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解放军文职招聘考试微粒聚结动力学

来源: 2017-09-29 09:07

 微粒聚结动力学

    粒径超过1μm的微粒是不稳定的,所谓的稳定与否,是指聚沉速度的相对快慢。因此,聚沉速度是微粒稳定性的定量反映。由DLVO理论可知,微粒之所以稳定是由于总势能曲线上势垒的存在。倘若势垒为零,则微粒相互接近时必然导致聚结,若有势垒存在,则只有其中的一部分聚结,这里我们称前者为快聚结,后者称慢聚结。

(一)快聚结

    当微粒间不存在排斥势垒(=0)时,微粒一经碰撞就会聚结,其速度由碰撞速率决定,而碰撞速率又由微粒布朗运动决定,也就是说,由微粒的扩散速度决定,研究快速聚结动力学实际上是研究微粒向另一微粒的扩散。

单分散球形微粒由布朗运动的扩散作用控制时,其聚结速度可由Smoluchowski公式求出,设微粒的半径为,则每个球形微粒都有一作用半径(),若两球中心的距离等于此作用半径,则两球相碰。根据Fick 扩散第一定律,单位时间内扩散入此参考球作用范围内的质点数为:

                               11-17

式中,1ml体积中微粒全部消失的速度;—相接触的两个微粒中心之间的距离;—扩散系数;N—质点浓度。式(11-17)表明聚结作用是双分子反应,其速率与微粒浓度的平方成正比。若用爱因斯坦关系式代入,式中为粘度,K为波兹曼常数,为微粒的半径,那么微粒由初始数目减少至一半所需的时间可以用下式计算,

                              11-18

例如:在25水(=0.01)中,对浓度为0.1%(按体积),半径=1.0×11-5cm的球形微粒混悬剂,可得1s。由公式还能得到,快速聚结速度与微粒大小无关,若温度与介质粘度固定,聚结速度与微粒浓度的平方成正比。

(二)慢聚结

    当存在势垒时,聚结速度比公式(11-17)所预测的要小得多。若忽略介质水中的切变影响,当势垒主要由双电层斥力和色散力所引起时,可以得出如下公式:

                        11-19

式中,—两个微粒聚结的速度常数;—波兹曼常数;—介质粘度;—两个微粒各自的半径;—构成势垒的因子,它与总势能、两微粒中心距离等有关。

    *的影响因素如下:

1)电解质对有显著的影响,将氯化钠溶液的浓度由1~2%稀释至0.1%,聚结速度降低几十倍至几百倍。

2)微粒的大小对电解质效应也有影响,随电解质浓度增加,0.5μm的微粒比0.1μm的微粒对电解质的敏感度(值)要大好几个数量级,这一点对乳剂聚结的动力学特别适用,此时,表面膜的破裂不是聚结速度的决定因素,我们可以观察到小的粒子优先聚结(相同电解质浓度下,小粒子值小)。

3)随微粒半径增大,第二最低势能Vmin也增大,对于0.5μm的粒子,越过主要能垒(Vmax)的概率很小,Vmin也可能比大好几倍,在有大颗粒(>1μm)的情况下,聚结转入第二势能最低值是很重要的,这种类型聚结的结果,微粒结合得很弱且很容易再分散。

    有实验结果表明,通过选择氯化钠的浓度,仔细筛选表面活性剂的类型,并限制带电的表面活性剂浓度,通过测定电势,就能得到有限的聚结或絮凝,这样,小粒子(~0.10μm)会消失,而分布比较窄的大粒子(>0.5μm)会继续存在。

(三)架桥聚结

     虽然都是同样的聚合物,但当这些聚合物有效地覆盖微粒表面时,它们能够发挥空间结构的保护作用;当被吸附的聚合物只覆盖一小部分表面时,它们往往使微粒对电解质的敏感性大大增加,称这种絮凝作用为敏化(sensitization),因为它可以减少引起絮凝作用所需的电解质的量。敏化的作用机制是在高分子浓度较低时,吸附在微粒表面上的高分子长链可能同时吸附在另一微粒的表面上,通过被吸附的聚合物的袢上或尾端上的锚基与另一微粒的裸露部分相接触并吸附在上面而形成分子桥。要使这一过程发生,就必须使微粒表面尽可能不被聚合物覆盖,使其有足够的裸露部分。倘若溶液中高分子浓度很大,微粒表面已完全为吸附的高分子覆盖,这样微粒不再会通过搭桥而聚结,此时高分子起保护作用。

聚合物架桥聚结速度的决定因素看来并不是特定的相互作用的能学因素。成功的模型是使用相当于质量作用定律的公式来描述这一过程。假设的吸附速率比微粒结合速度为快,在这些研究中,后者看来主要取决于搅拌速度。

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