养殖水环境化学-第七章 重点

第七章：水环境中的胶体与界面作用

第一节：胶体

一．胶体基本知识

（一）胶体的基本概念

胶体：胶体是物质存在的一种特殊状态，它普遍存在。

1.胶体分类

在常见的物理化学教材科书中，胶体被定义为“任何线性直径在10-9 m到10-6 m间的粒子”，即胶体粒径大小范围为1～1000 nm，故也可以称其为“纳米粒子”。所以在透过0.45 μm微孔膜的水样中，除了真正的溶解态组分外，还存在着胶体。在实际研究工作中，可将胶体粒子定义为“能透过0.45 μm微孔膜，但却能被可截留相对分子质量1000以上物质的超滤膜所保留的粒子”。

胶体分为两类：亲液胶体和憎液胶体。如蛋白质、明胶等容易与水形成胶体的溶液叫做亲液胶体，而那些本质上不溶于介质的物质，必须经过适当处理后，才可将它分散在某种介质中的，叫做憎液胶体。

凡分散介质为液体的胶体体系称为液溶胶，分散介质为气体的则称为气溶胶，而分散介质为固体的则称为固溶胶。

2.胶体的结构

胶体表面带电后，由于静电引力的关系，可从溶液中再吸附一些荷电相反的粒子（称为“反离子”），它们与胶体表面保持一定的距离。离表面近的反离子，受的引力较大，总是随胶体粒子一起移动，故合称为“固定层”，也称吸附层。离胶体表面更远的反离子，由于受到的引力较小，在胶体粒子移动是，它们并不随之移动，称为“扩散层”。

胶粒=校核+吸附层

胶团=胶粒+扩散层反离子

[胶核│n表面离子+（n-x）反离子]x±·x反离子±

（二）胶体的电学性质

1.胶体粒子表面电荷的由来

（1）电离一些胶体粒子，在水中本身就可以电离，故其表面带电荷。

（2）离子吸附分散相对表面对电解质正负离子不相等的吸附，从而使其表面获得电荷。具有水合作用的物质（如蛋白质、多糖等）表面不太容易吸附离子，而疏水物质的表面（如脂类表面）则比较容易吸附离子（DunanJ.Shao，1983）。

（3）晶格取代晶格取代也是黏土粒子带电的原因之一。

2.ξ－电位这种当分散相和分散介质做相对运动时，吸附层和扩散层之间存在的电位差称为电动电位，用希腊字母ξ－（Zeta）表示，又称为ξ－电位。ξ－电位与总电位差不同，只有在固液两相做相对运动时，才能表现出来。

3.胶体的稳定性及其影响因素在1940-1948年由前苏联学者和荷兰学者建立的DLVO理论认为：胶体质点之间存在着互相吸引力，即范德华力，也存在着互相排斥力，即双电层重叠时的静电排斥力。当粒子之间吸引力占主导时，溶胶就发生聚沉；当静电排斥力占优势，并能阻止粒子因碰撞而聚沉时，胶体就处于稳定状态。

除了胶粒带电的原因以为，胶体的稳定性还有另一个原因，那就是水化作用。通过水化作用，在胶粒的外面，组成一个水化薄膜层，它阻止了胶粒的互相碰撞而引起的合并，使溶胶具有一定的稳定性。

二．水环境中的胶体

（一）水环境中胶体的种类

水环境胶体分为三类：无机胶体、有机胶体和无机—有机复合胶体。其中无机胶体主要指黏土矿物胶体和水合氧化物胶体，有机胶体主要指各种可溶性和不溶性的腐殖质。电镜发现许多胶体是2～5 nm的聚集体，Isao等的研究也显示，海水中95%的胶体粒子为非生物体，其大部分由有机物质组成。

1.黏土矿物胶体成分主要为铝硅酸盐，具片状晶体结构。黏粒边缘产生负电荷原因：

—SiOH + OH-←→—SiO- + H2O

—AlOH + OH- ←→ —AlO- + H2O

黏粒矿物分为：

（1）高岭石类由一层硅氧片和一层水铝片组成一晶层，称1:1型晶格，或称两层型黏土矿物。化学式为Al(SiO10)(OH)8，其理论成分为：SiO2 66.7%，Al2O3 28.3%，H2O 5%。（2）蒙脱石（又称微晶高岭石）由两层硅氧片和一层水铝片组成一晶层，又称2:1型晶格，或称三层型黏土矿物。化学式为(OH)4Si8Al4O20·nH2O或Al4·(Si4O10)2(OH)4·nH2O 其理论成分为：SiO2 46.54%，Al2O3 39.50%，H2O 13.96%。

（3）伊利石（又称云太石或水化云母）类伊利石类矿物的晶格与蒙脱石相似，亦成为2:1型晶格。

蒙脱石：K0Si8O20(OH)4

伊利石：K0～2Al4(Si8～6)O20(OH)4

白云母：K2Al4(Si8 Al2)O20(OH)4

2.水合氧化物胶体代表为褐铁矿（Fe2O3·nH2O）、水化赤铁矿（2Fe2O3·H2O）、针铁矿

（Fe2O3·H2O）、水铝石（Al2O3·H2O）和三水铝石（Al2O3·3H2O），还有二氧化硅凝胶，其中蛋白石（SiO2·nH2O）是最主要的代表。

3.腐殖质胶体海水中的腐殖质约占有机物总量的6%～30%，腐殖质是自然界有机物经过

微生物分解、再合成的从黄色到黑色的高分子物质。水环境中的腐殖质主要为富里酸和胡敏酸。多数学者认为富里酸的相对分子质量很低，有人测定海水中的富里酸的相对分子质量大多低于700，低于土壤中富里酸的相对分子质量。腐殖质具有多种功能基因，除羧基、酚羟基、醇羟基、羰基及甲氧基外，还有氨基、醚基、酰胺基、环氮基等，这些功能团使腐殖质有很强的螯合、吸附、絮凝能力。

4.悬浮胶体物质指能在水中悬浮相当长时间的固体颗粒。其直径一般在0.01～1.0 μm的范

围内。

（二）环境胶体的电学性质

1. 环境胶体的带电性大部分胶体（黏土矿物、有机胶体、水合氧化铝等）带负电荷，还有一部分是两性胶体，即在不同条件下可能解离出OH-,也可能解离出H+。

2. 胶体的等电点当胶体粒子解离出的阴阳离子数目想等时，即所带正、负电荷相等时，溶液的pH称为该胶体的等电点（又称零电位点）。

第二节吸附

一．吸附等温线与吸附等温式

（一）吸附等温线

在温度固定的条件下，胶体的吸附量Q同溶液浓度之间，或者被吸附的气体数量和气体压力之间的关系称为等温吸附规律，表达这一关系式的数学式称为等温式。而在给定温度下，处于平衡状态时被吸附的物质和该物质在溶液中的浓度（若是气体，则指气体的吸附量和气体压力之间）的关系曲线则称为吸附等温线。

Ⅰ类等温线，显示的是气体吸附量随压力增长而很快上升到一个极限值的变化情

况，也叫做Langmuir 型吸附等温线，是局限于单分子层的吸附等温线。

Ⅱ类等温线，是一种常见的等温线，它描述了在非孔固体上的多层物理吸附，又被

称作S型等温线。

Ⅲ和Ⅴ类等温线，表明起始阶段气体的吸附不快，而且是发生在第一个单分子层的吸

附作用力相当弱的时候，这些等温线较少见。