Zeta電位的前世今生一：Zeta電位的概述和意義

顆粒表面帶電的現(xiàn)象大家肯定非常熟悉，比如超細(xì)的粉塵一旦粘附在衣服上就很難去除，長(zhǎng)時(shí)間放置的面粉會(huì)粘附成一團(tuán)一團(tuán)，磨細(xì)的咖啡粉末有時(shí)候從瓶口倒出很困難，這些都跟粉末顆粒表面帶電荷的種類和數(shù)量息息相關(guān)，“同性相斥，異性相吸”就是對(duì)這一點(diǎn)的詮釋。然而對(duì)于懸浮在溶液體系中的顆粒，其是不是也有類似的情況？如何來評(píng)估這些溶液中顆粒的帶電情況？

一、什么是Zeta電位？

圖1. 帶電顆粒的電勢(shì)分布

顆粒表面帶電的狀態(tài)首先取決于顆粒材料表面的官能團(tuán)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和電負(fù)性的官能團(tuán)將直接影響顆粒表面的電荷種類和數(shù)量。然而跟粉末顆粒懸浮在空氣中不同，懸液中的顆粒一般周邊的介質(zhì)是極性的溶液（比如水），這就意味著離子和電荷可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)自由的移動(dòng)，這樣緊密吸附的電荷會(huì)使顆粒在溶液中形成一個(gè)超過顆粒表面界限的雙電層：嚴(yán)密層和滑移層。在滑移層內(nèi)，所有顆粒將會(huì)受靜電作用一起移動(dòng)，滑移層以外則看作溶液環(huán)境，因此將顆?；茖游恢玫碾妱?shì)值稱為Zeta電位，帶正電的顆粒電勢(shì)為正值，而帶負(fù)電的顆粒電勢(shì)值為負(fù)值，電勢(shì)值絕對(duì)值越大，則說明顆粒表面電荷密度越高。

二、檢測(cè)Zeta電位的意義？

既然Zeta電位是反映顆粒表面電荷密度的指標(biāo)，在同一懸液中化學(xué)組分相同的顆粒一般都帶有相同種類的電荷，這就意味著顆粒表面的電荷密度越高，Zeta電位越大，顆粒間的電荷排斥力也越大，顆粒越不容易發(fā)生凝聚。雖然一個(gè)體系的穩(wěn)定性取決于多種作用方式，例如靜電排斥力、范德華吸引力、位阻效應(yīng)等等，但是作為最重要的相互作用力之一，Zeta電位現(xiàn)在已經(jīng)成為衡量懸液體系中顆粒凝聚穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。通常而言對(duì)于足夠小的顆粒懸浮體系（不考慮沉降效應(yīng)），當(dāng)Zeta電位超過30 mV，那么在熱力學(xué)理論上是穩(wěn)定性較好的，更多的應(yīng)用是通過檢測(cè)不同環(huán)境和配方下體系的Zeta電位進(jìn)行比較，優(yōu)化出最佳的方案。

Zeta電位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)和科研各個(gè)領(lǐng)域，比如陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域，我們需要測(cè)量陶瓷漿料的Zeta電位來考察漿料的存儲(chǔ)穩(wěn)定性；在生物制藥領(lǐng)域，我們需要測(cè)試蛋白溶液的Zeta電位以盡量避免蛋白大分子的團(tuán)聚；而在水處理領(lǐng)域則恰恰相反，需要加絮凝劑并將其電位調(diào)節(jié)到等電點(diǎn)附近，從而讓其變得更容易絮凝沉淀以便去除水中的顆粒雜質(zhì)。

圖2、較高的Zeta電位有利于維持體系的穩(wěn)定（左），較低的Zeta電位下顆?？赡軋F(tuán)聚穩(wěn)定性較差（右）

Zeta電位既然如此重要，那我們?nèi)绾尾拍艿玫揭粋€(gè)懸液體系準(zhǔn)確的Zeta電位數(shù)據(jù)呢？在下一章的文章中，將跟大家詳細(xì)介紹Zeta電位的測(cè)量技術(shù)。