膠體顆粒絮凝對水環(huán)境、污水處理以及水生態(tài)等方面起著重要作用,多種物理、化學和生物過程影響膠體顆粒的絮凝過程,顯著改變了其運移和沉積過程以及其吸附物質(zhì)輸移方式,因而膠體顆粒絮凝過程已成為地理、生物、化學、水利、環(huán)境等學科共同關(guān)注的問題。

膠體顆粒絮凝機理的解釋一直沿用膠體穩(wěn)定性理論即DLVO理論,通過顆粒表面物理化學作用來解釋顆粒發(fā)生粘結(jié)的機制,并認為Van der Waals分子吸引力和顆粒表面靜電排斥力的共同作用是使顆粒能夠彼此粘結(jié)在一起的重要原因。隨后,在DLVO理論的基礎上提出了擴展的DLVO理論(XDLVO),增加了A-B(acid-base)作用力,可以更精確地描述膠體顆粒的穩(wěn)定性。膠體化學穩(wěn)定性理論只是針對平板、球體及圓柱體間相互作用力的描述,并沒有考慮不規(guī)則形狀及附著有機裹層的膠體顆粒間的作用力。

在實際環(huán)境中,膠體顆粒表面會附著有機質(zhì)裹層,有機裹層的存在改變了泥沙顆粒表面電化學性質(zhì)。因此,膠體顆粒間能量傳遞受到吸附有機分子間相互作用力的影響,而不僅僅是基本顆粒間作用的影響。這樣就需要通過實驗直接測量出含有機裹層的膠體顆粒間相互作用力。目前國內(nèi)很多學者使用原子力顯微鏡(atomicforce microscope,AFM)探測顆粒表面結(jié)構(gòu)以及進行相關(guān)力學研究。

利用AFM可獲得穩(wěn)定、高分辨樣品表面形貌圖像,如利用AFM得到淀粉顆粒表面和內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu),利用AFM的針尖與磷脂雙層膜接觸,進而研究磷脂雙層膜的性質(zhì)。李靜楠等基于AFM接觸模式,使用橫向力模式和Nano Man兩種方法側(cè)向推動納米顆粒,運用側(cè)向力掃描方法測出單個納米顆粒與基底表面的摩擦力。陳茜等將DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子的兩端分別固定于AFM針尖和基底,進行“單分子拉伸試驗”,研究生物分子間的相互作用。然而,國內(nèi)尚未進行電解質(zhì)溶液環(huán)境條件下膠體顆粒間相互作用力的測量研究。

在AFM測量顆粒間相互作用力過程中關(guān)鍵步驟是探針制備,目前較為流行的是膠體探針制備技術(shù)。膠體探針技術(shù)使用一個微米尺寸的顆粒粘接到原子力顯微鏡的探針懸臂末端作為傳感器,主要用于膠體界面間相互作用力的研究。膠體探針技術(shù)也可用來測量兩個顆粒間相互作用力,Jiang等將二氧化硅微球粘在三角形懸臂梁的末端,測量二氧化硅微球與白云母間的相互作用力,Ruiz-Cabello等采用該技術(shù)測出電解質(zhì)溶液中的兩個微米量級的latex顆粒(聚苯乙烯顆粒)之間的相互作用力,并與DLVO理論推導結(jié)果進行比較,進而對傳統(tǒng)公式加以改進研究。他們采用的測量方法具有參考價值,但只能測量表面有特定基團的latex顆粒。

基于膠體探針技術(shù),在液相環(huán)境中采用AFM測量聚苯乙烯顆粒膠體顆粒間相互作用力,將測量結(jié)果與膠體XDLVO理論值進行比較,為測量復雜表面形狀的顆粒(如高嶺石、蒙脫石和伊利石等)及附著生物膜的膠體顆粒間相互作用力奠定基礎。

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