胶体与界面化学相关理论的应用

• 浮选分离 • 浮选分离是建立在待分离颗粒对气泡选择 性固着的基础上，它是利用高度分散的微 小气泡作为载体去粘附待分离的颗粒，使 其密度小于水而上浮到水面实现固液或液 液分离的过程。
• 矿物的浮选 • 理论原理：常见的矿物表面为高能表面，矿物 浮选的本质是使高能表面选择性疏水，即高能 表面向低能表面转化。 • 先将矿石粉碎成尺寸在0.5mm以下的颗粒，加 入足量的水、适量的浮选剂及少量的起泡剂， 再强烈鼓入空气，即形成大量气泡，这时憎水 性强的有用矿物附着在气泡上并随之上浮至液 面，而被水润湿的长石、石英等废石则沉于水 底。加入浮选剂的目的是为了增加矿物的憎水 性，一般当水对矿物的接触再在50°～70°以 上时即能达到浮选的效果，浮选后提高了矿物 的品位，而利于冶炼。
▼ 表面活性与“几何覆盖效应” 表面活性剂吸附在金属的表面上，产生 的“几何覆盖效应”主要取决于吸附层的 紧密性和吸附层的稳定性，其中吸附层的 紧密性由表面活性剂分子对金属表面的覆 盖度和吸附量等决定:吸附稳定性则取决于 吸附界面压、吸附自由能、吸附热等热力 学吸附量.这些吸附参数都与表面活性剂的 表面活性密切相关.
■ 表面活性剂通过与金属表面的物理作 用或化学键，形成吸附膜或表面膜，使金 属的表面状态和性质发生变化，从而抑制 金属的腐蚀.作为吸附膜型缓蚀剂的表面活 性剂分子，其极性基团吸附在金属的表面， 改变了金属表面的能量和双电层结构，增 加腐蚀反应的活化能，产生
※
表面活性剂分子的非极性基团在 金属表面形成疏水保护膜，阻碍了与 腐蚀反应有关的电荷或物质的转移， 这种“ ”会使金属腐蚀 过程的阳极或阴极反应难以进行。【2】 金属表面吸附膜的状态和性质同表面 活性剂的表面活性有密切关系.表面活 性剂的表面活性关系到其对金属的缓 蚀能力与效率的高低.
• 雨衣防水 • 理论原理：增大固液界面的接触角θ，使液滴 呈球状不润湿固体。 • 以往的雨衣均为致密的棉织品，将其纤维表面 加以防水处理（即令其表面憎水化），使水布 之间的接触角θ变大，故水不能自由通过而起 防水作用，但空气可以透过，所谓的水不能自 由通过是指在加压条件下可以透过纤维间隙。 目前使用的耐洗性防水剂有吡啶盐型和羟甲基 酰胺型等。 • 常用的塑料雨衣为聚氯乙烯等薄膜制品，其临 界表面张力为39mN/m，而水的表面张为 72mN/m左右，故聚氯乙烯本身具有憎水性， 不被水润湿。
液体表面的相关理论知识 在不同领域的应用
目 录
润湿的基本理论
表面活性剂在缓蚀剂方面的应用
相关理论在实际中的应用 结语
润湿的基本理论
在日常生活以及生产过程中，人们经 常会碰到许多润湿现象。例如使用农药时 候，要求药液在植物的枝叶上吸附着并能 铺展，以期待发挥最大的药效。涂刷涂料 时，要求展成薄层又不脱落。此外如润湿， 矿物浮选、防水材料等等都存在润湿不润 湿的问题。
理论应用实际
• 防雾眼镜
• 众所周知，当玻璃表面温度低于大气露点 或对其呵气，均会有小水滴凝结在玻璃上， 亦即所谓“起雾”，它妨碍光线透过，显 然若能阻止水在表面上形成半球形水滴即 可达到防雾的目的。 • 理论原理：增大铺展系数，使液体在固体 表面自动铺展开形成一层薄膜。
• 从表面化学角度说，最基本的方法是提高玻璃 表面的亲水性，使其易被水润湿，形成薄薄的 水层，这样便不产生光的散射而变得透明，一 种最简单的方法是在玻璃表面涂上表面活性剂 溶液，由于表面活性剂能大大降低水的表面张 力，故使水易于在玻璃表面上铺展，涂表面活 性剂的缺点是耐久性差，为提高活性剂对玻璃 的粘附，可将其与含有亲水性的高分子物质 （观本质
表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用 力 的不对称性引起的。 从能量的角度来解释表面张力存在的原因。 分别以液体表面层分子A和 内部分子B为球心、分子有效 作用距离为半径作球（分子 作用球）。 对于液体内部分子B，分子作 用球内液体分子的分布是对称的； 从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以沿各个 方向运动的可能性相等。
• 表面活性与表面吸附量、界面压的关系 表面吸附量又称为吸附密度，指达到吸附平衡 时单位金属表面所吸附的表面活性剂分子的摩尔数. 根据Gibbs吸附公式和Young方程得到表面活性剂溶 液的表面张力γ、接触角θ和吸附量Г的关系.
（1）
• • • • • 式中，R为气体常数，T为绝对温度，c表示表面活性 剂的浓度. 当表面活性剂溶液浓度接近临界浓度CMC时， 表面张力γ就接近于临界表面张力γCMC，此时的Г会 趋向于饱和吸附量ГM。【3】
• 洗涤剂的去污作用 • 洗涤剂的去污作用是一个很复杂的过程， 它与渗透、乳化、分散、增溶以及起泡等 各种因素有关，不同的污垢，要求不同的 洗涤剂。
• 理论原理：表面活性物质的分子能定向地 排列于任意两相之间的界面层中产生正吸 附，使界面的不饱和力场得到某种程度的 补偿，从而降低界面张力，使系统的表面 吉布斯函数降低，稳定性增加。
•
当表面活性剂的浓度达到CMC时，Ea 达到最大，腐蚀速率最低，溶液的表面张 力为γCMC所以，b/a可视为金属的腐蚀速率 趋向于零时溶液的表面张力，其数值接近 于此条件下溶液的γCMC。
表面活性与缓蚀效率
• 同一种表面活性剂在临界胶束浓度CMC范围内， 随着浓度的增大，表面张力逐渐下降，金属的 腐蚀速率减小，缓蚀效率η增加.将缓蚀剂的表 面活性同其对金属的缓蚀效率进行比较，从而 建立起表面活性同缓蚀效率的联系. • 参考有关文献【6】在表面活性剂的CMC范围 内，分别对一些不同缓蚀体系中关系进行研究， 发现都很好地符合线性关系.将η～γ进行线性 回归，其线性回归方程如表一:由此得到线性 回归方程：
• •
η=Aγ+B (A<0, B > 0) （5） A和B具有明确的物理意义.A表示缓蚀剂 的缓蚀效率η随表面张力的变化，A值越大， 缓蚀效果就越好.参数B则表示表面张力下降 到γCMC时，缓蚀效率达到的程度.可根据无 缓蚀剂时金属的腐蚀速率V0,腐蚀介质的表 面张力γ0以及缓蚀剂的γCMC等数据，求得A,B 值.
• 表面活性与“负催化效应” • 表面活性剂吸附在金属表面后，改变 了金属表面的能量状态和电荷状态，能够 使反应的活化能位垒升高，腐蚀电流和腐 蚀电位发生改变，像负催化剂一样影响了 腐蚀过程的阳极反应和阴极反应，使反应 速率降低，此时表面活性剂对腐蚀反应起 着“负催化效应”.
• 按金属腐蚀速率与表面张力之间的关系，结合金属 腐蚀速率的Mathur经验式【5】及Arrhenius公式， 得到金属腐蚀活化能等腐蚀参数同溶液表面张力之 间的关系: • （4） • • • • • • • 式中，A为Arrhenius公式中的指前因了:Ea为腐蚀反 应的活化能:B是动力学参数，表示腐蚀速率的对数 随腐蚀介质浓度变化率((d1nV/dc); c为腐蚀介质的浓 度:a表示金属腐蚀速率随溶液表面张力的变化率 (dV/dγ); b的数值近似等于aγCMC.对于不同的缓蚀体 系，a和b值有所不同，可以根据不加缓蚀剂时的腐 蚀速率v0及溶液的临界表面张力γCMC等数据计算.
•
将覆盖度θ＊和吸附量的关系式θ＊=Г/ГM代 入式(l)，便可得表面张力和覆盖度的关系式. • 表面活性剂分了的吸附使金属与溶液间 的界面张力发生改变.由此可定义界面压二 为:
（2）
• 其中，γls0和γls、为形成吸附层前、后的 界面张力.结合Young方程，得到:
（3） 由于γgs0和γgs不便测定，故常将界面压和 吸附等温式联系起来【4】.虽然吸附等温式 有多种形式，但从金属表面覆盖度或溶液 的浓度的变化上均能反映出金属和溶液间 界面张力的变化，从而能够体现溶液的表 面活性同吸附界面压的关系.
• 塑料浮选药剂 • 理论原理：常见的塑料表面为低能表面， 塑料浮选的本质是使低能表面选择性润湿， 即低能表面向高能表面转化。 • 塑料浮选和矿物浮选，从表面能的观点看， 存在着显著区别。但无论是低能表面选择 性润湿还是高能表面选择性疏水，都可以 通过表面活性剂的吸附来完成，所以常见 的塑料浮选润湿剂与矿物浮选捕收剂均为 表面活性剂。但由表面能高低所决定的矿 物疏水机理与塑料润湿机理则存在差别。
• 结语 • 正如引言中所提到的那样，胶体与表面化 学所研究的对象是极广泛的。在我们的日 常生活中，在工厂的生产制造中，在实验 室的科学研究中，总会看到它们的影子。 因此，以上所列举的几种实例仅仅触及到 胶体与表面化学应用范围的几个方面，由 于水平有限，分析用到的理论知识也只是 胶体与表面化学理论最表层的东西。主要 目的是为了让大家了解我们所学知识的实 际应用，希望老师和同学对文章中存在的 疑义和缺点及时指出以便我及时改正。
固体表面的分子与液体表面一样具有不 饱和的分子间力。由于固体表面的不均匀程 度远大于液体表面，因而具有更高的表面自 由焓。 • 液体≤100mJ.m-2 或者100mN.m-1 • 固体：低能表面≤100mJ.m-2
• 高能固体表面 100 ～5000mJ.m-2
当高能固体表面与周围介质相接触时，将会 引起自由焓的降低（自发过程），随之发生 一些界面现象。 若与液体接触，它所吸附的气体将被排开， 产生固液界面，这种现象叫做“润湿”。若与溶 液接触，将从溶液中吸附溶质现象。 在润湿过程中，固—气表面消失，固—液界 面生成，此时自由焓将发生变化，故可将这一变 化作为衡量润湿与否的判据。
对于液体表面层的分子A，分子作用 球中有一部分在液体表面以外，分子作 用球内部液体分子密度大于上部。 统计平均效果所受合外力指向液体内 部，因此有向液体内部运动的趋势。 当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述 指向液体内部分子做功，这部分功将转化为分子相互作 用的势能，所以液体表面层分子比液体内部分子的相互 作用势能大。 由势能最小原则，在没有外力影响下，液体应处于 表面积小的状态。 从力的角度看，就是有表面张力存在。
• 表明由于水的界面张力大，而且润湿性差， 只靠水是不能（或者很难）去污的。
• 说明加入洗涤剂后洗涤剂分子以亲油基向 固体表面或污垢的方式吸附，结果在机械 力作用下污垢开始从固体表面脱落洗涤剂 分子在干净固体表面和污垢粒子表面上形 成吸附层或增溶，使污垢脱离固体表面而 悬浮在水相中很容易被水冲走。
按照缓蚀效率η和腐蚀速率V的关系η=1V/ Vo,联立、和γ的关系，也可得到式η=Aγ+B, 由式上式知，缓蚀剂的γ越低，缓蚀效率越 高，当达到临界胶束浓度时，蚀速率基本 不变，缓蚀效率趋于最大，体现了表面活 性与缓蚀效率的必然联系.
• Gemini表面活性剂是一类新型的表面活性剂，
是通过联结基团将两个两亲体在头基处或 紧靠头基处连接(键合)起来的化合物。与传 统的表面活性剂相比，这种特殊化学结构 的表面活性剂的表面活性更高，水溶性良 好，Kraft点(临界胶束溶解温度)很低，应用 温度范围更广，杀菌活性更强，在金属缓 蚀领域的应用也己少量有报道。但是以多 酞胺Gemini型化合物作为缓蚀剂的系统研究 还未见报道。【7】
• 有关塑料浮选的润湿机理，主要存在由范 德华色散力及氢键作用而导致的选择性物 理吸附，由疏水相互作用和静电作用导致 的物理吸附以及主要以电解作用为基础的 物理吸附三种观点。目前，用于塑料浮选 的药剂，主要是木质素磺酸盐、单宁酸、 明胶、百雀树皮汁、司盘、褐煤蜡、月桂 醇、增塑剂DIDP、聚糖、水玻璃、醋酸纤 维素等。
• 在催化方面的应用 • 纳米微粒由于尺寸小表面所占的体积分数大，表面 的键态和电子态均与颗粒内部不同，表面原子配位 不全等导致表面活性增加，具备了作催化剂的基本 条件，最近关于纳米微粒表面形态的研究指出，随 着粒径减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平 的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面，利用 纳米微粒的高比表面积和高活性这些特性，可以显 著提高催化效率。例如：美国和日本将光催化半导 体纳米粒子le.g：Fe2O3、TiO2、CdS、ZnS、PbS、 PbSe、ZnFeO4等）材料制成空心球、浮在含有有机 物的废水表面上或石油泄漏所污染的海水表面上， 利用阳光进行有机物或石油的降解，在汽车挡风玻 璃和后视镜表面涂覆一层纳米TiO2薄膜，可以起到 防污和防雾作用。