一种测定微纳米颗粒表面电荷密度的方法

技术领域

本发明属于微纳米颗粒表面电荷密度测定方法的技术领域，特别涉及利用动态光散射技术进行微纳米颗粒表面电荷密度测定的技术领域。

背景技术

表面电荷密度是纳微米颗粒的界面性质中非常重要的参数，它决定了纳微米颗粒表面上的电场强度，从而影响了纳微米颗粒之间的相互作用。

然而到目前为止，现有技术中还没任何仪器可以直接测定这一重要参数。现有技术中对纳微米颗粒表面电荷密度的获得均是通过颗粒在气相介质中测定的外表面积与液相介质下测定的表面电荷数量进行估算实现的。由于测定环境不一致，这种估算方法得到的表面电荷密度准确性较差。

因此，亟需一种能够准确测定纳微米颗粒表面电荷密度的方法，以克服现有评估方法的缺陷，实现物质界面性质研究的突破。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够通过激光散射仪，直接在液相介质下准确测定纳微米颗粒表面电荷密度的方法。

本发明首先提供了如下的技术方案：

一种测定微纳米颗粒表面电荷密度的方法，其包括：

S1通过动态光散射技术测定微纳米颗粒在电解质溶液中的临界聚沉浓度；

S2基于微纳米颗粒在临界聚沉浓度下的凝聚能量势垒方程，根据所得临界聚沉浓度的值，通过赋值逼近的方法，获得微纳米颗粒的表面电位，根据所得表面电位计算得到所述微纳米颗粒的表面电荷密度；

其中，

所述微纳米颗粒的凝聚能量势垒方程如下：

其中，Δw表示微纳米颗粒的凝聚能量势垒；x表示颗粒间的距离；h表示颗粒的有效头部厚度，即纳微米颗粒凝聚时的有效厚度，可根据经验取值；P

所述微纳米颗粒的表面电荷密度的计算如下：

其中，σ

根据本发明的一些具体实施方式，所述微纳米颗粒间的静电斥力通过以下计算模型得到：

在所用电解质的阴阳离子的电荷比为1:1的情况下：

当

当

其中，CCC表示所述临界聚沉浓度；

在所用电解质的阴阳离子的电荷比为1:2的情况下：

当

当

其中，计算参数

计算参数

根据本发明的一些具体实施方式，所述临界聚沉浓度的获得包括：

(1)使用动态光散射技术观测在已知电解质浓度c

(2)通过所得瞬时凝聚速率v(t，c

(3)根据所得微纳米颗粒的平均凝聚速率

在不同电解质浓度c

根据本发明的一些具体实施方式，所述微纳米颗粒的瞬时凝聚速率v(t，c

其中，t表示时间。

根据本发明的一些具体实施方式，所述微纳米颗粒的平均凝聚速率

根据本发明的一些具体实施方式，所述微纳米颗粒总体平均凝聚速率

其中，D(t)和D(0)分别为凝聚的微纳米颗粒在t时刻和初始时刻的有效直径。

根据本发明的一些具体实施方式，所述赋值逼近法包括：

设定在所述临界聚沉浓度条件下的一个表面电位

根据本发明的一些具体实施方式，在所用电解质的阴阳离子的电荷比为1:1的情况下：所述微纳米颗粒的表面电荷密度σ

其中，CCC表示所述临界聚沉浓度，ε

根据本发明的一些具体实施方式，在所用电解质的阴阳离子的电荷比为1:2的情况下：所述微纳米颗粒的表面电荷密度σ

其中，CCC表示所述临界聚沉浓度，ε

本发明测定的微纳米颗粒表面电荷密度为液相介质中的真实值，不需要利用在气相条件下测定的比表面积进行估算获得，其结果准确度更高，而且有望实现仪器的自动测定。

附图说明

图1为具体实施方式中所述

图2为具体实施方式中所述P

图3为具体实施方式中所述表面电位

图4为实施例1中所得胶体颗粒在凝聚过程中的有效直径的变化情况图。

图5为实施例1中所得

图6为实施例1中所得P

图7为实施例1中所得

图8为实施例2中所得表面电荷密度与临界凝聚浓度的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

根据本发明的技术方案，所述测定微纳米颗粒表面电荷密度的方法的一些具体实施方式包括以下步骤：

S1通过激光散射仪测定微纳米颗粒在电解质溶液中的临界聚沉浓度(CCC)。

进一步的，在一些具体实施例中，所述临界聚沉浓度的测定包括：

使用动态光散射技术观测在已知电解质浓度c

则凝聚过程中从t＝0时刻到任意t＝t时刻的微纳米颗粒平均凝聚速率

从t＝0时刻到任意t＝t

其中，D(t)和D(0)分别为凝聚的微纳米颗粒在t(t>0)时刻和初始时刻(t＝0)的有效直径。

基于以上计算模型，在不同电解质浓度下，测定微纳米颗粒的总平均凝聚速率

S2根据测定的临界聚沉浓度(CCC)，获得临界聚沉浓度下微纳米颗粒间的静电斥力P

进一步的，在一些具体实施例中，S2进一步包括：

S21获得临界聚沉浓度下微纳米颗粒间的静电斥力P

在所用电解质的阴阳离子的电荷比为1:1的情况下，如所用电解质为NaCl时：

当

当

其中，

其中，常见的反离子的有效电荷系数为：Na离子1.21，K离子2.18，Ca离子2.60，Mg离子1.34，可通过离子交换吸附方法等进行确定。

在所用电解质的阴阳离子的电荷比为1:2的情况下，如所用电解质为CaCl

当

其中，计算参数

计算参数

S22基于所得静电斥力P

其中，A

S23基于所得颗粒间的合力P

则在CCC下，微纳米颗粒凝聚的能量势垒为：

其中，h为颗粒的有效头部厚度，对纳微米颗粒凝聚时的有效厚度可取1nm；a和b的值依赖于表面电位，为P

S24基于所得CCC下的微纳米颗粒凝聚的能量势垒，通过赋值逼近的方法求解表面电位

参照附图3，首先，假设CCC条件下的表面电位为

S25根据求解得到的微纳米颗粒的表面电位，获得微纳米颗粒的表面电荷密度σ

其中，ε

则在1:1型电解质体系中，微纳米颗粒的表面电荷密度σ

在1:2型电解质体系中，微纳米颗粒的表面电荷密度σ

因此，根据获得的颗粒表面电位

实施例1

测定蒙脱石颗粒的表面电荷密度，如下：

(1)利用光散射仪测定蒙脱石胶体颗粒凝聚水动力学直径随时间的变化情况，如附图4所示。

(2)根据附图4的实验数据，联合方程(1) (3)，计算出蒙脱石胶体颗粒凝聚的总平凝聚速率

从图5可以看出，其获得两条线段，一条线段对应快速凝聚阶段，总平凝聚速率随电解质浓度升高线性增长，当颗粒凝聚达到平衡后，凝聚速率不再随浓度升高而显著增大，即前者斜率远远大于后者，两直线的交点即为蒙脱石颗粒在NaCl溶液中的临界凝聚浓度CCC，结果为CCC＝0.1328mol/L。

(3)根据获得的CCC值，进一步计算颗粒凝聚的平均动能Δw，过程为：先假定一系列表面电位

(4)根据测得的颗粒表面电位-0.08236V，已知Na离子的有效电荷系数β

蒙脱石在液相的比表面积为716m

实施例2

根据实施例1的过程测定不同类型纳微米颗粒的表面电荷密度，获得其与临界凝聚浓度的相关关系图，如附图8所示，可以看出表面电荷密度与临界凝聚浓度呈显著的正相关关系，颗粒凝聚的CCC值越大，其表面电荷密度越高，带电量越大。

考虑到实际情况中，CCC值反映的是颗粒凝聚的难易程度，CCC值越大说明颗粒越需要在很高浓度下才能凝聚。这与颗粒表面所带电荷数量越大，颗粒间受到静电排斥作用越强，越难以凝聚的情况一致。因此，利用该发明的方法计算的纳微米颗粒表面电荷密度与实验观察的颗粒凝聚在变化趋势上具有一致性。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。