固體顆粒在液體介質(zhì)中的分散體系包括膠體、懸浮液以及溶液，這些液體分散體系在石油化工、涂料、醫(yī)藥、陶瓷、納米材料等領(lǐng)域擁有非常廣泛的應(yīng)用。但由于溫度、固液密度、界面張力、電荷等因素的影響，使得液體分散體系并不穩(wěn)定，影響最終產(chǎn)品的性能。因此，如何維持液體分散體系的穩(wěn)定性是人們長久以來的研究熱點。Zeta電位作為衡量液體分散體系穩(wěn)定性的重要參數(shù)，了解和認(rèn)識其原理及影響因素是非常必要的。所以，小編將在本篇為大家詳細介紹Zeta電位。

圖源：知乎

Zeta電位是什么？

Zeta電位是固-液界面雙電層中吸附層與擴散層之間相對滑移面上的電位，是溶液中顆粒之間相互排斥或吸引力強度的度量值，也是反映固體顆粒電動行為的一個重要參數(shù)。顆粒表面所帶電荷種類、電荷密度以及電荷基團的微小變化都可以從Zeta電位得到反映。通常懸浮在液體介質(zhì)中的顆粒表面會帶有電荷，按照雙電層理論模型，帶電顆粒的周圍將富集溶液中相反的電荷（反離子），其中一部分反離子會與顆粒表面緊密結(jié)合，構(gòu)成緊密吸附層（Stem層）。另外一部分反離子則因靜電吸引和熱擴散兩種相反作用的影響，分布在顆粒周圍，構(gòu)成擴散層。當(dāng)顆粒運動時，會帶動吸附層和部分溶劑分子一起移動，與液體之間形成滑動面，而滑動面與液體內(nèi)部的電位差稱為Zeta電位。

膠體顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)（圖源：文獻1）

顆粒表面Zeta電位的大小是表征液體分散體系穩(wěn)定性的重要參數(shù)。當(dāng)顆粒帶有較多負(fù)電荷或正電荷時，其顆粒就會具有較高的Zeta電位，顆粒之間表現(xiàn)為排斥力大于吸引力，顆粒傾向于分散，體系比較穩(wěn)定；當(dāng)顆粒所帶的負(fù)電荷或正電荷較少時，其Zeta電位就比較低，顆粒之間表現(xiàn)為排斥力小于吸引力，顆粒間易發(fā)生團聚和絮凝沉淀現(xiàn)象，體系穩(wěn)定性比較差。

影響因素

大量的實驗結(jié)果表明，Zeta電位不僅受pH值、離子強度、離子類型等因素的影響，還受顆粒粒徑、濃度等性質(zhì)的影響。小編在這里僅介紹了幾個影響Zeta電位的主要因素。

1、pH值

固-液界面電荷的形成是由不同的物理化學(xué)機制所驅(qū)動的，其中表面官能團與水的酸堿反應(yīng)、水合離子的物理化學(xué)性質(zhì)是主導(dǎo)機制。由于官能團的質(zhì)子化狀態(tài)會因pH值的不同而發(fā)生變化，從而影響其化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)活性；水合離子的物理化學(xué)性質(zhì)會因pH值對溶液中離子的電荷狀態(tài)、水合殼層結(jié)構(gòu)、離子活度、離子對的形成、溶解度、遷移率等因素的影響而發(fā)生變化，所以pH值被認(rèn)為是影響Zeta電位最重要的因素之一。徐晗等通過實驗研究pH值對SiC-Si料漿流變性和Zeta電位的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SiC-Si的等電點大約在pH=2處，在pH≥8．0時，SiC-Si漿體的Zeta電位絕對值大于30mV，在pH=8.7時，Zeta電位絕對值達到最大值44.7mV。調(diào)節(jié)pH，可以調(diào)整粉料表面的帶電特性，使粉料表面電荷分布發(fā)生變化。

pH對SiC-Si料漿Zeta電位的影響（圖源：文獻3）

2、離子強度

Zeta電位是固-液界面雙電層中吸附層與擴散層之間相對滑移面上的電位差，它容易隨水溶液離子強度的變化而發(fā)生變化。當(dāng)溶液中的離子強度增加時，會有更多的離子圍繞在帶電顆粒的表面，形成一個雙電層。而雙電層的厚度會因離子強度的增加而變厚，離子對顆粒表面電荷的屏蔽作用也因此而增大，顆粒表面的有效電荷減少，Zeta電位降低。在很高的離子強度下，Zeta電位可能會趨近于0，此時顆粒易聚集或形成沉淀。Saragi等采用共沉淀法，從分散在各種液體中的亞鐵和鐵前驅(qū)體合成了包覆和未包覆SiO₂的磁性納米粒子。通過Zeta電位考察了Fe₃O₄納米粒子的穩(wěn)定性。分散在乙醇中的Fe₃O₄的Zeta電位值為-0.9mV，而分散在去離子水中的Zeta電位值為-31.1mV，表明Fe₃O₄納米粒子在去離子水中更穩(wěn)定。

分散在去離子水和乙醇中的Fe₃O₄納米粒子的Zeta電位曲線（圖源：文獻2）

3、添加劑濃度

從Zeta電位與電解質(zhì)溶液的pH值及離子強度的關(guān)系可以看出，Zeta電位與添加劑濃度的依賴關(guān)系是非常明確的。除此之外，添加劑的離子電荷性質(zhì)會影響Zeta電位的方向和大小，如果添加劑的離子與顆粒表面的電荷相同，它們會增加Zeta電位的絕對值；如果相反則會降低絕對值；不同類型的電解質(zhì)對Zeta電位的影響也會有所不同，多價離子由于擁有更強的電荷中和能力，通常會使Zeta電位更加顯著的降低，當(dāng)添加劑增加到一定濃度時，顆粒可能會失去穩(wěn)定性發(fā)生聚集。王杰等通過實驗發(fā)現(xiàn)在SiC微粉的去離子水體系中加入分散劑聚乙烯亞胺后，微粉顆粒固-液界面的電荷特性和親和力會發(fā)生改變，帶電的固體顆粒表層和反電荷離子的水化作用會被破壞，形成分散劑分子層，分散劑對碳化硅微粉顆粒進行表面改性，降低了微粉顆粒的比表面能，阻礙了固體顆粒的相互凝聚，從而使得SiC微粉在去離子水中的Zeta電位和分散指數(shù)均得到不同程度的提升，并且微粉顆粒的分散性能在較低電位點提升得更為明顯，呈現(xiàn)出良好的分散狀態(tài)。

加入分散劑后微分顆粒Zeta電位與分散指數(shù)的關(guān)系（圖源：文獻4）

小結(jié)

了解Zeta電位的相關(guān)工作機理，可以有效提升我們在各個領(lǐng)域?qū)τ谝后w分散體系穩(wěn)定性的有效監(jiān)測，從而在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中根據(jù)監(jiān)測結(jié)果開發(fā)、優(yōu)化出更多更好的配方、產(chǎn)品，對于實際的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中都有非常重要的意義。

參考文獻：

1、張玉華,曾鴻亮,全四龍.基于zeta電位的造紙中段廢水處理過程中絮凝劑投加量的優(yōu)化控制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報.

2、郭佳林,焦陽,史建公,等.氧化物Zeta電位影響因素研究進展[J].中外能源.

3、徐晗,劉源,徐恩霞,等.分散劑和pH對水基SiC-Si料漿流變性和Zeta電位的影響[J].耐火材料.

4、王杰.zeta電位對水體固體懸浮物微粉絮凝及分散性的研究[J].當(dāng)代化工.

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