電泳法測定分散體系中微粒的荷電性質(zhì)與Zeta電位

實(shí)驗(yàn)一電泳法測定分散體系中微粒的荷電性質(zhì)與Zeta電位一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜る娪緝x的工作原理與使用方法掌握鈦酸領(lǐng)膠體的荷電性質(zhì)與g電位測定方法掌握鈦酸領(lǐng)膠體等電點(diǎn)的測量方法二、基本原理在自然界中，固體與液體接觸時(shí)，由于表面性質(zhì)的差異，會(huì)使固體表面荷電，而固-液界面的液體帶相反電荷，這種界面荷電影響界面周圍介質(zhì)中離子的分布，與固體表面荷電符號相反的介質(zhì)中的離子被吸向界面，而同符號的離子被排離界面，同時(shí)，離子的熱運(yùn)動(dòng)又促使它們均勻混合在一起，因此，在界面上形成一層擴(kuò)散雙電層。固體在溶液中荷電而構(gòu)成雙電層的原因，除外加電場外，大致有以下幾種情況：電離作用固體表面在溶液中產(chǎn)生電離或溶液中的電離成分依靠某種結(jié)合力與固體表面結(jié)合而使其荷電。例如，玻璃與水接觸時(shí)，玻璃中的硅酸鹽可電離出鉀、鈉、氫等離子，使玻璃帶負(fù)電，而溶液帶正電；蛋白質(zhì)分子具有羧基（-COOH）和胺基（-NH2）官能團(tuán)，但pH值較低時(shí)，溶液中電離的H+與胺基以氫鍵結(jié)合，形成（-NH3+）使蛋白質(zhì)帶正電，溶液一側(cè)帶負(fù)電，當(dāng)pH值升高后，蛋白質(zhì)的羧基電離形成（-COO-）而使蛋白質(zhì)帶負(fù)電，在某一pH值時(shí)，酸性基團(tuán)和堿性基團(tuán)的電離度相同，蛋白質(zhì)分子上的靜電荷為零，此時(shí)的pH值成為等電點(diǎn)（iso-electricpoint）。離子交換作用由非等電荷離子發(fā)生交換而引起荷電。例如，但玻璃與CaCl2水溶液接觸時(shí)，玻璃中的硅酸鹽的鈉離子被鈣離子等摩爾量交換，使得玻璃帶正電，而溶液側(cè)帶負(fù)電；又如粘土晶格表面的Si4+可被Al3+取代而帶負(fù)電，或者其中的Ca2+^Al3+取代而帶正電。離子吸附作用微粒表面在溶液中能選擇吸附某種離子而使表面帶電，其荷電性質(zhì)決定于微粒的組成與溶液中離子性質(zhì)，如AgI溶膠微粒，當(dāng)KI過量存在，吸附I-荷負(fù)電，當(dāng)AgNO3過量時(shí)，吸附Ag+荷正電。從陰、陽離子水化強(qiáng)弱來分析，通常陽離子比陰離子更容易水化，留在溶液中傾向大，而不容易水化的陰離子則被表面吸附的傾向大，因此表面帶負(fù)電荷較多。電子取向作用固體金屬中的電子云可以一定程度地伸展到與緊貼固體接界的溶液分子層中，從而引起溶液分子的偶極取向，此時(shí)離子也能依靠靜電力和Vanderwaals力聚集在固體表面而是固體荷電。摩擦荷電作用非導(dǎo)電固體在高速流動(dòng)的流體中，由于兩相接觸摩擦而產(chǎn)生電荷，從一相轉(zhuǎn)入另一相而使固體表面荷電。通常介電常數(shù)大的相帶正電，介電常數(shù)小的相帶負(fù)電。例如玻璃（￡=5-6）在水中（￡=81）帶負(fù)電；在苯中（￡=2）則帶正電。固體在溶液中的荷電性質(zhì)，影響著固體表面性質(zhì)和界面區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)及其反應(yīng)速度，因而引起科學(xué)家們的重視和研究。有關(guān)固-液界面荷電雙電層的研究相繼出現(xiàn)了Helmholtz平板電容式雙電層、Gouy-Chapman擴(kuò)散雙電層、Stern擴(kuò)散雙電層、Grahame雙電層等理論。其中Stern和Grahame雙電層理論較完善，適用性較廣，應(yīng)用較多。在此只就Grahame雙電層理論作簡要介紹。1947年Grahame就Stern雙電層概念做了進(jìn)一步發(fā)展，他將Stern層又分為兩層，即內(nèi)Helmholtz層和外Helmholtz層，內(nèi)Helmholtz層是由未水化離子組成，緊靠近固體表面，即Stern模型中的Stern層；外Helmholtz層是由一部分溶劑化的離子組成的，與界面吸附較緊密，隨固體一起運(yùn)動(dòng)。外層是擴(kuò)散層，由水化離子組成，不隨固體一起運(yùn)動(dòng)。固體作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)滑動(dòng)面（shearsurface）上的電位稱Z電位。Grahame雙電層模型如圖7-1。圖7-1Grahame雙電層模型目前測量Zeta電位的方法主要有電泳法、電滲法、流動(dòng)電位法以及超聲波法，其中以電泳法應(yīng)用最廣。電泳是指分散體系在電場的作用下，帶電顆粒向帶相反電荷的電極運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象°Zeta電位是通過測量顆粒在某一特定電場中的泳動(dòng)速度進(jìn)行的。根據(jù)Helmholtz公式可有如下關(guān)系：(7-1)式中Z為Zeta電位（動(dòng)電電位，mV）；u為電泳速度（四m/s）；n為分散介質(zhì)粘度(p)；e為分散介質(zhì)的介電常數(shù)；E為電位梯度(v/cm);u/E為電泳淌度;Kt為不同溫度下Z電位與淌度的比值(四m/sec/v/cm)。以水溶液為介質(zhì)時(shí)，其不同溫度下的比值見附表7-1，其值一般已合成在測試軟件中。電泳速度：在選定距離內(nèi)，電泳所需的時(shí)間，以微米/每秒數(shù)表示：u=l/t(7-2)式中l(wèi)為微粒電泳距離(pm)；t為電泳時(shí)間(sec)；E為電位梯度E。E=U/L(7-3)式中U為外加電場直流電壓(V)；L為兩極間的距離(cm)。將(7-2)，(7-3)式及Kt數(shù)據(jù)代入(7-1)式可求得Z位。三、儀器與藥品電泳儀(JS94-J型)；pH計(jì)；鈦酸領(lǐng)(BTO)溶膠；乳酸；氨水四、儀器說明1.測試儀器樣品池樣品臺(tái)

五、實(shí)驗(yàn)操作用乳酸和氨水調(diào)節(jié)BTO溶膠的pH值，制備不同pH值的BTO以備用。將盛有鈦酸領(lǐng)溶膠的十字池放入樣品槽中，其中“X”記號面背向自己。點(diǎn)擊JS94J微電泳儀軟件圖標(biāo)，彈出如下窗口。點(diǎn)擊“Option”按鈕，在下拉窗口中點(diǎn)擊“Connect”按鈕。

在彈出窗口中連續(xù)點(diǎn)擊“確定”按鈕，此時(shí)微電泳儀與電腦連接成功。點(diǎn)擊“Option”按鈕，在下拉窗口中點(diǎn)擊“Setting”按鈕，然后在彈出窗口中設(shè)置將要保存的文件名以及電壓切換時(shí)間。點(diǎn)擊“OK”按鈕后點(diǎn)擊“活動(dòng)圖像”按鈕，出現(xiàn)如下界面。其中Q”“A”“z”“X”按鈕表示取景框的“上”“下”“左”“右”移動(dòng)；“<”“>”按鈕表示亮度；“{”“}”按鈕表示對比度。

調(diào)節(jié)樣品臺(tái)上的“左右調(diào)節(jié)螺桿”、“上下調(diào)節(jié)螺桿”、以及“聚焦調(diào)節(jié)螺桿”，直至出現(xiàn)如圖所示的清晰十字標(biāo)志。將十字池取出，再放入盛有鈦酸領(lǐng)溶膠的Pt(Ag)極池，將電源線與池極導(dǎo)針相連，然后點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，輸入溶膠的/pH值，再調(diào)節(jié)“電壓，，和“電壓切換時(shí)間”以確保電極不會(huì)電解水，同時(shí)觀察到的顆粒在窗口中穩(wěn)定的來回運(yùn)動(dòng)(一般還伴隨下降，如若是上升，則觀察到的極有可能是氣泡)，調(diào)整取景框，使顆粒在測試過程中，都在框內(nèi)，最后按下“存盤”鈕。存盤完后按“分析程序”鈕彈出如下窗口

點(diǎn)擊“開始”按鈕，在彈出窗口中輸入剛才保存的文件名，然后點(diǎn)擊“OK”,彈出如下窗口。光標(biāo)位置狀態(tài)平均平均位移2廠[30T顆粒0A|0顆粒0B：0光標(biāo)位置狀態(tài)平均平均位移2廠[30T顆粒0A|0顆粒0B：0顆粒1婦虹顆粒邙'0顆粒2啟0顆粒2E0顆粒3啟0顆粒3E0顆粒4A|0顆粒4B0顆粒5A顆粒5E0顆粒6A|0顆粒6E0顆粒TA10顆粒7E0顆粒8Ai。顆粒8E0顆粒9A|0顆粒9E0位移1點(diǎn)擊上下圖片中顆粒的位置，然后點(diǎn)擊“繼續(xù)”按鈕，彈出如下窗口。繼續(xù)點(diǎn)擊上下圖片中顆粒的位置，通過四張圖片顆粒位置的變化，就能知道顆粒電泳距離1,而所加電壓U和電極距離L是已知的，根據(jù)公式(7-1)可以計(jì)算出Zeta電位Z而所帶電荷正負(fù)可以根據(jù)顆粒相對電極的移動(dòng)方向判斷。點(diǎn)擊“存盤”得Z值，然后點(diǎn)擊“OK”按鈕。開始繼續(xù)溫度偵4電流|0.4電壓|3.6pH佰2.0000C電壓切軟時(shí)間,700開始繼續(xù)溫度偵4電流|0.4電壓|3.6pH佰2.0000C電壓切軟時(shí)間,700[Zeta電位T2.43F光標(biāo)位置顆粒0A匚顆粒0B顆粒1A：。顆粒1B顆粒2A0顆粒2B顆粒3火I5-顆粒3B顆粒4A0顆粒4B顆粒5A0顆粒5B顆粒6A墮顆粒6B顆粒7A匚顆粒7B顆粒8人何2顆粒都顆粒9A0顆粒9B[37廠12.廠廠廠廠廠廠廠廠|02均移平位換一種測試液，重復(fù)步驟8-11，得到不同pH值BTO溶膠的Z值。六、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析以BTO膠體的pH值為橫坐標(biāo)，以Zeta電位為縱坐標(biāo)作圖，通過曲線連接獲得BTO膠體的等電點(diǎn)，同時(shí)分析實(shí)驗(yàn)誤差以及等電點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中的作用。注意事項(xiàng)：樣品池池內(nèi)不測定時(shí)，應(yīng)灌滿蒸餾水；選取粒子速度以取中間為好，太快或太慢都不好；BTO膠體在測試前，應(yīng)超聲一段時(shí)間，以使顆粒均勻分布。參考文獻(xiàn)JS94J增強(qiáng)型微電泳儀使用說明書WareBR.JColloidInterfSci,1972,39:6703王復(fù)生，王建軍，顯微電泳法及建材礦物Z電位的測定，山東建材學(xué)院學(xué)報(bào)，1995,9(1)，47-514張立永，賈樹妍，肖光輝等，應(yīng)用Zeta電位研究液態(tài)奶的穩(wěn)定機(jī)制，中國乳品工業(yè)，2007，35(12)，38-41

附表7-1不同溫度下Z-電位與淌度比值％（液相是水或水溶液）溫度。CmV溫度CmVrm/sec/V/cmrm/sec/V/cm429.172313.86528.002413.35626.872512.85725.802612.37824.