ch6.水环境中固液界面的相互作用
固液界面自由能
固液界面自由能
固液界面自由能是指固体和液体之间的界面自由能，也称为表面能、表面自由能或表面能量。
它是固体和液体之间的能量差，它可以用来描述固体和液体表面之间的能量交互。
它是一种物理量，它代表了固体和液体之间的界面能量。
固液界面自由能可以描述不同物质之间的相互作用，它可以反映出固体和液体之间的接触面积和界面能量。
它可以用来识别出不同物质之间的动力学相互作用，以及描述其自然表面的性质。
固液界面自由能是一种动能，它可以用来描述受温度和压力影响的固体和液体界面的形态变化，从而产生更多的理论研究和应用。
固液界面自由能的应用非常广泛，它可以用来研究固体和液体之间的能量交换，以及它们之间的相互作用。
它也可以用来研究固体表面的表面张力和润湿性，以及固体表面的胶结作用。
它还可以用来研究固体表面的抗腐蚀性和耐温性，以及不同固体表面的结构和性质。
固液界面自由能还可以用来研究不同液体之间的润湿性和胶结作用，以及液体拓扑结构的形成。
固液界面自由能是一种物理量，它可以用来描述固体和液体之间的能量交换和相互作用。
它可以用来研究液体的润湿性、胶结作用以及固体表面的表面张力和抗腐蚀性，以及不同固体表面的结构和性质。
它也可以用来研究不同液体之间的润湿性和胶结作用，以及液体拓扑结构的形成。
因此，固液界面自由
能可以作为一种重要的物理和化学工具，用于研究和识别固体和液体之间的能量交换和相互作用，以及液体的润湿性、胶结作用以及固体表面的表面张力和抗腐蚀性。
第四章固液界面PPT课件
sin = 1 (gh2／2LG) 在已知LG的条件下，不难由上式求出。
（3）电子天平法
测定纤维对浸润液的接触角在纤维增强复合材料中非常重要，可用 电子天平法进行测定。
如图5-7所示，设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天 平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液 面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化 P，由记录仪记下如图5-8的曲线。
当s-g > s-l 时，则cos>0，<90，此时为润湿；而且s-g和s-l相差越 大，角越小，润湿性越好。
当s-g < s-l时，则cos<0，>90，此时不润湿；当s-l越大和s-g越小 时，角越大，不润湿程度也越严重。
由Young方程可以看出，表面能高的固体比表面能低的固体更易 被液体所润湿。
>90时称为不润湿，角越大，润湿性越不 好，液体越不容易在固体表面上铺展开，而 越容易收缩至接近呈圆球状。
当=0或180时，则分别称为完全润湿和完 全不润湿。
由Young方程式可得： cos = (s-g s-l ) / l-g 上式表明润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系。
凡是能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。
① 具有OH， COOH等极性基的有机物，与水分子吸引较强，它们与 水接触后，在水面上能自动铺展，有较大的铺展系数。
② 碳氢化合物及其被卤素取代后的衍生物，因分子的极性减弱，因而铺 展系数也较小。
③ 对于石蜡、溴仿这些极弱的极性键和非极性键物质，与水吸引力很 小，不能在水面上铺展，所以铺展系数为负值。
水环境中固液相界面的相互作用
第四节水环境中固—液界面的相互作用一、水中颗粒物的类别天然水中颗粒物主要包括各类矿物微粒，含有铝、铁、锰、硅水合氧化物等无机高分子，含有腐殖质、蛋白质等有机高分子。
此外还有油滴、气泡构成的乳浊液和泡沫、表面活性剂等半胶体以及藻类、细菌、病毒等生物胶体。
下面分别叙述天然水体中颗粒物的类别。
1、矿物微粒和粘土矿物天然水中常见矿物微粒为石英、长石、云母及粘土矿物等硅酸盐矿物。
石英(SiO2)、长石(KAlSi3O8)等不易碎裂，颗粒较粗，缺乏粘结性。
云母、蒙脱石、高岭石等粘土矿物则是层状结构，易于碎裂，颗粒较细，具有粘结性，可以生成稳定的聚集体。
天然水中具有显著胶体化学特性的微粒是粘土矿物。
粘土矿物是由其它矿物经化学风化作用而生成，主要为铝或镁的硅酸盐，它具有晶体层状结构，种类很多，可以按照其结构特征和成分加以分类。
2、金属水合氧化物铝、铁、锰、硅等金属的水合氧化物在天然水中以无机高分子及溶胶等形态存在，在水环境中发挥重要的胶体化学作用。
铝在岩石和土壤中是丰量元素。
但在天然水中浓度较低，一般不超过0.1mg/L。
铝在水中水解，主要形态是Al3+、Al(OH)2+、A12(OH)24+、Al(OH)2+、A1(OH)3，和Al(OH)4-等，并随pH值的变化而改变形态浓度的比例。
实际上，铝在一定条件下会发生聚合反应，生成多核配合物或无机高分子，最终生成[Al(OH)3]∞的无定形沉淀物。
铁也是广泛分布的丰量元素，它的水解反应和形态与铝有类似的情况。
在不Ⅲ的存在形态是Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和Fe(OH)3同pH值下，Fe()等。
固体沉淀物可转化为FeOOH的不同晶型物。
同样，它也可以聚合成为无机高分子和溶胶。
锰与铁类似，其丰度虽然不如铁，但溶解度比铁高，因而也是常见的水合金属氧化物。
硅酸的单体H 4SiO 4，若写成Si(OH)4，则类似于多价金属，是一种弱酸，过量的硅酸将会生成聚合物，并可生成胶体以至沉淀物。
环境化学6水环境中固液界面的相互作用
2、沉积物中金属的结合类型 (1)吸附 (2)水合铁锰氧化物共沉淀 (3)被有机分子结合 (4)结合在矿物晶格中
结合稳定 性增加
携带重金属的物质及其结合机理
天然矿石碎屑
主要结合在晶格内部
➢S型模型：由紧靠界面的固定层和分散分布的扩散层构成。 第一层是在表面上专属吸附的离子，构成紧密的Stern层， 第二层则是扩散层/Gouy层。
三、胶体离子的凝聚
聚沉：减弱静电排斥，实现聚沉
--
-
+
±±±±
±
±
+
±
±
±±±±
带负电荷的 胶体粒子
与正离子 不带电荷 反应中和 粒子产生 负电荷 聚沉作用
perspective [M]. Oxford University Press, 2000 Manahan, S.E. Environmental Chemistry[M]. Lewis publishers (第七
版), 1999
水环境化学篇
作为重要的环境介质，天然水化学过程具 有重要的环境意义。本篇侧重介绍天然水的 组成和性质，沉淀和溶解，氧化还原，配合 作用及固液界面相互作用等基本化学原理在 水环境化学中的应用，并对主要有毒难降解 有机污染物的环境行为和归趋模式的基本原 理作详细介绍。
3、单分子层吸附理论（Langmiur方程） G= G0C/(A+C) → 1/G=1/G0+A/(G0C) G0：单层吸附条件下的吸附容量； A：吸附量达Q/2时的平衡浓度
G
Gº
C》A，G=Gº
Gº/2
第六章 液-液界面和固-液界面
•
21
• ①吸附等温线
•
单分子层，指数型，多分子层
• ⅰ Langmuir 等温式
•
单分子层
• •
吸附量
x
x m m
b
c
m lb c
•
直线式
• •
c 1 c
x m
b
x m
m
x m m
• 求固体吸附剂的比表面积
S
x m
m
NA
m
•
其他油， OW ～油种类的关系;
•
若某种油能产生σmin ，则该油的EACN= nmin
•
EACN 是油相的展性, nmin是表面活性剂的展性;
•
当体系中 =EACN 时，才产生σmin ,
•
配制超低界面张力体系的依据
11
• 5.2 固-液界面
• 5.2.1润湿作用
•
⑴接触角和Young方程
•
离子交换树脂 R1 H Na R Na H
R2 OH Cl R Cl OH
制备去离子水
25
26
27
28
薄膜
透镜 单分子膜 + 透镜 自憎现象 正己醇/水
铺展系数 Sa/b
a-g界面 dAa
( )T, p a 液面积扩大dA
a-b界面 dAab
b-g界面 dAb
3
6.1 液-液界面
G G G
dG
Aa
dAa
Ab
dAb
Aab
dAab
固液界面效应
固液界面效应
固液界面效应是一种在固体和液体间所促成的特殊交互过程。
即当液体与某种固体物质接触时，在两者间总会产生一层薄薄的界面带电层。
这种带电层为液体提供一层薄薄的保护，使液体具有更强的物质和热力学性质。
此外，固液界面效应尚可以保证环境温度稳定，进而实现液体的强有力清洁、抗污染及移动等等技术。
固液界面效应可说是一种有力且富有科学性的交互方式，其中物理、化学及生物等多种因素都有可能产生具有特殊性能的界面层。
而这种界面层受物理因素影响非常严重，它跟认知反应、化学反应、介质传输、活性物质扩散等机制有关，可以认为是多种实质因子交互的综合过程。
固液界面效应在当今的互联网行业中也有广泛的应用。
用户平台的安全性、动态性能、性能保证等等，都可能受到这一特定的界面效应的影响。
举例来说，在资源管理及其操作的过程中，固液界面效应的存在可以帮助确保用户的操作在形式和实际实施过程中受到最佳保护。
而在网络应用程序中，固液界面效应同样可以确保数据安全性、平滑及长久使用。
总之，固液界面效应具有多方面的应用，在互联网行业应运而生。
它所表现出的特殊性能，让整个互联网行业以及包括用户公司在内的实体行业给与了全新的交互传输机制及更贴近技术的可能性，从而使得对网络资源的管理更具有效率性。
水环境化学 第五章 水环境中的界面过程
M
(OH
)n
(S
)
MO(OH
) n1
(S
)
H
M(OH)n-1(H2O)+的数目=MO(OH)n-1-的数目
在该pH值发生的情况称为等电点或零电荷点 （Zero Point of Charge，ZPC)。
pHZPC对于不同金属氧化物有不同数值，而且每种 氧化物均是固定常数。
表5-1 典型矿物的等电点（pHZPC)
大多数情况下，天然水中有机胶体或无机胶体微 粒都带有负电荷。
但一些胶体如水合氧化铁、铝等矿物在水pH值偏 酸下也可以带正电荷。
胶体表面电荷的来源？？？
（1）表面电荷可来自表面的化学反应 （2）离子置换 （3）离子吸附
（1）表面电荷可来自表面的化学反应
• 此类电荷的产生是由于无机胶体表面上的羟基或 有机质胶体的一些基团如-OH,-COOH,-C6H4OH,-NH2 等获得或失去质子所致。
胶体种类 气溶胶 液溶胶 固溶胶
分散剂状态 气体 液体 固体
实例 雾、云、烟、霾 Fe(OH)3胶体、牛奶、豆浆 烟水晶、有色玻璃
天然水体中的胶体一般可分为三大类： （按分散质分类） 无机胶体，包括各种次生粘土矿物和各种
金属水合氧化物； 有机胶体，包括天然的和人工合成的高分
子有机物、蛋白质、腐殖质等； 有机无机胶体复合体。
如气-液、气-固、液-液、液-固和固-固等界面。
5.1 天然水体中的胶体物质 5.2 固液界面的吸附过程 5.3 水-固体系中的分配过程 5.4 挥发作用
5.1 天然水体中的胶体物质
胶体是分散质的大小介于1～100nm之间的分散系。 胶体有丁达尔效应，能发生布朗运动，有电泳和聚
沉现象。
《液固界面现象》课件
目录
• 液固界面现象概述 • 液固界面润湿现象 • 液固界面吸附现象 • 液固界面分子组装与自组装 • 液固界面现象研究展望
01 液固界面现象概 述
定义与分类
定义
液固界面现象是指液体与固体表 面之间相互作用所发生的现象。
分类
可分为润湿、吸附、表面张力等 。
重要性与应用领域
光学干涉技术
通过干涉图样的变化，研究表面形貌和界面分子排列，具有非接触 、无损检测的优点。
计算机模拟技术
利用分子动力学、蒙特卡罗等方法模拟液固界面的微观结构和动态 行为，为实验提供理论支持。
跨学科交叉研究的推进
1 2
物理学与化学的交叉
研究表面活性剂、胶体等物质在液固界面上的吸 附和排列，揭示界面现象的物理机制。
分子组装与自组装的驱动力
分子组装驱动力
分子间的弱相互作用力，如氢键、π-π相互作用等，这些力可以诱导分子按照一定的方向和排列方式结合，形成 有序的结构。
自组装驱动力
自组装的驱动力主要来自于熵驱动和能量最小化。在一定条件下，分子或结构单元会自发形成有序结构以降低系 统的总能量和提高系统的熵值。
分子组装与自组装的构筑单元
生物学与化学的交叉
研究生物分子在液固界面的吸附、扩散和反应， 为生物医学工程和生物技术提供理论基础。
3
工程学与化学的交叉
研究表面张力、润湿性等液固界面现象在工业生 产中的应用，提高产品质量和降低能耗。
实际应用中面临的挑战与解决方案
界面稳定性问题
在某些条件下，液固界面可能发生不稳定性，如涟漪、破裂等现象 ，需要深入研究其产生机制和解决方案。
04 液固界面分子组 装与自组装
分子组装与自组装的定义与分类
神奇的表面现象液体与固体之间的奇妙互动
神奇的表面现象液体与固体之间的奇妙互动神奇的表面现象：液体与固体之间的奇妙互动表面现象是物理学中一个引人注目的现象，它发生在液体与固体之间的边界处。
在这个界面上，液体分子以一种独特而精妙的方式排列和相互作用，展示出一系列令人惊叹的表现。
本文将深入探讨液体与固体之间的神奇互动，揭示其背后的原理和应用。
一、液体的界面张力液体的界面张力是表面现象的核心概念之一。
界面张力是由两层液体分子之间的相互作用引起的，其中表面层的分子相互之间存在内聚作用，而内部分子则没有这种作用。
这种张力使得液体在其边界上具有结实的表面膜。
界面张力的经典例子是水滴在叶片上的现象。
当水滴滴在平滑的叶片上时，由于水分子之间的结合力，水滴会在叶片的表面上成球状。
这种形状减少了与外界的接触面积，使水滴更容易滑落。
二、浸润与不浸润浸润是液体与固体之间的又一重要表面现象。
当液体能够完全附着在固体表面时，我们称之为浸润。
浸润性取决于液体与固体之间的亲疏性差异。
以水银与玻璃为例。
由于水银与玻璃之间亲疏性差异较大，水银无法在玻璃表面上浸润，形成了珠状滴落的现象。
这种特性使得水银能够在玻璃上滚动，而不会停留在原地。
然而，若用酒精代替水银，则会发现酒精在玻璃上能够完全浸润，并迅速扩散开。
这是因为酒精与玻璃之间的亲疏性相似，使其能够充分接触并附着在玻璃表面上。
三、升力与液体的形状液体的升力是指液体对物体在其中的一部分或全部施加的向上的力。
根据阿基米德定律，浸没在液体中的物体会受到与其排挤出的液体等重的向上力，这就是所谓的浮力。
一个有趣的现象是，在液体中放置一个不容易浸没的物体，我们可以观察到液体在物体周围形成一个凹陷的形状。
这是因为液体受到重力的作用，而在物体上方则受到的压力较小。
因此，液体会在物体周围形成一个凹陷，使得物体似乎被悬浮在其中。
然而，当物体与液体之间存在一定的亲疏性时，液体会被物体表面所浸润。
这时，液体不再形成凹陷，而是在固体表面形成一个凸起的形态。
水工建筑物的液-固结构互作用分析与优化设计
水工建筑物的液-固结构互作用分析与优化设计
水工建筑物是指建造在水中或靠近水边的建筑物，如水坝、港口、码头等。
这些建筑物的设计和施工需要考虑液-固结构互
作用的影响，以保证其稳定性和安全性。
液-固结构互作用是指水与建筑物之间的力学相互作用。
在水
工建筑物中，液体的作用力对建筑物的稳定性有着重要的影响。
例如，在水坝中，水的压力会对坝体产生影响，如果不考虑液-固结构互作用，可能会导致坝体破裂或倒塌。
因此，在设计水工建筑物时，需要进行液-固结构互作用分析。
这种分析可以通过数值模拟和实验室测试来完成。
数值模拟可以模拟液体在建筑物表面的流动情况，以及液体对建筑物的压力和力矩等影响。
实验室测试可以通过模型试验来模拟实际情况，以验证数值模拟的准确性。
在进行液-固结构互作用分析后，需要根据分析结果进行优化
设计。
优化设计可以通过改变建筑物的形状、尺寸和材料等来减小液-固结构互作用的影响。
例如，在设计水坝时，可以通
过增加坝体厚度、改变坝体形状等方式来增强其稳定性。
除了设计和施工阶段，液-固结构互作用还需要在运行阶段进
行监测和维护。
定期检查水工建筑物的稳定性和安全性，及时
发现并处理液-固结构互作用带来的问题，可以保证水工建筑物的长期稳定和安全运行。
总之，液-固结构互作用是水工建筑物设计和施工中必须考虑的因素之一。
通过液-固结构互作用分析和优化设计，可以保证水工建筑物的稳定性和安全性，为社会的发展和人民的生活提供重要保障。
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（一）Henry型
G KC
直线型
K——分配系数
G
C
（二）Freundlich型
G K C
1 n
G
lgG
1 或 lg G lg K lg C n
K——常数 lgG~lgC呈线性关系 （三）*Langmuir型
G G0 C AC
C
G0
lgC
G0/2
G0——饱和吸附量 当G=1/2 G0 （半饱和吸附量）时，A=C A
C
所以，A——半饱和吸附量时的平衡浓度。
Langmuir型吸附等温式的讨论 1）C<<A时，
G G0 C A
G~C呈线性关系，相当于Henry型吸附等温式；
2）C>>A时，
G G0
G与平衡浓度无关。 3）C适中时，
C G
1/G
4) 1
G
1 A 1 ( ) 0 0 G G C
1/G~1/C呈线性关系，
6-2天然水体中的胶体物质
胶体溶液——分散质粒子以1~100nm大小分散在分散介质中所形成 的分散体系。 矿物微粒 粘土颗粒 金属水合氧化物
天然水体——胶体溶液
分散质 （胶体粒子） 腐殖质 水体悬浮沉积物 藻类、细菌、病毒等 分散介质/分散剂： 水
Hale Waihona Puke 6-3胶体颗粒的性质一、胶体表面电荷 产生原因：化学反应、离子吸附、离子置换 二、双电层模型
第六章水环境中固液界面的相互作用
6-1水体中各相间的相互作用
相——指物系中具有相同组成、相同性质的均匀物质
相的数目与物质的混合情况有关：
气态物质混合 液态物质混合 固态物质混合 一个相 相数与互溶程度有关
固态溶液——合金 一个相 一般混合 相数与固体种类有关
相与相之间存在界面： 气~液；气~固；液~液；液~固；固~固等 天然水体是一个复杂的多相体系； 水体中的化学过程或生物化学过程大部分为非均相反应。
1/C
第六章水环境中固液界面的相互作用
基本要求
1.胶体稳定的主要原因以及凝聚的分类
凝聚
聚沉？
絮凝？
ngmuir型吸附等温式及应用。
习题解析P90/6
聚沉 方法
外加电解质 外加相反电性溶胶
*絮凝——胶粒之间通过化学键联结起来形成网络状的胶团从而发 生凝聚的过程。
6-4颗粒物在水环境中的吸附过程
吸附——指溶液中的溶质在界面层浓度升高的现象。
一、固体表面的吸附 表面吸附 分类 离子交换吸附 专属吸附 二、吸附等温线和吸附等温式 设吸附量为G，平衡浓度为C G~C曲线——吸附等温线 G~C表达式——吸附等温式
N
B
D
粘 土 颗 粒 表 面
M
+ + + + + +
δ A
+ + + + +- + + + ξ
-+ + -
+
E(颗粒物总电位)
固定层 （吸附层）
流动层 （扩散层）
C C(+)=C(-)
ξ电位的高低决定了胶体颗粒稳定性的大小！
三、胶体粒子的凝聚
聚沉 *凝聚 絮凝
*聚沉——通过降低ξ电位减少相同胶粒的排斥作用而使胶体凝聚的 过程。