材料物理化学第5章固体的表面与界面ppt课件.ppt

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1、第五章固体的表面与界面第一节固体的表面及其结构第二节  界面行为第三节粘土－水系统第三节粘土－水系统一、粘土胶体的荷电性二、粘土的离子吸附与交换三、泥浆的稳定与聚沉四、泥浆的流动性五、泥浆的透水性六、泥浆的触变性七、泥团的可塑性粘土－水系统：指粘土粒子分散在水介质中所形成的泥浆或泥团系统，是介于胶体～悬浮液～粗分散体系之间的一种特殊状态。一、粘土胶体胶体：物质分散度在1～100nm范围内的一种分散体系——分散相（分散物质：颗粒、纤维、薄膜）＋分散介质分散相：有很高分散度，比表面积远大于常态物质，因而带来一系列表面物化性质。胶体粒子：1～1

2、00nm粘土矿物特点：（1）粒度小，比表面积大，表现出胶体性质；粒度：100nm～10μm比表面积：高岭石约20m2／g、蒙脱石约100m2／g（2）具有荷电与水化等性质。注意：粘土胶体是指加水后的粘土－水两相系统；粘土矿物虽颗粒大些，但层厚符合胶体范围，从整体上来讲，粘土－水界面也很大；对于胶体来说，除分散相尺寸和大小外，其分散相与分散介质界面结构特性也很重要。则虽然许多粘土几乎不含100nm以下粒子，但粘土－水系统仍表现出胶体性质。1.粘土与水的结合结构水——以OH－形成存在于粘土晶格中，约在400～600℃脱去，可用红外光谱检测。吸

3、附水——层间结合水，约100～200℃除去，与粘土颗粒的中的O或OH以氢键结合的水。牢固结合水—紧挨粘土表面，通过氢键与粘土离子结合并作有规则定向排列，又称吸附水膜，其厚度约3～10个水分子层。松结合水—在牢固结合水周围，从有规则定向排列到无规则排列的过渡水层，又称扩散水膜，其厚度约60个水分子层（<20nm）。自由水—松结合水以外完全无规则排列的普通的流动水。注意结合水（牢固结合水与松结合水）与自由水相比，其密度大、热容小，介电常数小、冰点低。（1）粘土结合水量对粘土－水系统工艺性能的影响粘土与水达松结合状态，即粘土胶粒水膜厚度约10n

4、m（30个水分子层）时，其泥料可塑性最好；粘土结合水/自由水比例小，自由水含量高，则泥浆流动性好。（2）影响粘土结合水量的因素1）粘土矿物组成粘土结合水量与粘土阳离子交换量成正比。对于含同一种交换性阳离子的粘土，蒙脱石结合水量比高岭石大;2）粘土分散度高岭石结合水量随粒度减小而增高，而蒙脱石结合水量与颗粒细度无关（3）粘土吸附阳离子种类结合水量：吸附R＋＞吸附R2＋＞吸附R3＋粘土吸附同价离子的结合水量随吸附离子半径增大，结合水量减少。结合水量：Li-粘土＞Na-粘土＞K-粘土。被粘土吸附的Na和Ca的水化值2.粘土粒子带电原因（1）同晶

5、取代：使板面（解理面）带负电（2）边棱价键断裂：使边棱带正电或负电（3）腐殖质离解：使板面带负电由于腐殖质的羧基和酚羧基中氢解离而引起的，取决于粘土有机质含量，其负电荷数量随介质pH改变，碱性介质中有利H+离解而产生更多负电荷（4）表面吸附SiO32－：使板面带负电结论：粘土粒子板面带负电，边棱可带正或负电。高岭石价键断裂使边棱带正电或负电酸性介质中（pH＜6）：边棱带正电；中性介质中（pH≈7）：边棱不带电；碱性介质中（pH＞8）：边棱带负电。粘土正负电荷代数和是粘土净电荷。由于粘土负电荷远大于正电荷，则主要带负电荷；粘土粒子荷电性是粘

6、土－水系统具有一系列胶体性质的主要原因之一。3.粘土胶团的结构胶核（带负电）：粘土颗粒本身吸附层：牢固结合水（即吸附水膜）＋吸附紧密的水化阳离子扩散层：松结合水（即扩散水膜）＋吸附疏松的水化阳离子胶粒（带负电）：负溶胶胶团（电中性）4.粘土胶体的ζ电位（电动电位）从静电力学原理得ζ电位计算公式：σ－表面电荷密度；d－扩散层厚度；ε－分散介质介电常数。影响因素：a）固相表面电荷密度——σ增大：ζ升高b）电解质浓度——随电解质加入，ζ出现极大值c）吸附阳离子的影响粘土吸附以下阳离子时，ζ电位离子电价高，每个离子所平衡的胶核负电荷数越多，胶团中

7、的电位下降越快，扩散层越薄，ζ降低。d）pH值的影响pH降低，[H+]升高，ζ在pH=9～10出现极值e）有机质含量——越高：ζ升高f）粘土种类——ζ电位：蒙脱石>伊丽石>高岭石小大pH值对ζ电位的影响二、粘土的离子交换1.离子交换用一种离子取代原先吸附于粘土上的另一种离子。（1）特点1）同号离子相互交换；2）离子以等当量（或等电量）交换；3）吸附和解吸是可逆过程，其速率受离子浓度影响；4）离子交换并不影响粘土本身结构。（2）类型按粘土上原先吸附的离子所带电荷的不同，分为阳离子交换阴离子交换（3）应用1）提纯粘土及制备吸附单一离子的粘土将

8、带有各种阳离子的粘土通过带一种离子的交换树脂发生交换反应，由于任何交换树脂的交换容量很高（250～500毫克当量／百克土），在溶液中X离子浓度远大于Y，因此能保证交换反应完全。X一树脂十Y一粘