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Zeta電位概念及檢測原理淺析

歐美克 2021-10-25 | 閱讀：36611

01Zeta電位的概念

Zeta電位是一個(gè)表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。粒子表面存在的凈電荷,，影響粒子周圍區(qū)域的離子分布，導(dǎo)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(gè)粒子周圍均存在雙電層,。根據(jù)Stern雙電層理論可將雙電層分為兩部分，即內(nèi)層區(qū)和外層分散區(qū)（又稱Stern層和擴(kuò)散層）,。在內(nèi)層區(qū)離子與粒子緊緊地結(jié)合在一起；在外層分散區(qū)，離子不那么緊密的與粒子相吸附,。在分散區(qū)內(nèi),，有一個(gè)抽象邊界，在邊界內(nèi)的離子和粒子形成穩(wěn)定實(shí)體,。當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)（如由于重力）,，在此邊界內(nèi)的離子隨著粒子運(yùn)動(dòng)，但此邊界外的離子不會(huì)隨著粒子運(yùn)動(dòng),。這個(gè)邊界稱為流體力學(xué)剪切層或滑動(dòng)面（slipping plane）,。在這個(gè)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(qiáng)力束縛,，距離較遠(yuǎn)的離子則形成一個(gè)相對松散的電子云，電子云的內(nèi)外電位差就叫Zeta電位,。Zeta電位也稱電動(dòng)電位（只有當(dāng)膠體顆粒在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來）,，實(shí)際上就是擴(kuò)散層的電位差。

02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(dǎo)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(dāng)談?wù)?/span>zeta電位時(shí)不指明pH值沒有意義,。假設(shè)懸浮液中有一個(gè)帶負(fù)電的顆粒，往這一懸浮液中加入堿性物質(zhì),，顆粒更難以得到正電,。如果往懸浮液中加入酸性物質(zhì)，在一定程度時(shí),，顆粒的電荷將會(huì)被中和,。進(jìn)一步加入酸，顆粒將會(huì)帶更多的正電,。用Zeta電位與pH值作相關(guān)曲線圖,，在低pH值點(diǎn)將是正的，在高pH值點(diǎn)將是負(fù)的,，曲線有一點(diǎn)會(huì)通過零zeta電位,，這一點(diǎn)稱為等電點(diǎn)，是相當(dāng)重要的一點(diǎn),，通常在這一點(diǎn)膠體是不穩(wěn)定的,。

電位滴定法可用于測定樣品的等電點(diǎn)。電位滴定圖可以顯示Zeta電位與pH值之間的關(guān)系變化,。它說明可以通過酸或堿的調(diào)節(jié),，可以優(yōu)化膠體產(chǎn)品的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

Zeta電位與分散劑電導(dǎo)率（離子強(qiáng)度）

雙電層的厚度與溶液中的離子濃度有關(guān),，可根據(jù)介質(zhì)的離子強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,，離子強(qiáng)度越高,，雙電層愈壓縮。例如：對于表面帶負(fù)電荷的納米顆粒,，當(dāng)加入大量NaCl,、CaCl2等電解質(zhì)時(shí)，電解質(zhì)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(dòng)面,，導(dǎo)致納米顆粒的帶電量變小,，Zeta電位絕對值變小更容易導(dǎo)致團(tuán)聚。離子的化合價(jià)也會(huì)影響雙單層的厚度,，三價(jià)離子(Al3+)將會(huì)比單價(jià)離子(Na+)有更多的雙電層壓縮,。

無機(jī)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(diǎn)沒有影響

B,、選擇性吸附，會(huì)改變等電點(diǎn)

即使很低濃度的選擇性吸附離子,，也會(huì)對Zeta電位有很大的影響,，有時(shí)選擇性吸附離子甚至?xí)斐深w粒從帶負(fù)電變成帶正電，從帶正電變成帶負(fù)電,。

Zeta電位與添加劑濃度

特殊的添加劑會(huì)對膠體的zeta電位產(chǎn)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(fā)穩(wěn)定配方的產(chǎn)品提供科學(xué)依據(jù),。

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

03Zeta電位的測量

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(guān)聯(lián),，只要測得粒子的淌度,，查到介質(zhì)的粘度、介電常數(shù)等參數(shù),，就可以求得Zeta電位,。開始測量粒子淌度時(shí)，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(xiàn)代儀器取代。

動(dòng)態(tài)散射光納米粒度儀檢測zeta電位的大致原理為：通過電化學(xué)原理將Zeta電位的測量轉(zhuǎn)化成帶電粒子淌度的測量,，而粒子淌度的測量則是通過動(dòng)態(tài)光散射,，運(yùn)用入射光波的多普勒效應(yīng)測得。

多普勒效應(yīng)測量原理：用波照射運(yùn)動(dòng)著的物體,運(yùn)動(dòng)物體反射或散射波,由于存在多普勒效應(yīng),反射或散射波將產(chǎn)生多普勒頻移,利用產(chǎn)生頻移的波與本振波進(jìn)行混頻再經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娮与娐诽幚砑纯傻玫竭\(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度,。

因此,，在電場作用下運(yùn)動(dòng)的粒子,，當(dāng)激光打到粒子上時(shí)，散射光頻率會(huì)有變化,。散射光與參考光疊加后頻率變化表現(xiàn)得更為直觀,，更容易觀測。將光信號(hào)的頻率變化與粒子運(yùn)動(dòng)速度聯(lián)系起來,，即可測得粒子的淌度，進(jìn)而計(jì)算出Zeta電位,。

● 測試技術(shù)：動(dòng)態(tài)光散射,，電泳光散射

● 測量參數(shù)：粒徑，Zeta電位,，分子量

● 粒徑測試范圍：0.3nm - 5um (取決于樣品)

▲ 歐美克NS-90Z 納米粒度及電位分析儀

04小結(jié)

在納米材料領(lǐng)域,，Zeta電位之重要，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

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

2,、判定、指導(dǎo)改善分散體系中納米顆粒的穩(wěn)定性,。

Zeta電位的重要意義在于它的數(shù)值與膠態(tài)分散的穩(wěn)定性相關(guān),，是對顆粒之間相互排斥或吸附的強(qiáng)度的度量。分子或分散粒子越小,，Zeta電位的絕對值（正或負(fù)）越高,，體系越穩(wěn)定。當(dāng)Zeta電位（正或負(fù)）越低,，膠體越傾向于凝結(jié)或凝聚,，即吸引力超過了排斥力。Zeta電位與體系穩(wěn)定性之間的大致關(guān)系如下表所示,。

Zeta電位的主要用途之一就是研究膠體中顆粒與電解質(zhì)的相互作用,。由于許多膠質(zhì)，特別是那些通過離子表面活性劑達(dá)到穩(wěn)定的膠質(zhì)是帶電的,，它們以復(fù)雜的方式與電解質(zhì)產(chǎn)生作用,。Zeta電位可以幫助我們了解在不同的體系中滑動(dòng)層電位的變化即膠體納米粒子表面實(shí)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(huì)傾向于相互吸引，從而使整個(gè)體系變得不穩(wěn)定,。

Zeta電位的測量對了解分散機(jī)理,，研究靜電分散控制也非常重要,。因此，在墨水染料,、生物醫(yī)藥,、納米材料和水處理等諸多領(lǐng)域，Zeta電位都是非常重要的參數(shù),。