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、流體科學、摩擦學、以及生命科學等領域中都發(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和研究現(xiàn)狀，同時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。在此基礎上展開對高價溶液中帶電表面間相互作用、低價溶液中帶電表面間相互作用以及高低價混合溶液中電荷倒置現(xiàn)象等熱點問題進行了實驗研究，并提出原有模型基礎上改進的模型結合理論分析

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:內外層分別是離子與表面緊密吸附的斯特恩層(Stem layer)和的擴散層(Diffuse layer)。在擴散層內，在布朗運動（熱運動）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，擴散層分界處的表面電勢值是求解該方程重要的一個邊界條件。而溶液

3、中兩個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，在高價溶液中電荷倒置現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)三價LaCI3溶液中兩個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電勢變成了正電勢。通過斯特恩層內化學勢平衡推導出來的擴散層邊界條件與泊松-波爾茲曼方程聯(lián)立能夠計算出表面電勢、表面電荷密度以及近壁面

4、反離子濃度的值，并準確的預測不同濃度高價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溶液進行接下來混合溶液電荷倒置的實驗研究。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反離子強烈的相互排斥形成了類似魏格納晶格結構的強關聯(lián)液體(stronglycorrelated liquid，SCL)，這種強關聯(lián)液體的內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，實驗結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溶液中表面間相互作用。兩個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。通過相關文獻的提示以及選定表面電勢的值來擬合實驗的數(shù)據(jù)選定最接近純水中帶電表面電勢值

6、的10-3mol/L NaCI溶液來進行接下來的實驗研究。
　　最后，對混合溶液中電荷倒置現(xiàn)象的研究中發(fā)現(xiàn)在加入一價離子后，帶電表面的電荷倒置會增強，通過對相關模型的改進可以計算出混合溶液中擴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證這一結論。通過分析還可以得出一價離子增強電荷倒置主要是由于一價離子的低價態(tài)和尺寸篩選效應容易吸附到帶電表面并改變衰減長度rs導致的。
　　本文所研究的一價離子、三價離子以及一價與三