黏土泥浆ζ电位的测定
黏土泥浆ζ电位的测定
一、目的意义
ζ电位是固-液界面电位中的一种，其值的大小与固体表面带电机理、带电量的多少密切相关，直接影响固体微粒的分散特性、胶体物系的稳定性。对于陶瓷泥浆系统而言，ζ电位高时，泥浆的稳定性好，流动性、成型性能也好。
本实验的目的：
1．了解固体颗粒表面带电原因及固液界面扩散双电层的产生。
2．了解扩散双电层理论、热力学电位(ψ电位) 及动电电位(ξ电位) 的意义。 3．掌握通过测定电泳速率来测量黏土一水系统ζ电位的方法。观察黏土胶粒的电泳现象。进一步熟悉ζ电位与黏土一水系统各种性质的关系。 二、实验原理
在硅酸盐及陶瓷工业中所涉及的泥浆、泥料、料浆等系统均属于黏土一水系统。它是一种多相分散物系，其中黏土为分散相，水为分散介质。黏土颗粒表面摩擦、吸附、电离、同晶取代、表面断键、表面质点位移等原因而带电。带电量多少与发生在固体颗粒和周围介质接触界面上的界面行为、颗粒的分散与团聚等性质密切相关。带电的黏土颗粒分散于液相介质中时，在固液界面上会出现如图1—12（无机非金属材料实验王涛 赵淑金编P13）所示的扩散双电层，在扩散层、吸附层和黏土表面产生电位差，形成热力学电位(E电位——黏土表面到扩散层之间的总电位差) 和动电电位(ζ电位——吸附层和扩散层之间的电位差) 。ζ电位的大小与胶体物系表面带电机理、带电量等诸多性质密切相关，直接影响固体微粒的分散特性、胶体物系的稳定性。对于陶瓷泥浆系统而言，ζ电位高时，泥浆的稳定性好，流动性、成型性能也好。曾经有人(瓦雷尔) 研究指出，一种稳定的陶瓷泥浆悬浮液，黏土胶粒的ζ电位必在50μV 以上。
加入适当浓度的电解质(Na2CO 3，Na 2SiO 3等) 时，可使ζ电位达到最高值，若继续提高电解质浓度，由于吸附层内阳离子增多，扩散层变薄，ζ电位降低，此时胶粒间斥力减少，泥浆失去稳定性，并引起聚沉。
带电胶粒在直流电场中会发生定向移动，这种现象称为电泳。根据胶粒移动的方向可以判断胶粒带电的正负，根据电泳速度的快慢，可以计算胶体物系的ζ电位的大小。进而通过调整电解质的种类及含量，就可以改变ζ电位的大小，从而达到控制工艺过程的目的。
DPW-1型微电泳仪测量ζ电位的原理如图1-13所示。（无机非金属材料实验王涛 赵淑金编P13）
胶体分散相在直流电场作用下定向迁移。胶粒通过光学放大系统将其运动情况投影到投影屏上。通过测量胶粒泳动一定距离所需要的时间，计算出电泳速率。依据亥姆霍兹(Helmholtz)公式即可计算出ζ电位。
ζ=3002⨯
式中 η——黏度； ε——介电常数； ν——电泳速率；
E——电位梯度（电极两端电压U 除以电泳池的长度L) 。 η和ε是温度的函数，根据欧姆定律：
4πηυ
(mV)
εE
(3-1)
E =
U IR i ==
L L λ0A
(3-2)
式中 R——电阻，R=ρL/A;
A——电泳池测量管截面积； λ0 ——电导率，λ0=1/ρ；
i——通过电泳池测量管的电流，其值可以通过电流表读得的电流值I 乘以因子得到，即i=I/f。
因此：
将E 代人亥姆霍兹公式得：
E =
I f λ0A
ζ=3002⨯
令C=300×ε
2
4πη
ε
⨯fA ⨯
υλ0
I
(3-3)
4πη
(其值是一个与温度有关的常数，见表1-6) ；B=fA(其值是取决于电泳
池结构的仪器常数，标于仪器上) ，则有：
ζ=
考虑到C-T(C值-温度) 对应关系中物理量单位以及仪器常数中有关单位的限制，上述公式中各物理量的单位分别为：υ，μm ；λ0，Ω；C ，m ；ζ，mV 。
-1
CB υλ0
(mV)
I
-1
(3-4)
三、实验仪器及用品 1．仪器设备
(1)DPW-1型微电泳仪(也可用BDL —B 型表面电位粒径仪测试) ，1台。 (2)DDS-Ⅱ型电导率仪，1台。 (3)托盘天平，1台。
(4)玻璃杯、玻璃研钵、温度计、pH 试纸等。
2．材料
(1)NaCl溶液(0.1mol／L)1瓶。
(2)NaOH溶液(0.01mol／L)1瓶。 (3)蒸馏水若干。
(4)黏土试样1瓶。 四、实验步骤 1．样品制备
称取0．29黏土试样，置于研钵内研磨5min 后放入玻璃烧杯内，加入NaCl 水溶液至250mL ，再加入NaOH 溶液调节pH 值为8。
2．电导率(λ0) 及温度测量
接通电导率仪电源。把电极置于盛有胶体溶液的烧杯内，将测量-校正开关置于校正位置，转动调节旋钮使表头指针达到满刻度。然后把测量-校正开关置于测量位置，调节倍率旋钮使表头有明显的读数，电导率值由表头读数乘以倍率而得。测量完毕取出电极置于盛有蒸馏水的烧杯内，关掉电导率仪电源。在测量电导率的同时，将温度计置于胶体溶液内读取温度以查表3-1，得出C 值。
表3-1 不同温度下的C 值（分散介质为水溶液）
3．测量电泳速率 (1)清洗电泳池。
(2)注入胶体溶液。注入速率应缓慢，避免产生涡流或气泡。若不加电场时胶粒在水平方向有运动，表明电泳池内有气泡。通过反复抽动可消除气泡。
(3)测量电泳速率。电压调节至200V 左右。按复零开关，选择投影屏中心线附近的胶粒，按正向或反向开关使胶粒对准一根垂直线。按正计开关(此时右端电极为正极) ，胶粒运动一个格子(100p．m) 后，按反计开关，使胶粒返回出发点。再按正计开关，如此反复，使胶粒在一个格子间往返5次(图1—14) （无机非金属材料实验王涛 赵淑金编P15），则胶粒运动距离为10×100um ，记录所用时间，计算出电泳速率。重新选择胶粒，重复上述步骤，共测5～6个胶粒，计算平均值。
(4)记录电流值。按下正向开关，选择适当的倍率，记录电流值I 。 (5)记录仪器常数B 值。
(6)抽出胶体溶液，用蒸馏水清洗电泳池，最后注入蒸馏水保护电极。 五、实验结果与分析
1．实验数据记录
将各种数据进行整理，记录入表3-2中。
表3-2 实验数据
2. 计算
根据实验结果，利用公式ζ=CB νλ0I 计算ζ电位。