基于表面力儀的離子混合溶液中表面間相互作用的研究.pdf

1、溶液中膠體穩(wěn)定性在膠體科學(xué)、流體科學(xué)、摩擦學(xué)、以及生命科學(xué)等領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要的作用。本文首先介紹了溶液中表面間相互作用的理論基礎(chǔ)和研究現(xiàn)狀，同時(shí)闡述了利用表面力儀(surface forces apparatus，SFA)測量溶液中表面間相互作用的原理方法和過程。在此基礎(chǔ)上展開對高價(jià)溶液中帶電表面間相互作用、低價(jià)溶液中帶電表面間相互作用以及高低價(jià)混合溶液中電荷倒置現(xiàn)象等熱點(diǎn)問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并提出原有模型基礎(chǔ)上改進(jìn)的模型結(jié)合理論分析

2、來解釋它。
　　溶液中，膠體穩(wěn)定性取決于膠體表面的離子分布情況。由于靜電相互作用，溶液中的帶電膠體表面會(huì)吸引附近的反離子并排斥同離子，從而在帶電表面周圍形成雙電層:內(nèi)外層分別是離子與表面緊密吸附的斯特恩層(Stem layer)和的擴(kuò)散層(Diffuse layer)。在擴(kuò)散層內(nèi)，在布朗運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）和靜電平衡的相互影響，離子濃度和電勢分布符從泊松-波爾茲曼方程。其中，擴(kuò)散層分界處的表面電勢值是求解該方程重要的一個(gè)邊界條件。而溶液

3、中兩個(gè)表面間雙電層重疊產(chǎn)生靜的電斥力與Van der Waals引力共同決定了表面之間的作用勢。
　　首先，在高價(jià)溶液中電荷倒置現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)三價(jià)LaCI3溶液中兩個(gè)云母表面間相互作用隨著距離的增大呈指數(shù)衰減，這符合DLVO理論擴(kuò)散層的相互作用特征。隨著LaCI3溶液濃度的增大，帶電云母表面的電勢從負(fù)電勢變成了正電勢。通過斯特恩層內(nèi)化學(xué)勢平衡推導(dǎo)出來的擴(kuò)散層邊界條件與泊松-波爾茲曼方程聯(lián)立能夠計(jì)算出表面電勢、表面電荷密度以及近壁面

4、反離子濃度的值，并準(zhǔn)確的預(yù)測不同濃度高價(jià)溶液中表面之間的相互作用。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)選定5×10-7 mol/L和10-4 mol/L的LaCI3溶液進(jìn)行接下來混合溶液電荷倒置的實(shí)驗(yàn)研究。電荷倒置產(chǎn)生的根本原因由于帶電表面對反離子的吸引以及高價(jià)反離子強(qiáng)烈的相互排斥形成了類似魏格納晶格結(jié)構(gòu)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)液體(stronglycorrelated liquid，SCL)，這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)液體的內(nèi)聚能引起對周圍反離子的吸引，使得更多的反離子吸附到表面附近，以

5、致產(chǎn)生了電荷倒置現(xiàn)象。
　　其次，在對不同濃度的NaCl溶液中云母表面間相互作用的研究中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明基于泊松-波爾茲曼方程的DLVO(Derjaguin，Landau，Verwey和Overbeek)理論能夠很好的描述一價(jià)溶液中表面間相互作用。兩個(gè)云母表面間相互作用隨著距離的增大呈指數(shù)衰減，并且隨著溶液濃度升高，德拜長度k-1逐漸變小。通過相關(guān)文獻(xiàn)的提示以及選定表面電勢的值來擬合實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)選定最接近純水中帶電表面電勢值

6、的10-3mol/L NaCI溶液來進(jìn)行接下來的實(shí)驗(yàn)研究。
　　最后，對混合溶液中電荷倒置現(xiàn)象的研究中發(fā)現(xiàn)在加入一價(jià)離子后，帶電表面的電荷倒置會(huì)增強(qiáng)，通過對相關(guān)模型的改進(jìn)可以計(jì)算出混合溶液中擴(kuò)散層表面電荷密度值，并通過與之前的表面電荷密度值比較驗(yàn)證這一結(jié)論。通過分析還可以得出一價(jià)離子增強(qiáng)電荷倒置主要是由于一價(jià)離子的低價(jià)態(tài)和尺寸篩選效應(yīng)容易吸附到帶電表面并改變衰減長度rs導(dǎo)致的。
　　本文所研究的一價(jià)離子、三價(jià)離子以及一價(jià)與三