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        Zeta電位概念及檢測原理淺析

        專欄:行業資訊發布時間:2021-10-25作者:

        一、Zeta電位的概念

        Zeta電位是一個表征分散體系穩定性的重要指標。粒子表面存在的凈電荷,影響粒子周圍區域的離子分布,導致接近表面抗衡離子(與粒子電荷相反的離子)濃度增加。于是,每個粒子周圍均存在雙電層。根據Stern雙電層理論可將雙電層分為兩部分,即內層區和外層分散區(又稱Stern層和擴散層)。在內層區離子與粒子緊緊地結合在一起;在外層分散區,離子不那么緊密的與粒子相吸附。在分散區內,有一個抽象邊界,在邊界內的離子和粒子形成穩定實體。 當粒子運動時(如由于重力),在此邊界內的離子隨著粒子運動,但此邊界外的離子不會隨著粒子運動。這個邊界稱為流體力學剪切層或滑動面(slipping plane)。在這個邊界上存在的電位即稱為Zeta電位。

        上述描述用通俗的語言表述就是:帶電顆粒吸附分散系中的反相電荷的粒子,顆粒表面的離子被強力束縛,距離較遠的離子則形成一個相對松散的電子云,電子云的內外電位差就叫Zeta電位。Zeta電位也稱電動電位(只有當膠體顆粒在介質中運動時才會表現出來),實際上就是擴散層的電位差。

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        二、影響Zeta電位的因素

        分散體系的Zeta電位可因下列因素而變化:

        1. pH 的變化

        2. 溶液(分散劑)電導率的變化

        3. 特殊添加劑及其濃度

        Zeta電位與pH值

        影響zeta電位重要的因素是pH值,當談論zeta電位時不指明pH值沒有意義。假設懸浮液中有一個帶負電的顆粒,往這一懸浮液中加入堿性物質,顆粒更難以得到正電。如果往懸浮液中加入酸性物質,在一定程度時,顆粒的電荷將會被中和。進一步加入酸,顆粒將會帶更多的正電。用Zeta電位與pH值作相關曲線圖,在低pH值點將是正的,在高pH值點將是負的,曲線有一點會通過零zeta電位,這一點稱為等電點,是相當重要的一點,通常在這一點膠體是不穩定的。電位滴定法可用于測定樣品的等電點。電位滴定圖可以顯示Zeta電位與pH值之間的關系變化。它說明可以通過酸或堿的調節,可以優化膠體產品的運輸和儲存。
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        Zeta電位與分散劑電導率(離子強度)

        雙電層的厚度與溶液中的離子濃度有關,可根據介質的離子強度進行計算,離子強度越高,雙電層愈壓縮。例如:對于表面帶負電荷的納米顆粒,當加入大量NaCl、CaCl2等電解質時,電解質中與反離子相同的電荷的排斥作用把更多反離子壓入滑動面,導致納米顆粒的帶電量變小,Zeta電位絕對值變小更容易導致團聚。離子的化合價也會影響雙單層的厚度,三價離子(Al3+)將會比單價離子(Na+)有更多的雙電層壓縮。

        無機離子可有兩種方法與帶電表面相作用:

        A、非選擇性吸附.對于等電點沒有影響

        B、選擇性吸附.會改變等電點

        即使很低濃度的選擇性吸附離子,也會對Zeta電位有很大的影響,有時選擇性吸附離子甚至會造成顆粒從帶負電變成帶正電,從帶正電變成帶負電。

        Zeta電位與添加劑濃度

        特殊的添加劑會對膠體的zeta電位產生影響。研究不同的添加劑濃度對膠體zeta電位的影響,可以為研發穩定配方的產品提供科學依據。

        備注:以上論述都是建立在相對簡化的體系上的,并不是認定pH和電導率(離子強度)都是越大越好或者越小越好。只是討論了一個趨勢,以供大家分析問題時作為參考。

         

        三、Zeta電位的測量
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        由上圖的Henry方程可以看出,Zeta電位與電泳淌度之間由Henry方程關聯,只要測得粒子的淌度,查到介質的粘度、介電常數等參數,就可以求得Zeta電位。開始測量粒子淌度時,是在分散體系兩端加上電壓,用顯微裝置觀測。這種方法逐漸由現代儀器取代。
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        動態散射光納米粒度儀檢測zeta電位的大致原理為:通過電化學原理將Zeta電位的測量轉化成帶電粒子淌度的測量,而粒子淌度的測量則是通過動態光散射,運用入射光波的多普勒效應測得。
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        多普勒效應測量原理:用波照射運動著的物體,運動物體反射或散射波,由于存在多普勒效應,反射或散射波將產生多普勒頻移,利用產生頻移的波與本振波進行混頻再經過適當的電子電路處理即可得到運動物體的運動速度.。因此,在電場作用下運動的粒子,當激光打到粒子上時,散射光頻率會有變化。散射光與參考光疊加后頻率變化表現得更為直觀,更容易觀測。將光信號的頻率變化與粒子運動速度聯系起來,即可測得粒子的淌度,進而計算出Zeta電位。

        小結:在納米材料領域,Zeta電位之重要,主要體現在兩個方面:

        1、判斷納米顆粒表面電荷的性質(正負),用于指導進一步的改性、修飾等等。

        2、判定、指導改善分散體系中納米顆粒的穩定性。

        Zeta電位的重要意義在于它的數值與膠態分散的穩定性相關,是對顆粒之間相互排斥或吸附的強度的度量。分子或分散粒子越小,Zeta電位的絕對值(正或負)越高,體系越穩定。當Zeta電位(正或負)越低,膠體越傾向于凝結或凝聚,即吸引力超過了排斥力。Zeta電位與體系穩定性之間的大致關系如下表所示。
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        Zeta電位的主要用途之一就是研究膠體中顆粒與電解質的相互作用。由于許多膠質,特別是那些通過離子表面活性劑達到穩定的膠質是帶電的,它們以復雜的方式與電解質產生作用。Zeta電位可以幫助我們了解在不同的體系中滑動層電位的變化即膠體納米粒子表面實際帶電量的多少。如果納米顆粒整體帶有電荷量少,它的Zeta電位絕對值很低,則納米顆粒會傾向于相互吸引,從而使整個體系變得不穩定。Zeta電位的測量對了解分散機理,研究靜電分散控制也非常重要。因此,在墨水染料、生物醫藥、納米材料和水處理等諸多領域,zeta電位都是非常重要的參數。

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