1、2023-5-9第五章第五章 界面现象和吸附界面现象和吸附1 表面张力和表面能 2 弯曲液面的一些现象 3 润湿和铺展5 固体表面的吸附作用6 吸附等温方程式7 固-气界面吸附的影响因素8 固体-溶液界面吸附9 固体的表面改性及应用4 表面张力的测定方法10 溶液表面的吸附8 固体固体-溶液界面吸附溶液界面吸附 离子交换吸附是指离子交换树脂或某些粘土在电解质溶液中吸附某种离子时，必然有等量的同电荷的离子从固体上交换出来。例如，某阳离子交换树脂RB在溶液中吸附A+离子时，交换反应为：RBARAB其交换平衡常数：一、离子交换吸附一、离子交换吸附若K1，则此树脂对A+的选择性大于对B+的选择性若K1
2、，则此树脂对B+的选择性小于对A+的选择性若K=1，则无法用此树脂分离这两种离子。K的大小与离子交换的特性有关。离子价数高、水合离子半径小、极性强的离子，由于其静电作用强，K值就大。RABRBAccKc c应用：离子交换技术还广泛应用于湿法冶金（如稀土分离），生化提取（如发酵产物的分离回收）和“三废”处理（如含放射性物质废水的处理）等方面，不仅应用于有机方面，还应用于无机。如利用土壤的离子交换技术制造有机土。9 9 固体的表面改性及应用固体的表面改性及应用 表面改性：2023-5-9一、表面改性效果的评定一、表面改性效果的评定1接触角 2粘度3沉降性质4吸附试验5红外光谱6差热分析7物理结构2
3、023-5-9一、表面改性效果的评定一、表面改性效果的评定1接触角 接触角是考察表面改性最直观的方法之一，某液体与固体表面的亲和、润湿性越好，接触角越小。固体表面的粗糙程度对接触角有很大的影响。2粘度 恒温下在旋转粘度计中放入某种液体，测其粘度，然后加入一定量粉末，则悬浮液的粘度升高，在相同条件下测定表面改性后样品的粘度，若悬浮液黏度降低，则液体对改性样品的润湿性较好。这是由于减弱了粒子间的聚集倾向，从而减少在流场中的流动阻力，使粘度降低。2023-5-9一、表面改性效果的评定一、表面改性效果的评定 沉降性质是指粒子在介质中的沉降速度和沉降体积。从表面能观点看，粒子必然易于聚集。3沉降性质 极
4、性粒子易于分散在能润湿它的极性液体中，而不易分散于非极性液体中；反之，非极性粒子易于分散在能润湿它的非极性液体中，而不易分散于极性液体中。如图所示。系统分散稳定性与沉降性质的关系3 3沉降性质沉降性质 由图可以理解，若粒子在液体中分散性好，则液体对离子的润湿性必然好，因此离子间不易聚集和粘结，在沉降时粒子易于排列（堆积）紧密，故沉降体积较小，悬浮液较稳定；相反，若粒子的分散性不好，则粒子间易于聚集，粒子间因桥联而留有较多空隙，此时不仅沉降速度较快，且沉降时易形成较松的沉降物，故沉降体积较大，悬浮液稳定性较差。3 3沉降性质沉降性质2023-5-93 3沉降性质沉降性质 无论在水或非水系统中，粒
5、子的电势的绝对值越大，粒子间的静电斥力越大，分散稳定性越高。若电势不大，可以通过表面改性，增加粒子的表面电荷，或添加某些高聚物及非离子表面活性剂，使粒子表面形成包覆层，产生空间位阻，从而提高系统的稳定性。界面电性质对沉降性质的影响2023-5-9一、表面改性效果的评定一、表面改性效果的评定 表面性质与其吸附性能密切相关。例如，活性炭是非极性吸附剂，但其表面上有相当多的含氧基团，赋予它一定的极性部位。若通过硅烷化处理使极性部位憎水化，则有利于自水溶液中吸附非极性有机物；如果通过氧化处理增加炭表面的含氧基团，使炭的亲水性增强，则能提高其从非水溶剂中吸附极性有机物的能力。4吸附试验2023-5-9一
6、、表面改性效果的评定一、表面改性效果的评定 差热分析(DTA)可用来考察物质在加热过程中由于相变或化学变化而产生的热效应。热效应的变化可以表征表面改性的情况。5红外光谱通过振动吸收峰的变化来确定是否改性。6差热分析 固体，特别是经有机改性的多孔固体，不仅其表面性质发生变化，其物理结构，如比表面积、骨架密度、表观密度等，也均发生一定变化。一般，比表面积、孔体积、骨架密度降低，表观密度增加。这是因为表面处理往往会堵塞一些微孔。7物理结构2023-5-9二、表面改性方法和机理二、表面改性方法和机理1 无机粉体和增强材料的改性(1)用硅烷偶联剂处理 2023-5-9二、表面改性方法和机理二、表面改性方
7、法和机理若采用三甲基氯硅烷处理：（2）用钛酸酯等偶联剂处理（3）用表面活性剂覆盖处理 （4）等离子体处理 借助与气体放电可产生等离子体。等离子体化学反应主要是通过高速电子碰撞分子使之激发，离解，电离，并在非热平衡状态下进行反应。等离子体目前已经广泛应用与固体表面改性。2 高聚物基体的改性 （1）接枝改性 为提高复合材料的性能，除了填料或增强材料的表面改性外，还可以进行高聚物本身的改性。例如对非极性的高聚物令其接枝极性基团，然后填充极性粉体，也同样有好的填充效果。（2）等离子体处理 等离子体处理通常包括惰性气体和反应性气体等类型。例如聚乙烯经He等离子体处理，据红外分析发生如下变化：可见，聚乙烯
8、经处理后表面上形成交联结构和不饱和键。2023-5-9三、固体表面改性的应用三、固体表面改性的应用 日常生活中碰到眼镜玻璃的防雾，雨衣防水以及在涂料或胶料中的填料需进行表面处理等都是表面改性的重要应用。如在石油工业中，令输油管道内壁改性使其憎油，则可明显降低摩擦阻力，节省输油能耗。2023-5-910 溶液表面的吸附溶液表面的吸附 dAdAGdsspT表面）(,对纯液体，不变，只能通过缩小As来使dG0 对固体，As不变，通过吸附降低来使dG0 对溶液，则通过改变As及来使dG0 第二类物质虽能降低水的表面张力，但却不适合生产上的其它许多要求，如洗涤，乳化，起泡，加溶等作用。第一类物质在浓度很
9、小时表面张力便降至最小值或趋于不变，而第二类物质则无此情况，所以不能仅从是否降低溶液表面张力一个方面来确定某物质是否是表面活性剂。我们定义表面活性剂是一种能大大降低溶剂表面张力，改变体系表面状态从而产生润湿和反润湿，乳化和破乳，分散和凝聚，起泡和消泡以及增溶等一系列作用的化学药品。1 溶液的表面张力1 溶液的表面张力1 溶液的表面张力1 溶液的表面张力1 溶液的表面张力 当固体和溶液接触时，总是被溶剂和溶质两种分子所占满，也就是说，溶液中的吸附是溶质和溶剂分子争夺表面的净结果。若固体表面上的溶质浓度比液体内部的大，就是正吸附，否则就是负吸附。2 溶液表面的吸附现象 表面活性的大小可用 来表示，
10、其值0，为表面活性物质，数值越大，表面活性越强，溶质浓度对溶液表面张力的影响越大。Tc)(2023-5-93、表面过剩与吉布斯吸附等温式、表面过剩与吉布斯吸附等温式 吉布斯用热力学的方法推导出一定温度下溶液浓度、表面张力和吸附量间的定量关系，即吉布斯吸附等温式:dcdRTc 式中：c为溶质在溶液本体中的平衡浓度；为溶液的表面张力；为溶质的表面过剩表面过剩2023-5-93、表面过剩与吉布斯吸附等温式、表面过剩与吉布斯吸附等温式ssAnnnAn)(0 溶质的表面过剩表面过剩的定义：在单位面积的表面层中所含溶质的物质的量与同量溶剂在溶液本体中所含溶质的物质的量的差，也称为表面吸附量，单位为molm-2。吉布斯吸附等温式的推导原理：吸附平衡时，同一物质在表面层和在本体中的化学势相等。2023-5-94、表面活性物质在吸附层的定向排列、表面活性物质在吸附层的定向排列 一般情况下，表面活性物质的-c 曲线与固体对气体的吸附类似，如图。Lamm 1其吸附等温经验式为：1 kckcm可以看作单位表面上定向排列满呈单分子吸附时溶质的物质的量，其单位：mol/m2。由实验测出m值，即可计算出每个被吸附的分子的截面积am：m c谢谢
