在纳米科学领域,Zeta电位是一个非常重要的概念,它是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。根据Zeta电位,我们能够详细了解分子或颗粒的分散机理,这对静电分散控制至关重要。
Zeta电位可用于测定分散体系颗粒物的固-液界面电性(ζ电位),可用于测量乳状液液滴的界面电性,也可用于测定等电点、研究界面反应过程的机理。通过测定颗粒的Zeta电位,求出等电点,是认识颗粒表面电性的重要方法,在颗粒表面处理中也是重要的手段。
双电层模型的分析颗粒表面电荷来源:如下图,最左侧的“surface charges”可看成分散在水中的固体粒子表面所带的电荷,颗粒表面电荷的来源有以下几种:电离,离子吸附,晶格取代。电离:一些氧化物和盐类颗粒表面与水分子作用生成羟基化表面,吸附或解离出 H+而荷电。晶格取代:黏土、云母等硅酸盐颗粒是由铝氧八面体和硅氧四面体的晶格组成,铝氧八面体中的Al3+或硅氧四面体中的 Si4+往往被一部分低价的 Mg2+ 、Ca2+ 等所取代,使黏土晶格带负电,为了维持电中性,这些颗粒表面就吸附了一些正离子,如 K+、Na+等.
反离子:胶粒表面带电时,整个体系是电中性的,所以在液相中必有与表面电荷数量相等而符号相反的离子存在,这些离子即为反离子。但所有的离子都具有热能,所以它们会不停地运动。离子一方面在静电吸引作用下被吸引到粒子表面,另一方面在热扩散的作用下远离粒子表面,这两种作用的净效果是所有离子在颗粒表面获得某种平衡分布,越靠近胶粒表面,反粒子浓度越高,越远离表面反离子浓度越低,到某一距离时反离子浓度与同号离子浓度相等。胶粒表面电荷与周围介质中的反离子共同构成了双电层。
Stern层(紧密层):图中有一层反离子被画成与粒子表面直接接触,即它们处于所谓的紧密层(Condensed layer)中,其厚度由被吸附离子大小决定。Stern层内的电势变化类似于平行板电容器,电势随着距离变大成直线下降。也有理论将stern层进一步分为两层,即内Helmholtz层,其中有未水化的离子,也有一层水分子,紧贴在颗粒表面,实际就是Stern模型中的Stern层;外Helmholtz层,其中有水化离子,与离子吸附较紧,可随颗粒一起运动。
扩散层:反离子在带电颗粒表面的空间分布,即所谓的扩散层(Diffuse layer)中。紧密层和扩散层相接的地方存在一个滑移层(处于距离紧密层朝外方向很短的地方),大致地我们可以这样认为:粒子在水中运动的时候,滑移层左侧的离子都能跟随粒子一起运动,而其右侧的粒子则没有那么"死心塌地"地跟它走,所以两者之间会产生滑动。
表面电势,Stern电势,Zeta电势:胶粒表面与液体内部的电势差称为胶粒的表面电势;Stern电势就是Stern层与液体内部的电势差;Zeta电位指的就是水相中固体粒子的滑动面相对于液体内部,远颗粒处的电位。在足够稀的胶体溶液中,颗粒的Stern层电势与Zeta电势可近似相等,当电解质浓度很大时,两者相差较大,不可视为相同了。
特异性吸附(电荷反转):当溶液中含有高价反离子或表面活性剂时,颗粒将对他们产生强的选择性吸附,此吸附常被称作是特异性吸附,从而使得颗粒所带的电荷符号相反;当吸附的是同号离子,也会使得Stern电势大于颗粒表面电势。
扩散双电层的厚度和电势随距离的分布规律:ε, kB, T, e, NA, ci , Zi 分别为溶液的介电常数、波尔 兹曼常数、绝对温度、电子电量、阿伏伽德罗常 数、离子浓度及离子化合价。由下图扩散层内双电层电势变化规律而知,Zeta电势随离颗粒表面距离x而指数下降,下降的快慢由κ的大小决定。另外,双电层厚度公式表明:双电层厚度由绝对温 度、电解质离子浓度及离子化合价共同决定. 恒温 条件下, 胶体双电层厚度随电解质离子浓度及离子 化合价的增大而减小
Zeta电位的测试方法:电泳法、电渗法、流动电位法以及超声波法
原始电泳法原理:首先测出带电颗粒在电场下的泳动速度(利用静电力和摩擦力相等时,颗粒做匀速运动),再根据相关公式计算出颗粒Zeta电势。电渗法的原理类似。
电泳光散射(Electrophoretic light scattering、ELS)是一种光学技术,用于测量溶液或悬浮液中颗粒的电泳迁移率。 结合对颗粒的流体动力学半径和其他参数的了解,ELS能够确定ζ电位和有效电荷。常见的厂家有法国Cordouan,英国马尔文等品牌。
此方法的弊端有:样品必须要进行稀释后测试;不同浓度对测试结果影响比较大;测试结果重复性较差,一般在±10mV以内。
原理:Understanding Electrophoretic Light Scattering Theory - Waters | Wyatt Technology
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