学因素有关.在以前的模拟中,一般先对α值给定一个假设值,然后对一次具体的碰撞,用蒙特卡罗方法来决定是凝聚还是不凝聚.本模拟采用非弹性碰撞理论来决定某次碰撞是否凝聚,从而间接反映热力学条件与α值间的联系.如果胶体颗粒间没有排斥势垒,胶体在布朗运动下发生碰撞就会凝聚.但如果胶体颗粒间存在排斥势垒,当两个颗粒发生碰撞时,其动能是克服双电层排斥力的唯一能量.在计算胶体颗粒间的势垒时需要表面电位这个参数,但在经典的DLVO理论中,人们把这个值作为一个常数来处理.然而,不论是恒电荷胶体还是可变电荷胶体[18],其表面电位都随电690No.5袁勇智等：重力场和电解质浓度对胶体凝聚体分形结构的影响解质浓度的变化而变化,显然这给模拟连续变化的电解质浓度下的胶体凝聚带来困难.Li等[22]曾建立起了表面电位与电解质浓度间的定量关系,本模拟研究通过利用这个关系来克服了这一困难.虽然该关系式同时适用于可变电荷和恒电荷胶体体系,但由于可变电荷胶体表面的电荷密度也随电解质浓度而改变,所以目前直接利用该式来计算可变电荷胶体的表面电位还有困难,因此本模拟研究只讨论恒电荷胶体体系对称电解质的情况.尽管实际体系往往是可变电荷和恒电荷胶体的混合体系,但许多胶体体系(如黏土矿物和自然界的多数土壤等)都可以看成是恒电荷胶体体系.利用Li等[22]建立起来的关系式,对称电解质体系中的表面电位(φ0)与离子价数(Z)、电解质浓度(c0)、温度(T)和分散介质的介电常数(ε)间的关系可以表达为,φ0=kT Ze lnεkN A Tc02πσ20Z2[](10)式中,σ0是表面电荷密度,e为一个正电荷的电量, N A为阿伏加德罗常数,k为Boltzmann常数.另外一个难题是,到底需要多少动能才能克服排斥势垒呢?由物理学原理可知,对于非弹性碰撞,两个粒子碰撞后粘在一起会消耗掉最多的动能.这里假设所有消耗的动能都是因为克服双电层的排斥力而损失的,则可以对碰撞中的这部分动能(把它叫做有效动能)作如下处理,从而得到碰撞的凝聚概率,即有效碰撞概率.假设“簇团1”质量为m1,速率为v1,“簇团2”质量为m2,速率为v2,“簇团1”和“簇团2”相撞后凝聚在一起.根据动量守恒定律,可推出碰撞前后体系的动能损失(即有效动能)为,ΔE=E1-E2=(m1v21+m2v22)-m21v21+m22v22+2m1m2(v1x v2x+v1y v2y+v1z v2z)2(m1+m2)(11)式中,ΔE是碰撞前后的动能差,E1是碰撞前的动能, E2是碰撞后的动能;v1x、v1y、v1z分别代表v1在三个方向上的分量;v2x、v2y、v2z分别代表v2在三个方向上的分量.胶体碰撞后凝聚与否,由有效动能和排斥势垒决定.如果有效动能大于排斥势垒,则单粒碰撞凝聚形成“簇团”(或“簇团”进一步凝聚形成更大的“簇团”).否则,两个颗粒继续作各自的布朗运动.在本研究中,单粒及“簇团”在任意时刻的动能通过蒙特卡罗模拟的方法得到.具体方法是:单粒或“簇团”在溶液中做布朗运动并发生碰撞,其动能服从能量的Boltzmann分布.对于任何大小的颗粒或“簇团”,其平均能量都为(3/2)kT.在某一时刻,有部分粒子颗粒或“簇团”的动能超过DLVO理论需要的动能条件限制,凝聚就会发生.颗粒动能(E)与颗粒数量(n)间的微分关系由下式确定.d n=2πN(πkT)3/2E1/2e-E/kT d E(12)式中N是体系中粒子总量.于是,在凝聚模拟实验中,通过蒙特卡罗模拟就可得到某一粒子在时刻t 的动能.2结果与讨论为了体现重力场的影响,以下的所有模拟都是在柱状容器(高500个胶体颗粒直径,底半径为30个胶体颗粒直径)中进行.模拟条件:温度25℃,pH为7,颗粒的体积分数为0.5%,表面电荷密度为0.6C·m-2.分别在水(25℃时的相对介电常数78.3,黏度系数0.8937kPa·s,密度1000kg·m-3)和乙醇(25℃时的相对介电常数24.3,黏度系数1.096kPa·s,密度960 kg·m-3)两种介质中进行模拟.由于计算机运行速度的限制,本模拟的粒径范围取为0.1-1μm之间(实际上许多胶体体系的颗粒粒径主要位于该尺度范围,如黏土矿物、土壤胶体、微生物、红血球等).本文采用三角形格子模型进行模拟；体积分数的计算方法采用胶体颗粒占有的体积除以容器体积；分形维数采用密度相关函数法计算.在不同电解质类型、不同电解质浓度以及有无重力作用的条件下,对胶体颗粒的凝聚进行了计算机模拟,用分形维数和孔隙度两个参数来反映凝聚体的结构性质,水体系的模拟结果见图1-4.从图1可发现,有重力和无重力会导致完全不同的电解质浓度响应模式.无重力作用下,凝聚结构体分形维数随电解质浓度的变化速率比较缓慢,几乎呈线性关系；而重力作用下的分形维数则呈现明显的“S”型曲线.根据DLVO理论,当DDL排斥势垒为零时,颗粒间一旦碰撞就凝聚,称为快凝聚(DLCA),所对应的电解质浓度称为临界浓度.若电解质浓度低于临界浓度,则凝聚转变为慢聚沉(RLCA).由于重力不会对胶体双电层的电场产生影响,所以重力作用不影响该临界浓度值.在本模拟设定的参数条件下,1∶1型电解质的临界浓度为0.389mol·L-1,2∶2型电解质的临界浓度为0.0093mol·L-1.显然该模拟结果不符合叔采⁃哈迪规则,原因是本研究考虑了电解691Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2007Vol.23质类型和浓度对胶体颗粒表面电位的影响.由图1可知,对于0.2μm 胶体颗粒,在无重力条件下,当电解质浓度高于临界浓度时,分形维数不随电解质浓度的变化而发生变化,其值均为1.86.当浓度低于临界浓度后,分形维数随电解质浓度的降低而缓慢上升.当电解质浓度低于某个值后,胶体体系将不再凝聚而保持稳定.造成这种现象的原因是:当电解质浓度高于临界浓度后,排斥势垒消失,胶体颗粒一旦碰撞就凝聚,凝聚概率都为1,所以分形维数保持不变.当电解质浓度低于该浓度时,随浓度降低,势垒增高,在动能分布不变的情况下,凝聚概率将降低.这时,胶体颗粒更有机会进入内部,形成更致密的结构体,从而导致分形维数增加.当势垒很高时,胶体颗粒的动能无法突破排斥势垒,凝聚概率为零,体系保持稳定.然而,在有重力条件下,模拟发现,当电解质浓度高于临界浓度时,凝聚体结构分形维数均为1.89,略高于无重力条件.这是因为当胶体颗粒受到重力作用时,这些颗粒除发生布朗运动外,还可能沿重力方向作同向运动.当电解质浓度低于临界浓度时,结构体分形维数随电解质浓度的减少而增大,孔隙度随之下降,结构变得更致密.根据图1和图2,在重力条件下,慢凝聚可分为两个阶段.在电解质浓度稍低于临界浓度的区域,凝聚体结构随电解质浓度变化不敏感,表现为分形维数随电解质浓度变化缓慢.比如在1∶1型电解质条件下,电解质浓度从0.389mol ·L -1降到0.385mol ·L -1,分形维数从1.89上升到2.07.但在该区域以后,系统进入一个浓度敏感区域.电解质浓度的少量变化会引起凝聚体结构的巨大改变.比如当1∶1型电解质浓度从0.385mol ·L -1降到0.383mol ·L -1,分形维数从2.07迅速增大到2.75.而当2∶2型电解质浓度从0.009mol ·L -1降到0.0088mol ·L -1时,分形维数从2.05增大到2.80.可能的原因是,当电解质浓度低于临界浓度后,随浓度降低,势垒增高,在颗粒动能分布不变时,凝聚概率会降低.当凝聚概率不太低时,凝聚过程进行得不会太慢,体系主要受布朗运动控制,重力的作用相对较弱.这时,有重力和无重力作用所得结果相近,即同样表现为凝聚体结构对电解质浓度响应不敏感.但当凝聚概率很低时,由于凝聚速度缓慢,体系有足够的时间使重力对胶体颗粒的运动产生影响,因此重力作用显著,从而使重力条件下凝聚体的分形维数的浓度响应曲线出现一个敏感区域.图1和图2还表明,在重力条件下,凝聚体的分形维数的浓度响应曲线存在一个无重力条件下不存在的区域.在有重力作用时,凝聚体的分形维数的浓度响应曲线上存在这样一个电解质浓度c m ,在电解质浓度小于c m 的区域,分形维数对浓度变化的二阶导数小于0,即d 2D f /d c 2<0.但是,在无重力条件下则没有该区域出现.所以在有重力时,分形维数的浓度响应曲线存在一个d 2D f /d c 2=0的拐点,该点的电解质浓度为c m .这个拐点存在的可能原因是,当电解质浓度很低,即c <c m 时,凝聚概率或凝聚速率也很低,所以有足够的时间使重力作用效应表现出来,胶体的凝聚主要受重力所控制.然而,当c >c m 时,凝聚概率或凝聚速率增加,重力作用效应无法表现出来,凝聚过程主要受布朗运动所控制.从图3可以看出,胶体颗粒半径对凝聚结构体分形维数有影响,且在有重力和无重力下的影响差别很大.无重力条件下,不同大小的胶体颗粒在快凝聚时分形维数都是在1.86±0.01.电解质浓度降低,图1在不同浓度1∶1型电解质的水体系中凝聚体的分形维数和孔隙度Fig.1Fractal dimension and porosity of aggregate in 1∶1electrolyte aqueous solution-□-gravity field presence,-■-gravity fieldabsenc图2在不同浓度2∶2型电解质的水体系中凝聚体的分形维数和孔隙度Fig.2Fractal dimension and porosity of aggregatein 2∶2electrolyte aqueous solution-□-gravity field presence,-■-gravity fieldabsence692No.5袁勇智等：重力场和电解质浓度对胶体凝聚体分形结构的影响分形维数增加,最大达到2.01±0.02.但颗粒半径不同,DDL 排斥势垒不同,从而导致慢凝聚区域的宽度不同.当颗粒半径为0.5μm 时,该宽度最小,而0.1μm 颗粒时该宽度最大.在重力条件下,不同半径胶体颗粒在快凝聚时形成的凝聚体的分形维数不同,而且分形维数随颗粒半径的增加而增加,如颗粒半径为0.1μm 时,分形维数为1.86；而颗粒半径为0.5μm 时,分形维数增加到2.可能的原因是,(1)布朗运动与重力运动的相对大小决定了凝聚体结构的分形维数.在无重力条件下,不同半径的胶体颗粒只受布朗运动控制,所以分形维数都相同.在重力场中,小粒径胶体的布朗运动比重力要强烈得多.所以,胶体颗粒较小时的重力条件下的模拟较接近无重力条件.当粒子半径为0.1μm 时,重力作用可以忽略,凝聚体分形维数为1.86,与无重力时一样.(2)由于颗粒半径增加导致的DDL 排斥势能的增加大于该条件下的范德华力的增加.所以,半径大的胶体颗粒在同样的电解质浓度下的势垒要比小半径颗粒高,从而造成从慢凝聚区宽度随颗粒半径的增加而减少.图4表明,在重力作用下孔隙度和分形维数间存在比较显著的负相关关系.另外我们还发现无论有无重力,孔隙度都随分形维数的增加而降低.为了进一步证实上述模拟所得结果,我们又采用1∶1型电解质在乙醇介质中进行了模拟.该体系中,不同粒径胶体颗粒的模拟结果见图5.从图5可以看出,总体上乙醇介质中的胶体凝聚模拟结果与水介质中的结果相似.但两种体系仍有明显的不同.比如,同样是1∶1型电解质和颗粒半径为0.1μm 的条件,在乙醇体系中,当电解质浓度低于0.015mol ·L -1时,分形维数恒定为2.8.但电解质浓度一旦超过该值,随电解质浓度的增加,分形维数迅速下降,即进入分形凝聚的电解质浓度敏感区.当电解质浓度上升到0.0158mol ·L -1时,分形维数降到2.1,该敏感区结束.此敏感区域内分形维数随电解质浓度的变化率(分形维数变化量/电解质浓度变化量)高达-875.电解质浓度进一步升高,响应曲线进入慢增长区域,当电解质浓度增加到0.0169mol ·L -1时,分形维数达到最小值1.87.此区域内分形维数随电解质的平均变化率为-255.然而,在同样条件的水体系中,只有当电解质升高到0.379mol ·L -1时,分形凝聚才进入电解质浓度变化的敏感区,这个浓度值是乙醇体系的25倍.当电解质浓度继续上升到0.382mol ·L -1时,分形维数降到2.03,该敏感区结束,该浓度值是乙醇体系的24倍.而敏感区域内分形维数随电解质浓度的变化率只有-260,远低于乙醇图5不同电解质浓度下乙醇体系中不同粒径胶体颗粒凝聚体的分形维数Fig.5Fractal dimension of aggregate for differentsize primary particles in ethanolmedia图3不同电解质浓度下水体系中不同粒径胶体颗粒凝聚体的分形维数Fig.3Fractal dimension of aggregate for primaryparticles with different sizes in differentelectrolyte aqueoussolutions图41∶1型电解质水体系和重力作用下快凝聚聚合体的孔隙度和分形维数间的关系Fig.4The relation between fractal dimension and porosity of aggregates in 1∶1electrolyteaqueous solution for fast aggregation693。