4粉体分散

图4-3
双电层结构示意图
0 ξ
扩散层
IHP OHP
h
滑动面
图4 双电层的结构及电位
双电层
内层（吸附或产生有决定表面电位的离 双电层
子，该层与外层分界面上的电位用0表示， 称为表面电位 ）
内Helmholtz层（IHP）
由失掉水化层而被直接吸附在表面的与内层 电性同号的离子构成一层,该离子中心连接 面称为内Helmholtz面（IHP） , 该面上的电 位用i表示;
机械分散
图4.17分散喷喷示意图 1一给料2一压缩空气
图4.18转盘式差动分散器示意图 1一给料 2一转子 3一定子 4一排出料
静电分散调控



使颗粒带电，利用荷电粒子间 的库伦斥力使颗粒分散。颗粒 间的库伦斥力与荷电量的乘积 成正比。 电极电压、颗粒粒径和湿度是 影响静电分散的重要因素。表 面处理是提高颗粒在空气中的 分散性的有效途径。 静电分散的时效性不强，一般 为两天左右。
电极电压对放电电流及 碳酸钙和滑石静电分散 性的影响
1电晕电流，2 碳酸钙分散 系数，3 滑石分散系数
(3) 固体颗粒在液体中的分散

固体颗粒在液体中的分散过程，本质上受两种基本作用支配： ①固体颗粒与液体的作用（浸湿）②在液体中固体颗粒之间的 相互作用

润湿：由于固体表面对液体分子的吸附作用，使得固体表面的
气体被液体取代的过程，称为润湿。

固体颗粒被液体浸湿的过程，实际上就是液体与气体争夺固体 表面的过程。

固体颗粒润湿性好----分散性好
①固体颗粒的浸湿

固体颗粒被液体浸湿的过程主要基于颗粒表面的润 湿性，润湿性可用扬氏方程来表示：
如图， 润湿接触角：自固液界面经液 体到气液表面的夹角。 扬氏方程： бSG―бSL=бLGcosθ 种类：沾湿：900＜θ＜1800 浸湿：00＜θ＜900 铺展：θ=00
动—布朗运动。
重力作用与布朗运动单位时间位移的对比
研究表明：d＞1μm，表 现出明显的重力沉降作 用; d＜1μm，主要受介 质分子热运动作用—布 郎运动; 说明：条件适当，超微 粉体可以稳定地分散悬 浮在水介质中。 （事实上往往受分子 作用力等吸引力的影响 而团聚沉降）
③颗粒的流体悬浮
理论上讲，只要创造一定速率的流体上升运动， 即可使具有相应沉降速度的颗粒悬浮！
如何办？

颗粒在空气中的分散途径
（1）机械分散（高速叶轮圆盘及气流喷射） 必要条件：机械力大于颗粒间的沾着力！ 问题：①重新粘结②脆性物料被粉碎③设备磨损 （2）干燥处理 降低液桥力 （3）颗粒表面处理 ①降低润湿性抑制液桥②降低分子作用力 （4）静电分散 使颗粒荷电（接触带电、感应带电、电晕带电等）
②水介质中颗粒悬浮体的极限悬浮粒度
宏观颗粒（密度大于1kg/m3）在水中受重力而沉降，在斯 托克斯阻力范围内，满足自由沉降末速公式：
r: 球体半径， η: 粘度， Vt: 沉降速度， ρ: 溶媒密度， ρ0: 颗粒密度， g: 重力加速度， h: 沉降高度， t: 沉降时间
对于微米级颗粒，介质分子热运动对它的作 用逐渐显著，引起了它们在介质中的无序扩散运
原因一 分子作用力（范德华力）
对于半径分别为R的两个相同球体，分子作用 力F为：
F
AR 12h2
h-----间距，nm A-----哈马克（Hamaker）常数，J R-----颗粒半径， m
范德华力与颗粒的直径D成正比，而颗粒所受的重力正比于 D3，因此，当D减少至某一值时，必将有范德华力大于其所受的重 力。因此，这样凝聚的颗粒是不会因重力而分离的，这说明在这 种情况下，粉体的分散程度主要取决于颗粒间的范德华引力。
②固体颗粒在液体中的聚集状态
综合以上所述的各种情况可以看出： 固体颗粒在液体中分散（稳定）与凝聚 （不稳定）是对立的。电的排斥、分散剂、 溶剂化层的的影响促进了体系分散稳定，分 子的吸引力和各种运动碰撞又促进了絮凝！
③颗粒在液体中的分散调控
原 因二 静电作用力

空气中颗粒荷电的途径： ●生产过程中（电解法、喷雾法、干法研磨等） ●与荷电表面接触 ●气态离子的扩散作用—主要途径 (1)接触电位差引起的静电引力：颗粒与其他物体接触 时，颗粒表面电荷等电量的吸引对方的异号电荷， 使物体表面出现剩余电荷，从而产生接触电位差。 接触电位差引起的静电吸引力Fe=4πρss(ρs:表面电荷 密度. S:接触面积)
紧密层（Stern层，厚度为δ）
紧密层与扩散层的分界面称Helmholtz面
外层 扩散层（滑移面，离Helmholtz
面稍远点，该面上的电位称为动 电电位，用ξ表示）
外Helmholtz层（OHP）
由水化的反号离子的静电吸附所形成 的层。其与扩散层的分界面称为外 Helmholtz面（OHP）,该面上的电位用 δ表示。实际上也是紧密层与扩散层 的分界面。

颗粒表面润湿性对颗粒间的调整作用
改变颗粒表面润湿性可显著地影响颗粒间的粘附力！
三种力的比较

如图: (1)间距 a <1μ m， 范德华力作用为主； (2)间距 a <2-3μ m， 液桥力作用为主； (3)间距a >2-3μ m， 静电力为主。
三种力的比较
如图: 液桥力 〉范德华力 〉静电力 实际应用： 气体气氛中，粒子的凝聚， 主要是液桥力起作用； 干燥的条件下，范德华力的 作用。 相应的措施：空气状态下，保 持物料干燥，可防止结团！
①固体颗粒的浸湿

矿物润湿性分类，依据θ 的大小来判别
②固体颗粒在液体中的聚集状态

固体颗粒被浸湿后，在液体中是分散悬浮 还是形成聚团？ －－颗粒在液体中的聚集状态取决于颗粒 间的相互作用 ！
a 分子作用力（范德华力）
b 双电层静电作用力 c 溶剂化膜作用力 d 高分子聚合物吸附层的空间效应 e DLVO理论
工业上------搅拌槽(选矿上升流）
低功率（0.2kw/m3) ～轻质固体悬浮，低粘度液体混合 中等功率（0.6kw/m3) ～中等密度固体悬浮，液-液相接触 高功率（2kw/m3) ～重质固体悬浮，乳化 极高功率（4kw/m3) ～捏塑体，糊状物等的混合
＊颗粒体系完全悬浮：所有颗粒均处于运动状态，且
②固体颗粒在液体中的聚集状态
a 分子作用力-----同质颗粒聚团的主要原因
Fm=-AR/12h2 (球体－球体）
b 双电层静电作用力---同质颗粒排斥的主要原 因
双电层静电作用力

矿物表面电荷的来源：矿物在水溶液中受水偶极子 分子的作用，表面会带一种电荷。其原因有以下三 方面：
（１）优先解离：固体微粒在水中，其表面受到水偶极的作 用，由于正负离子受水偶极的吸引力不同，会产生非等量的 转移，则有的离子会优先解离（或溶解）转入溶液。例如， 萤石（CaF2）在水中，F- 比Ca2+易溶于水，于是萤石表面就 有过剩的Ca2+ ， 而荷正电；溶于水中的F- 受到矿物表面正 电荷的吸引，在矿物表面形成配衡离子层。 重晶石（BaSO4）、铅矾（PbSO4）均属此类。正离子 比负离子优先转入溶液的例子有白钨矿（CaWO4），由于 Ca2+ 优先转入溶液，白钨矿表面就有过 剩的WO42－，因而 表面荷负电。
没有任何颗粒在槽底的停留时间超过1～2s时。
(2) 固体颗粒在空气中的分散
分级、混均、储运及粒度测定等作业依赖于颗粒的分散程度！ 但微细颗粒在空气中极易粘结成团！
空气中超细粉体的团聚与解聚问题： 干粉颗粒存在的三种状态：一是原始颗粒；二是：颗粒间的 硬团聚，是由于颗粒间的范德华力和库仑力及化学键合的作用力 等多种作用力所引起；三是颗粒间的软团聚。是由于颗粒间的范 德华力和库仑力所导致。 硬团聚和软团聚在粉体颗粒间普遍存在，其中软团聚可通过一 般的化学作用或机械作用来消除。而硬团聚由于颗粒间结合紧密， 只通过一般的化学作用是不够的，必须采用大功率的超声波或球 磨法等机械方式来解聚。
双电层静电作用力
在液体中颗粒表面因离子的选择性溶解或选择性 吸附而荷电！反号离子由于静电吸引而在颗粒周围的 液体中扩散分布形成双电层。 颗粒带着固定层运动，故它运动时表现的是动电 位，各颗粒都带同号的动电位。颗粒间相互排斥， 防止颗粒间的团聚，使颗粒保持分散状态。可见颗 粒的ξ电位非常重要。当颗粒的ξ电位最大时，颗粒 的双电层表现为最大斥力，使颗粒分散；当颗粒的ξ 电位等于零时（即等电点），颗粒间的吸引力大于 双电层之间的排斥力，颗粒团聚而沉降。

图4-2 优先解离（溶解）形成的双电层
Ca2+ F-
Ca2+ F-
Ca2+ ＋H2O
FCa2+ F-
Ca2+
FFCa2+
微粒表面
定位层
配衡层百度文库
矿物表面电荷的来源：


（2）优先吸附：矿物表面对电解质阴阳离子 不等当量吸附而获得电荷的情况。水溶液中的 晶格同名离子达到一定程度时便向矿粒表面吸 附，在矿粒表面荷电。如：白钨矿在饱和溶液 中，表面钨酸根离子较多而带负电。若向溶液 中添加钙离子，因表面优先吸附钙离子而带正 电。 （3）晶格取代 ：粘土、云母等硅酸盐矿物是 由铝氧八面体和硅氧四面体的层状晶格构成。 在铝氧八面体层中，当被低价元素（如Mg)取 代，结果会使晶格荷负电。
注：海姆霍尔兹（Helmholtz）
②固体颗粒在液体中的聚集状态
C 溶剂化膜作用力
在悬浮液中的固体表面，有一层溶剂隔膜，具有一 定的排列结构。 微粒凝聚时，必须使这种排列变形， 这样，溶剂化层就构成了对微粒絮凝的阻力（位阻效 应），因为这些微粒有极大的比表面，故凝聚的阻力也 是很大的。 溶剂化膜作用力从数量上看比分子作用力及双电层 静电力约大1－2个数量级，但它们的作用距离远比二
原因？如何办？
硬团聚 原始粒子
软团聚
干粉颗粒的几种存在状态
原 因?
分子间作用力 静电作用力 液桥力

原因一 分子作用力（范德华力）
★分子之间存在着范德华力---短程力(约1纳米) ★大量分子集合体构成的体系存在多分子的综合作用---长 程力 (50纳米)。 ★范德华力是宏观物体间相互作用时最重要的一种力，它 总是存在的，是由原子核周围电子云的涨落引起的，是 由取向力（静电力）、诱导力以及色散力组成，通常总 是促使颗粒互相吸引，表现为吸引能。
②固体颗粒在液体中的聚集状态

e DLVO理论 德里佳金（Derjaguin）、兰多（Landau）、 维韦（Verwey）和奥弗比克（Overbeek）考虑了 双电层的相互作用以及范德华吸引力，用它们来解 释悬浮胶体凝聚和分散的条件，这种理论简称为 DLVO 理论。 DLVO理论认为悬浮液及溶胶的稳定性是有电的 作用力和范德华吸引力相互达到平衡而形成的。当 两个带同性电荷的胶体微粒相互趋近时，系统能量 的变化是吸引能和排斥能的总和。当双电层作用力 占优势时体系表现为分散，当范德华吸引力占优势 时体系表现为团聚。
者小，一般近距离内成为决定因素（10～20纳米）。
图4.24 溶剂化结构 (a)非极性颗粒；(b)极性颗粒；(c)阳离子 A—直接水化层；B—次生水化层；C—无序层；D—体相水
②固体颗粒在液体中的聚集状态
d 高分子聚合物吸附层的空间效应 当颗粒表面吸附有无机或有机聚合物时， 聚合物吸附层将在颗粒接近时产生一种附加的 作用，称为空间效应。 吸附层牢固且致密，有良好的溶剂化性质 时，它起对抗颗粒接近的作用。但此种力只是 在颗粒间距达到双方吸附层接触时才出现
原 因二 静电作用力
(2)镜象力产生的静电引力:镜 象力实际上是一种电荷感应 力.（较小，一般忽略不计 ）
Q2 Fim 2 l
l 2 R H 2
原 因三 液桥力

液桥：粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时。 （一般 空气相对湿度大于65%时，水蒸气-凝集-液桥） 颗粒间因形成液桥而大大增强了粘结力！ 研究表明：液桥力比分子作用力大1-2个数量级， 因此，在湿空气中颗粒的粘结力主要源于液桥力！
4.4 粉体的分散


(1) (2) (3) (4)
工业生产中的粉体分散 固体颗粒在空气中的分散 固体颗粒在液体中的分散 颗粒分散的评价方法
(1) 工业生产中的粉体分散

①颗粒悬浮体分散的重要性
a 固-液工业悬浮体。 颜料及水煤浆等;分级;超细颗粒 b 固-气悬浮体。 ①粉体运输，②干法分级 c 粉体测试