论疏水作用力的特性及影响因素

疏水絮凝是天然水中经常发生的现象,也是水处理中常被利用的原理.而疏水作用力则是引起疏水絮凝的最主要原因,具有重要的科学意义和应用价值.在过去30多年里,科学家们从实验测定、数值模拟及理论研究3个方面做了大量的研究,使人们对疏水作用力有了一定的认识,但由于问题的复杂性及研究所具有的高难度,目前疏水作用力的理论仍不够完善.为有助于进一步研究,本文综述了疏水作用力的一些特性及影响因素,如疏水作用力的实验规律、疏水作用的距离范围、疏水作用力的粒度界限、表面接触角对疏水作用力的影响、电解质对疏水作用力的影响及温度对疏水作用力的影响等.对大量文献的分析归纳表明,实验规律有单指数函数模型、双指数函数模型及幂函数模型,作用距离范围分为短程作用力及长程作用力,微粒半径大于临界半径时才可产生疏水作用力,疏水作用力随接触角的增大而增大,电解质对疏水作用力基本无影响,关于温度的影响,迄今尚有不同的看法和争论,还需更进一步的研究.     

疏水缔合阳离子型高分子絮凝剂合成与性能研究

以丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、疏水单体CXDMC为原料,通过自由基水溶液共聚合法制备了疏水缔合阳离子型絮凝剂P(AM-DMC-CXDMC),考察了不同合成工艺条件下得到的不同结构的聚合产物的絮凝性能。研究结果表明,疏水单体种类、含量及絮凝剂浓度均对絮凝效果有较大的影响;疏水单体为C4DMC和C8DMC、疏水单体含量为1mol%、絮凝剂加量为20mg/L时,综合絮凝效果较好。用所制备的疏水缔合阳离子型絮凝剂和普通阳离子型絮凝剂P(AM-DMC)分别处理硅藻土模拟水与城市生活污水,结果发现,疏水缔合阳离子型絮凝剂处理效果优于阳离子型絮凝剂。     

不同pH值下腐殖酸反渗透膜污染中的界面相互作用解析

应用extended derjaguin-landau-verwey-overbeek (扩展DLVO) 理论评价不同pH值下范德华力、静电力、疏水性力3种界面相互作用对腐殖酸反渗透(reverse osmosis, RO)膜污染的贡献,探究pH值影响腐殖酸RO膜污染的主控机制.对3种常规RO膜的理论分析结果表明,静电力对腐殖酸RO膜污染的贡献很小,范德华力使膜污染加剧;疏水性力会减缓膜污染.与前期粘附阶段相比,后期粘聚阶段中范德华力的贡献有所增大,疏水性力在2个污染阶段中均起主导作用.膜污染随pH值的降低而加重,疏水性力作用能的改变是pH值影响系统界面自由能的主控机制.相应pH值下3种RO膜过滤实验数据及其相关性分析结果表明,扩展DLVO理论能定量评价3种界面相互作用的贡献,界面自由能和膜污染之间有很好的相关关系,RO膜纯水接触角的数值不宜作为评价膜污染的指标.     

仿生超疏水金属表面应用研究进展

叙述了浸润性理论基础,较全面地介绍了超疏水金属表面在许多基础研究和工业应用领域所具有的重要理论意义和广阔的应用前景,包括自清洁、流体减阻、水上微型运输器、抗凝露、防冰覆、腐蚀与防护、液体传输、油水分离、生物污损及防除、海洋污损及防除等,并且提出超疏水金属表面的耐蚀机理,为拓展仿生超疏水金属材料在工业领域及民用部门的工程应用背景提供可以借鉴的依据。     

离子对氧化铁纳米颗粒水中聚集作用的影响

研究了不同电解质(NaCl、CaCl2、KCl、K2SO4和K2CrO4)对氧化铁纳米颗粒(Fe2O3NP)聚集作用的影响,并用聚集效率来衡量聚集作用变化,用DLVO理论对各因素的影响进行解释.实验表明:浓度和价态的升高会显著增强NP的聚集作用;阴离子对NP聚集作用的影响强于阳离子(以KCl为对照,K2SO4引起了比CaCl2更显著的变化);K2CrO4的影响显著大于其他离子(0.5mmol/L的K2CrO4即可引起剧烈的聚集).通过DLVO理论发现:离子在较低浓度增长或价态的上升,会同时降低ζ电位和双电层厚度以促进聚集作用;阴离子和K2CrO4较阳离子,会更显著地降低ζ电位,从而加速聚集作用;浓度在较高区间变化时ζ电位相对稳定,此时双电层的压缩是促进聚集作用的主要原因.     

疏水性石油烃降解菌细胞表面疏水性及降解特性

从石油污染的土壤中分离纯化得到3株能以石油为唯一碳源和能源生长的石油烃降解菌,分别命名为HDB-1、HDB-2、HDB-3,并采用微生物粘着碳烃化合物法(MATH)对3株菌株的细菌表面疏水性及其环境影响因子进行研究.结果表明:二甲苯-水两相体系适用于3种细菌表面疏水性研究;HDB-1、HDB-2、HDB-3的疏水性分别为68.8%、57.4%、64.1%;随培养时间、碳源的不同和温度、pH的改变,细菌表面疏水性均发生不同程度变化;6d后初始含油量为1000mg/L的培养液的去除率分别为91.6%、64.5%、79.8%.结果还表明,细菌的细胞表面疏水性与其在环境中对有机污染物的降解呈一定的相关性,疏水性大的细菌对疏水性有机物的降解速度较疏水性小的快.     

有机粘土疏水性吸附过程的分子模拟:烷基碳原子数和有机物logK_(ow)的影响

基于从分子尺度上解析改性剂烷基碳原子数和有机物疏水性对有机粘土吸附能力的影响机制,以从头算的量子化学计算方法(MP2/6-31g(d))模拟了有机粘土在水溶液中的吸附过程.通过计算吸附前后几何构型、能量、化学键和电荷分布等参数的变化,分析了影响有机粘土疏水性吸附的关键因素,并对疏水性吸附作用力的化学本质进行了初步探讨.计算结果表明,烷基碳原子数增加对提高有机物吸附能的作用并不显著,长链烷基提高有机粘土吸附容量的真正原因在于其可提供更多的有机物吸附位.有机物的疏水性(以正辛醇-水分配系数logKow表征)是影响疏水性吸附过程的关键因子,水分子的引力作用对疏水性吸附具有决定性影响,理论上解释了普遍存在的有机物吸附量与logKow呈正相关的实验现象.疏水性吸附力的作用前提是有机物为疏水性,即当水分子的引力作用较弱时疏水性作用力才可以表现出来;而对于亲水性有机物,疏水性吸附力会被水分子的引力所抵消,吸附强度减弱.模拟红外光谱和电荷分布结果表明,吸附前后无化学键断裂和电子得失的发生,只有原子电荷密度的微小变化,据此推测疏水性吸附力以分子间弱相互作用力——London色散力为主.     

油气回收用疏水性硅胶的研制

为实现油气回收用疏水性硅胶的国产化应用,达到替代活性炭以解决其在使用中可能产生的安全隐患问题,实验室进行疏水性硅胶的合成.通过正交实验确定最优化的疏水硅胶制备工艺为:原料为A型硅胶,改性剂为DCDMS,改性剂与原料质量比为1∶20,反应温度30℃,反应时间为2h.在此工艺条件下得到样品的油气静态吸附量为3005g/kg,疏水性指数I为72.3％.     

仿生超疏水表面在海洋腐蚀防护中的应用

在介绍超疏水表面相关理论的基础上,总结了现有仿生超疏水表面的制备方法及其海洋腐蚀防护机制研究,重点分析了超疏水表面在实际应用中面临的水下稳定性和机械稳定性两方面问题及相关对策,并对超疏水表面应用的未来发展方向进行了展望。     

疏水性SiO_2气凝胶吸附水溶液中有机物的研究进展

SiO2气凝胶是一种纳米多孔固体材料,比表面积大和孔隙率高的特点使其具有良好的吸附特性。常压干燥下制备出的疏水性SiO2气凝胶由于具有制备成本低,且能在潮湿环境和水溶液中使用的特点,使其在吸附水溶液中有机物领域具有广阔的市场前景。在分析疏水性二氧化硅气凝胶常压制备技术及研究现状基础上详细介绍了其在吸附水溶液中有机物领域的研究进展,最后对疏水性SiO2气凝胶吸附水溶液中有机物研究重点进行了预测和展望。     

Interfacial forces between silica surfaces measured by atomic force microscopy

Colloidal particle stability and some other interfacial phenomena are governed by interfacial force interactions. The two well known forces are van der Waals force and electrostatic force, as documented by the classical Derjaguin, Landau, Verwey, and Overbeek (DLVO) theory. Moreover, advances in modern instrumentation and colloid science suggested that some short-ranged forces or structure forces are important for relevant colloidal systems. The interfacial and/or molecular forces can be measured as a resultant force as function of separation distance by atomic force microscopy (AFM) colloid probe. This article presents a discussion on AFM colloid probe measurement of silica particle and silica wafer surfaces in solutions with some technical notifications in measurement and data convolution mechanisms. The measured forces are then analyzed and discussed based on the ‘constant charge’ and ‘constant potential’ models of DLVO theory. The di erence between the prediction of DLVO theory and the measured results indicates that there is a strong short-range structure force between the two hydrophilic surfaces, even at extremely low ionic concentration, such as Milli-Q water purity solution.     

絮凝学研究的新领域——具有重金属捕集功能的高分子絮凝剂

絮凝是水质净化的重要方法之一.絮凝剂的作用对象主要是水中由不溶性物质形成的憎液溶胶及悬浮颗粒.近年来的研究发现,将重金属离子的某些强配位基团通过化学反应连接到高分子絮凝剂分子上能赋予原有高分子絮凝剂捕集水中溶解性重金属离子的功能,因此制备出具有去除重金属离子功能的高分子絮凝剂.研究表明,这类高分子絮凝剂用于水处理时表现出显著的优点,如去除效率高、沉降速度快,分离效果好,尤其适合于处理重金属离子与浊度共存的体系,显示出很好的研究及应用前景.本项研究拓展了絮凝剂作用对象的种类,开创了水处理絮凝学研究的新领域.     

絮凝动力学的现状与研究方法进展

在絮凝动力学的发展中先后提出了Smoluchowski理论、Camp-Stein理论和微涡旋理论,但迄今尚存在若干不足,特别是还不能全面揭示湍流絮凝的致因,也未能得到符合实际的湍流絮凝速度方程,严重影响了水处理絮凝工艺与设备的设计及放大.近年来,粒子图像速度场仪(PIV)和计算流体力学(CFD)的发展为深入研究絮凝动力学提供了新的手段和方法,有望使湍流絮凝动力学得到进一步发展.     

纳米银与微塑料在模拟垃圾填埋柱中的共迁移特征

以模拟垃圾填埋柱和人工配制渗滤液,探讨了纳米银（AgNPs）和微塑料（MPs）在垃圾填埋场中的迁移行为.结果发现,无论是单体系还是二元体系,随着填埋时间增长,AgNPs和MPs颗粒在渗滤液中稳定性增强,在填埋场中迁移能力增大,可能导致填埋中晚期有更多的污染颗粒随渗滤液流出填埋场.当AgNPs和MPs共存时,相对于单体系促进了AgNPs的迁移而轻微地抑制了MPs的迁移.结合DLVO理论和胶体过滤理论分析,一方面是由于流动性更高的MPs可作为AgNPs的载体,同时与AgNPs竞争固相介质上的吸附位点,从而促进AgNPs的迁移.另一方面,共存的AgNPs降低了MPs颗粒的表面负电荷使其稳定性减弱,并通过预沉积在固相介质上提供额外的MPs沉积位点,从而抑制MPs的迁移.     

Changes in different organic matter fractions during conventional treatment and advanced treatment

XAD-8 resin isolation of organic matter in water was used to divide organic matter into the hydrophobic and hydrophilic fractions. A pilot plant was used to investigate the change in both fractions during conventional and advanced treatment processes. The treatment of hydrophobic organics (HPO), rather than hydrophilic organicas (HPI), should carry greater emphasis due to HPO’s higher trihalomethane formation potential (THMFP) and haloacetic acid formation potential (HAAFP). The removal of hydrophobic matter and its transmission into hydrophilic matter reduced ultimate DBP yield during the disinfection process. The results showed that sand filtration, ozonation, and biological activated carbon (BAC) filtration had distinct influences on the removal of both organic fractions. Additionally, the combination of processes changed the organic fraction proportions present during treatment. The use of ozonation and BAC maximized organic matter removal e ciency, especially for the hydrophobic fraction. In sum, the combination of pre-ozonation, conventional treatment, and O3-BAC removed 48% of dissolved organic carbon (DOC), 60% of HPO, 30% of HPI, 63% of THMFP, and 85% of HAAFP. The use of conventional treatment and O3-BAC without pre-ozonation had a comparable performance, removing 51% of DOC, 56% of HPO, 45% of HPI, 61% of THMFP, and 72% of HAAFP. The e ectiveness of this analysis method indicated that resin isolation and fractionation should be standardized as an applicable test to help assess water treatment process e ciency.     

聚硅酸铁混凝剂絮凝与破碎的定量研究

以水玻璃、硫酸亚铁及氯酸钠为原料,应用共聚工艺制备聚硅酸铁(PSF)混凝剂,采用搅拌实验和颗粒计数法对比研究PSF与复合铝铁(PFA)的混凝性能,絮凝阶段残余粒子分布及紊流剪切力对絮体的影响.结果表明,高投药量时PSF去除高锰酸盐指数的性能优于PFA.PSF处理地表水时不宜采用过高或过低的絮凝速度,絮凝速度与絮凝时间应紧密配合才能提高混凝性能,即提高絮凝速度则需要减少絮凝时间.增加紊流剪切力时,PSF絮体的破碎程度远远小于PFA,被打碎的PSF絮体其再结合能力大于PFA.在数量级上,PSF的絮凝系数KA为10-2～10-3,破碎系数KB为10-7～10-8.对于粒径＜2 μm的颗粒,PSF的KA比PFA大4个数量级,KB与PFA相近,而其余粒径范围PSF的KA比PFA大近2个数量级,KB比PFA小近10多倍.     

离子强度和胡敏酸影响下不同土壤胶体稳定性研究

土壤胶体的稳定性对其携带污染物的能力产生重要影响,但离子强度和胡敏酸（HA）对不同土壤胶体稳定性的影响程度尚不明确.本实验通过土壤胶体沉降实验以及DLVO理论研究离子强度、HA对黑钙土、潮土和黄壤3种土壤胶体稳定性的影响.结果表明：即使在高离子强度背景下,黑钙土胶体和黄壤胶体因有机质和黏土矿物（黑钙土胶体：伊/蒙混合层;黄壤胶体：伊利石）较高,表面负电荷多、静电斥力大,故稳定性好;而潮土胶体的稳定性受离子强度影响明显,在低离子强度下,静电斥力占主导,稳定性达到最高.HA通过增加土壤胶体表面的负电荷,提高土壤胶体间静电斥力而增强其稳定性,且HA浓度越高土壤胶体的稳定性越强.不同粒径HA对土壤胶体稳定性的影响受pH值控制,相对于大粒径HA,酸性条件下,小粒径HA （F-HA）自身稳定性更强,同时也会自凝聚形成较大的团聚体来提高土壤胶体的稳定性;中、碱性条件下,F-HA产生的链状凸起结构较小,导致空间弹性斥力和渗透性斥力减弱,进而降低土壤胶体的稳定性.结果为明晰离子强度和HA对不同土壤胶体稳定性产生差异性影响提供数据支撑.