【1.2】Zeta电位

颗粒表面带电的现象大家肯定非常熟悉,比如超细的粉尘一旦粘附在衣服上就很难去除,长时间放置的面粉会粘附成一团一团,磨细的咖啡粉末有时候从瓶口倒出很困难,这些都跟粉末颗粒表面带电荷的种类和数量息息相关,“同性相斥,异性相吸”就是对这一点最好的诠释。然而对于悬浮在溶液体系中的颗粒,是不是也有类似的情况?如何来评估这些溶液中颗粒的带电情况?

一、什么是Zeta电位?

图1. 带电颗粒的电势分布

颗粒表面带电的状态首先取决于颗粒材料表面的官能团和化学结构,不同化学结构和电负性的官能团将直接影响颗粒表面的电荷种类和数量。然而跟粉末颗粒悬浮在空气中不同,悬液中的颗粒一般周边的介质是极性的溶液(比如水),这就意味着离子和电荷可以实现相对自由的移动,这样紧密吸附的电荷会使颗粒在溶液中形成一个超过颗粒表面界限的双电层:严密层和滑移层。在滑移层内,所有颗粒将会受静电作用一起移动,滑移层以外则看作溶液环境,因此将颗粒滑移层位置的电势值称为Zeta电位,带正电的颗粒电势为正值,而带负电的颗粒电势值为负值,电势值绝对值越大,则说明颗粒表面电荷密度越高。

二、二、检测Zeta电位的意义?

既然Zeta电位是反映颗粒表面电荷密度的指标,在同一悬液中化学组分相同的颗粒一般都带有相同种类的电荷,这就意味着颗粒表面的电荷密度越高,Zeta电位越大,颗粒间的电荷排斥力也越大,颗粒越不容易发生凝聚。虽然一个体系的稳定性取决于多种作用方式,例如静电排斥力、范德华吸引力、位阻效应等等,但是作为最重要的相互作用力之一,Zeta电位现在已经成为衡量悬液体系中颗粒凝聚稳定性的一个重要指标。通常而言对于足够小的颗粒悬浮体系(不考虑沉降效应),当Zeta电位超过30 mV,那么在热力学理论上是稳定性较好的,更多的应用是通过检测不同环境和配方下体系的Zeta电位进行比较,优化出最佳的方案。

Zeta电位测量技术已经被广泛的应用于工业和科研各个领域,比如陶瓷生产领域,我们需要测量陶瓷浆料的Zeta电位来考察浆料的存储稳定性;在生物制药领域,我们需要测试蛋白溶液的Zeta电位以尽量避免蛋白大分子的团聚;而在水处理领域则恰恰相反,需要加絮凝剂并将其电位调节到等电点附近,从而让其变得更容易絮凝沉淀以便去除水中的颗粒杂质。

图2. 较高的Zeta电位有利于维持体系的稳定(左);较低的Zeta电位下颗粒可能团聚稳定性较差(右)

参考资料

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