常见混凝剂等电点分析-环境仪器分析实验

一、实验目的

掌握Zeta电位的基本理论；了解Zeta电位测定仪基本结构和使用方法；掌握Zeta电位仪测定常见混凝剂等电点的方法。

二、实验原理与仪器结构

1.实验原理

胶体溶液是一种分散质粒子，直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，一般分散质粒子粒径在1～1 000nm。经典的DVLO 理论认为，胶粒体系的稳定性取决于粒子间的短程吸引力（范德华力）和远程排斥力（静电力）之和。通常Zeta电位的绝对值越高，体系越稳定，一般以±30mV 作为衡量标准。

Zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标，通过测量Zeta电位来了解溶液的稳定程度。同时，Zeta电位又与粒子的表面和分散介质的化学性质有关，所以影响Zeta电位的因素很多，主要包括：pH 值；溶液电导率；某种特殊添加剂的浓度，如表面活性剂，高分子物质等，其中pH 是最重要的影响因素（图6-1）。由于Zeta电位反映了水中胶体颗粒的稳定性，通常在污水处理中采用向水中投加混凝剂的方法来破坏体系的稳定程度，降低Zeta电位，使得颗粒胶体团聚沉淀，从而达到去除污染物的目的。

图6-1　Zeta电位与pH 的关系

目前，胶体溶液Zeta电位的测量主要依据激光多普勒电泳法，通过测量光的频率和相位变化得到带电粒子的电泳速度。根据Henry方程计算得到Zeta电位。Henry方程如下：

其中　z——Zeta电位；

　　　UE——电泳速度；

　　　ε——介电常数；

　　　η——粘度；

　　　f（Ka）——Henry函数，有两个值通常用于f（Ka）测定的近似，即1.5或1.0。

2.仪器的结构与功能

本实验所用仪器为英国马尔文公司生产，型号：Nano ZS 90（图6-2）。

图6-2　Nano ZS 90光路示意图

仪器主要部件及功能：

（1）激光器：高稳定He-Ne激光器，波长633nm。提供照射样品中粒子的光源；在测量过程中分光镜将激光光源分成两束，作为散射光和参考光。

（2）样品池：使用U 型毛细管样品池。入射光穿过样品池中央照射到颗粒上，使得自身频率发生改变。

（3）检测器：通过测量运动粒子引起的光强波动来检测散射光的频率，散射光频率的移动与粒子移动速度成比例。

（4）数字信号处理器：将检测器检测到的散射光频率变化信号经过转化传递至计算机。

（5）计算机：由Zetasizer Nano软件生成频谱，从频谱可计算电泳迁移率及Zeta电位信息。

（6）衰减器：用来调节光学强度装置，降低或增加激光强度。(www.xing528.com)

（7）光学补偿用来光路聚焦。

三、实验条件

1.仪器设备

Zeta电位分析仪（英国Malvern，Nano ZS90），磁力搅拌装置。

2.试剂与样品

（1）模拟污水：500mL，浊度值大约为500NTU；

（2）混凝剂：30%聚合氯化铝溶液；

（3）HCl溶液，NaOH 溶液（浓度均为0.25mol／L，体积100mL）；

（4）样品准备：在500mL样品中加入2mL聚合氯化铝溶液，磁力搅拌20min，备用。

四、实验步骤

1.打开仪器电源和自动滴定仪（MPT2）开关，预热30min。

2.点击软件Zetasizer，新建测量文件：File-New（文件-新建），输入文件名称后保存。测量文件保存后，仪器自动跳转进入默认界面。

3.测量程序设置

（1）点击“Measurement”→“manual”→“measurement type”（测量→手动→测量类型），选择“Titration”→“pH”→“Zeta Potential”（滴定→pH→Zeta点位），在“sample”（样品）选项中，输入样品名称，点击“”；在“Dispersant”（分散介质）页面中，分散介质选择水溶液（Water）；“General option”（一般选择）中，“Model”类型选择“Smoluchowski”，点击“”，“Temperature”（温度）选择25℃，平衡时间60s。

（2）pH 滴定程序设置：点击“”进入到“Titration”（滴定）页面设置，输入“HCl”和NaOH 浓度为0.25mol／L，样品体积为12 mL，设置pH 范围从当前数值开始，滴定终点pH=9。设置完毕后，点击“OK”，开始测量，测量到达终点后，仪器软件给出计算结果。

五、实验结果与数据处理

实验结果如图6-3所示。

图6-3　聚合氯化铝溶液pH-Zeta电位图

六、问题与讨论

1.简述本次实验中Zeta电位分析仪的工作原理及Zeta电位分析仪的基本结构。

2.简述在测量过程中影响Zeta电位的几个重要因素。

七、注意事项

1.待测样品的颗粒粒径大小均匀，由于使用样品量少，样品一定要有代表性。

2.在使用Zeta电位数据时，一定要说明体系的pH 是多少，使用何种分散介质。单纯的Zeta电位数据没有任何意义。