4粉体分散

4.4 粉体的分散


(1) (2) (3) (4)
工业生产中的粉体分散 固体颗粒在空气中的分散 固体颗粒在液体中的分散 颗粒分散的评价方法
(1) 工业生产中的粉体分散

①颗粒悬浮体分散的重要性
a 固-液工业悬浮体。 颜料及水煤浆等;分级;超细颗粒 b 固-气悬浮体。 ①粉体运输，②干法分级 c 粉体测试
气体被液体取代的过程，称为润湿。

固体颗粒被液体浸湿的过程，实际上就是液体与气体争夺固体 表面的过程。

固体颗粒润湿性好----分散性好
①固体颗粒的浸湿

固体颗粒被液体浸湿的过程主要基于颗粒表面的润 湿性，润湿性可用扬氏方程来表示：
如图， 润湿接触角：自固液界面经液 体到气液表面的夹角。 扬氏方程： бSG―бSL=бLGcosθ 种类：沾湿：900＜θ＜1800 浸湿：00＜θ＜900 铺展：θ=00

颗粒表面润湿性对颗粒间的调整作用
改变颗粒表面润湿性可显著地影响颗粒间的粘附力！
三种力的比较

如图: (1)间距 a <1μ m， 范德华力作用为主； (2)间距 a <2-3μ m， 液桥力作用为主； (3)间距a >2-3μ m， 静电力为主。
三种力的比较
如图: 液桥力 〉范德华力 〉静电力 实际应用： 气体气氛中，粒子的凝聚， 主要是液桥力起作用； 干燥的条件下，范德华力的 作用。 相应的措施：空气状态下，保 持物料干燥，可防止结团！

图4-2 优先解离（溶解）形成的双电层
Ca2+ F-
Ca2+ F-
Ca2+ ＋H2O
FCa2+ F-
Ca2+
FFCa2+
微粒表面
定位层
配衡层
矿物表面电荷的来源：


（2）优先吸附：矿物表面对电解质阴阳离子 不等当量吸附而获得电荷的情况。水溶液中的 晶格同名离子达到一定程度时便向矿粒表面吸 附，在矿粒表面荷电。如：白钨矿在饱和溶液 中，表面钨酸根离子较多而带负电。若向溶液 中添加钙离子，因表面优先吸附钙离子而带正 电。 （3）晶格取代 ：粘土、云母等硅酸盐矿物是 由铝氧八面体和硅氧四面体的层状晶格构成。 在铝氧八面体层中，当被低价元素（如Mg)取 代，结果会使晶格荷负电。
原 因二 静电作用力
(2)镜象力产生的静电引力:镜 象力实际上是一种电荷感应 力.（较小，一般忽略不计 ）
Q2 Fim 2 l
l 2 R H 2
原 因三 液桥力

液桥：粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时。 （一般 空气相对湿度大于65%时，水蒸气-凝集-液桥） 颗粒间因形成液桥而大大增强了粘结力！ 研究表明：液桥力比分子作用力大1-2个数量级， 因此，在湿空气中颗粒的粘结力主要源于液桥力！
②水介质中颗粒悬浮体的极限悬浮粒度
宏观颗粒（密度大于1kg/m3）在水中受重力而沉降，在斯 托克斯阻力范围内，满足自由沉降末速公式：
r: 球体半径， η: 粘度， Vt: 沉降速度， ρ: 溶媒密度， ρ0: 颗粒密度， g: 重力加速度， h: 沉降高度， t: 沉降时间
对于微米级颗粒，介质分子热运动对它的作 用逐渐显著，引起了它们在介质中的无序扩散运
工业上------搅拌槽(选矿上升流）
低功率（0.2kw/m3) ～轻质固体悬浮，低粘度液体混合 中等功率（0.6kw/m3) ～中等密度固体悬浮，液-液相接触 高功率（2kw/m3) ～重质固体悬浮，乳化 极高功率（4kw/m3) ～捏塑体，糊状物等的混合
＊颗粒体系完全悬浮：所有颗粒均处于运动状态，且
原 因二 静电作用力

空气中颗粒荷电的途径： ●生产过程中（电解法、喷雾法、干法研磨等） ●与荷电表面接触 ●气态离子的扩散作用—主要途径 (1)接触电位差引起的静电引力：颗粒与其他物体接触 时，颗粒表面电荷等电量的吸引对方的异号电荷， 使物体表面出现剩余电荷，从而产生接触电位差。 接触电位差引起的静电吸引力Fe=4πρss(ρs:表面电荷 密度. S:接触面积)
者小，一般近距离内成为决定因素（10～20纳米）。
图4.24 溶剂化结构 (a)非极性颗粒；(b)极性颗粒；(c)阳离子 A—直接水化层；B—次生水化层；C—无序层；D—体相水
②固体颗粒在液体中的聚集状态
d 高分子聚合物吸附层的空间效应 当颗粒表面吸附有无机或有机聚合物时， 聚合物吸附层将在颗粒接近时产生一种附加的 作用，称为空间效应。 吸附层牢固且致密，有良好的溶剂化性质 时，它起对抗颗粒接近的作用。但此种力只是 在颗粒间距达到双方吸附层接触时才出现
②固体颗粒在液体中的聚集状态
综合以上所述的各种情况可以看出： 固体颗粒在液体中分散（稳定）与凝聚 （不稳定）是对立的。电的排斥、分散剂、 溶剂化层的的影响促进了体系分散稳定，分 子的吸引力和各种运动碰撞又促进了絮凝！
③颗粒在液体中的分散调控
原因？如何办？
硬团聚 原始粒子
软团聚
干粉颗粒的几种存在状态
原 因?
分子间作用力 静电作用力 液桥力

原因一 分子作用力（范德华力）
★分子之间存在着范德华力---短程力(约1纳米) ★大量分子集合体构成的体系存在多分子的综合作用---长 程力 (50纳米)。 ★范德华力是宏观物体间相互作用时最重要的一种力，它 总是存在的，是由原子核周围电子云的涨落引起的，是 由取向力（静电力）、诱导力以及色散力组成，通常总 是促使颗粒互相吸引，表现为吸引能。
如何办？

颗粒在空气中的分散途径
（1）机械分散（高速叶轮圆盘及气流喷射） 必要条件：机械力大于颗粒间的沾着力！ 问题：①重新粘结②脆性物料被粉碎③设备磨损 （2）干燥处理 降低液桥力 （3）颗粒表面处理 ①降低润湿性抑制液桥②降低分子作用力 （4）静电分散 使颗粒荷电（接触带电、感应带电、电晕带电等）
紧密层（Stern层，厚度为δ）
紧密层与扩散层的分界面称Helmholtz面
外层 扩散层（滑移面，离Helmholtz
面稍远点，该面上的电位称为动 电电位，用ξ表示）
外Helmholtz层（OHP）
由水化的反号离子的静电吸附所形成 的层。其与扩散层的分界面称为外 Helmholtz面（OHP）,该面上的电位用 δ表示。实际上也是紧密层与扩散层 的分界面。
图4-3
双电层结构示意图
0 ξ
扩散层
IHP OHP
h
滑动面
图4 双电层的结构及电位
双电层
内层（吸附或产生有决定表面电位的离 双电层
子，该层与外层分界面上的电位用0表示， 称为表面电位 ）
内Helmholtz层（IHP）
由失掉水化层而被直接吸附在表面的与内层 电性同号的离子构成一层,该离子中心连接 面称为内Helmholtz面（IHP） , 该面上的电 位用i表示;
原因一 分子作用力（范德华力）
对于半径分别为R的两个相同球体，分子作用 力F为：
F
AR 12h2
h-----间距，nm A-----哈马克（Hamaker）常数，J R-----颗粒半径， m
范德华力与颗粒的直径D成正比，而颗粒所受的重力正比于 D3，因此，当D减少至某一值时，必将有范德华力大于其所受的重 力。因此，这样凝聚的颗粒是不会因重力而分离的，这说明在这 种情况下，粉体的分散程度主要取决于颗粒间的范德华引力。
②固体颗粒在液体中的聚集状态
a 分子作用力-----同质颗粒聚团的主要原因
Fm=-AR/12h2 (球体－球体）
b 双电层静电作用力---同质颗粒排斥的主要原 因
双电层静电作用力

矿物表面电荷的来源：矿物在水溶液中受水偶极子 分子的作用，表面会带一种电荷。其原因有以下三 方面：
（１）优先解离：固体微粒在水中，其表面受到水偶极的作 用，由于正负离子受水偶极的吸引力不同，会产生非等量的 转移，则有的离子会优先解离（或溶解）转入溶液。例如， 萤石（CaF2）在水中，F- 比Ca2+易溶于水，于是萤石表面就 有过剩的Ca2+ ， 而荷正电；溶于水中的F- 受到矿物表面正 电荷的吸引，在矿物表面形成配衡离子层。 重晶石（BaSO4）、铅矾（PbSO4）均属此类。正离子 比负离子优先转入溶液的例子有白钨矿（CaWO4），由于 Ca2+ 优先转入溶液，白钨矿表面就有过 剩的WO42－，因而 表面荷负电。
双电层静电作用力
在液体中颗粒表面因离子的选择性溶解或选择性 吸附而荷电！反号离子由于静电吸引而在颗粒周围的 液体中扩散分布形成双电层。 颗粒带着固定层运动，故它运动时表现的是动电 位，各颗粒都带同号的动电位。颗粒间相互排斥， 防止颗粒间的团聚，使颗粒保持分散状态。可见颗 粒的ξ电位非常重要。当颗粒的ξ电位最大时，颗粒 的双电层表现为最大斥力，使颗粒分散；当颗粒的ξ 电位等于零时（即等电点），颗粒间的吸引力大于 双电层之间的排斥力，颗粒团聚而沉降。
②固体颗粒在液体中的聚集状态

e DLVO理论 德里佳金（Derjaguin）、兰多（Landau）、 维韦（Verwey）和奥弗比克（Overbeek）考虑了 双电层的相互作用以及范德华吸引力，用它们来解 释悬浮胶体凝聚和分散的条件，这种理论简称为 DLVO 理论。 DLVO理论认为悬浮液及溶胶的稳定性是有电的 作用力和范德华吸引力相互达到平衡而形成的。当 两个带同性电荷的胶体微粒相互趋近时，系统能量 的变化是吸引能和排斥能的总和。当双电层作用力 占优势时体系表现为分散，当范德华吸引力占优势 时体系表现为团聚。
机械分散
图4.17分散喷喷示意图 1一给料2一压缩空气
图4.18转盘式差动分散器示意图 1一给料 2一转子 3一定子 4一排出料
静电分散调控



使颗粒带电，利用荷电粒子间 的库伦斥力使颗粒分散。颗粒 间的库伦斥力与荷电量的乘积 成正比。 电极电压、颗粒粒径和湿度是 影响静电分散的重要因素。表 面处理是提高颗粒在空气中的 分散性的有效途径。 静电分散的时效性不强，一般 为两天左右。