3.4 固液界面相互作用作用

水环境化学

水环境化学

第二章天然水的性质和组成

第三章水环境中无机污染物的迁移转化第四章水环境中有机污染物的迁移转化第五章水体污染物化学

第四节

3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4

水中不同相间的化学、物理、生物过程

3.4.1 水中颗粒物的类别矿物微粒和粘土矿物

金属水合氧化物

腐殖质

水体悬浮沉积物

其它

¾矿物微粒主要指硅酸盐矿物，其中：石英(SiO 2)、长石(KAlSi 3O 8)等矿物微粒颗粒粗、不易碎裂，缺乏粘结性。

¾粘土矿物（云母、蒙脱石、高岭石）

铝镁的硅酸盐，由其他矿物经化学风化而成，具有晶体层状结构、有粘性、具有胶体性质，可以生成稳定的聚集体。

¾铝、铁、锰、硅等金属的水合氧化物在天然水中以无机高分子及溶胶等形态存在，在水环境中发挥重要的胶体化学作用。

¾所有的金属水合氧化物都能结合水中微量物质，同时其本身又趋向于结合在矿物微粒和有机物的界面上。

¾腐殖质是一种带负电的高分子弱电解质，其形态构型与官能团的离解程度有关。

¾在pH值较高的碱性溶液中或离子强度低的条件下，羟基和羧基大多离解，沿高分子呈现的负电荷相互排斥，构型伸展，亲水性强，因而趋于溶解。

¾在pH值较低的酸性溶液中，或有较高浓度的金属阳离子存在时，各官能团难于离解而电荷减少，高分子趋于卷缩成团，亲水

性弱，因而趋于沉淀或凝聚。

¾天然水体中各种环境胶体物质往往并非单独存在，而是相互作用结合成为某种聚集体（水中悬浮沉积物），它们可以沉降进入水体底部，也可重新再悬浮进入水中。¾悬浮沉积物的结构组成并不是固定的，它随着水质和水体组成物质及水动力条件而变化。

¾悬浮沉积物是以矿物微粒，特别是粘土矿物为核心骨架，有机物和金属水合氧化物结合在矿物微粒表面上，成为各微粒间的粘附架桥物质，把若干微粒组合成絮状聚

集体，经絮凝成为较粗颗粒而沉积到水体

底部。

胶体的表面电荷

（1）表面化学反应

酸性介质中12()()()()()n n M OH s H M OH H O s ++−+→碱性介质中1()()()()n n M OH s MO OH s H −

+

−→+

碱性介质中

12()()n M OH H O +−1()n MO OH −

−=聚凝

该pH 发生的情况称为等电点或零电荷点（ZPC ，Zero Point of Charge ）。pH ZPC 对不同金属氧化物有不同数值，而且每种氧化物均是常数，与溶液中非电位离子的浓度无关。

水体中常见物质的pHzpc

（2）离子吸附

胶体颗粒通过离子吸附能够得到电荷，这种现象包含离子粘附在胶体表面，通过氢键或范德华力相互作用过程，但这里没有形成常规的共价键。

（3）离子置换

在一些粘土矿物中，SiO

2是一基本化学单元，

用Al（Ⅲ）取代晶格中一些，生成一个净带负荷的位置。

[SiO

2]+Al（Ⅲ）→[Al O－

2

]+ Si（Ⅳ）

永久电荷

双电层模型

胶体表面存在电荷后，使溶液中界面区域内的电荷分布被扰乱而形成局部的不均等分布，由此构成双电层。

（(1)双电层平板电容器模型（亥姆霍兹双电层模型）要点：A ：正负离子整齐地排列于界面层的两侧。

B ：正负电荷分布的情况就如同平行板电容器那样。

(2) 扩散双电层的模型

要点：①由于静电吸引作用和热运动，靠近固体表面的反离子呈扩散状态分布在溶液中，并非整齐地排列在一个平面上。

②紧靠固体表面过剩的反离子浓度最大，相应的固体表面上的电势φ

即为热力学电势。

（

3）斯特恩双电层模型

①紧靠固体表面形成一个固定的吸附层，

称为固定层或斯特恩层。

②被吸附的反离子的中心构成的平面称

为斯特恩面。

③在斯特恩面层以外，反离子呈扩散分

布，构成扩散层。

④当固、液两相发生相对移动时，紧密层

中吸附在固体表面的反离子和溶剂分子与

质点作为一个整体一起运动，滑动面与溶

液本体之间的电势差，称为ξ电势。

热力学电势ф

：固体表面与溶液本体间的电势差

斯特恩电势ф

δ

:斯特恩面同溶液本体之间的电势差ξ电势：滑动面与溶液本体之间的电势差

斯特恩双电层= 固定层+扩散层

3.4.2 胶体颗粒的性质

Stern 提出由紧靠界面的固定层和分散分布的扩散层构成的模型（S 型），即是用一个假想的分界面来划分双电层的水中部分。

静电静电，扩散静电，扩散，溶剂化，

质子的体积

影响胶体在水中稳定存在的因素•静电斥力：带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而且ξ电位愈高，胶粒间的静电斥力愈大；

•布朗运动：受水分子热运动的撞击，使微粒在水中作不规则的运动，即“布朗运动”；

•范德华引力：胶粒之间还存在着相互引力——范德华引力。范德华引力的大小与胶粒间距的2次方成反比，当间距较大时，此引力略去不计。

胶体在水中稳定存在的原因•静电斥力vs.范德华引力：一般水中的胶粒ζ电位较高。其互相间斥力不仅与ξ电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。

•水化膜阻力：由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但是，水化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。