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1、浅谈胶体知识的应用物理化学读书报告 目录一、胶体理论在造纸方面的应用31.1胶体理论在造纸蒸煮过程中的应用31.2胶体理论在造纸洗涤过程中的应用41.3胶体理论在造纸抄纸过程中的应用41.4胶体理论在废水处理过程中的应用5 二、胶体在造纸在生命科学研究中的应用52.1、胶体在临床医学中的应用62.2、胶体在酶研究中的应用6三、胶体在食品工业中的应用63.1胶体可以使食品中分散体系稳定63.2胶体对维持和改善食品组织结构起着重要作用7四、胶体化学在航天技术中的应用84.1与液体推进剂相比，胶体推进剂的优点84.2与固体推进剂相比，胶体推进剂的优点8参考文献10 浅谈胶体知识的应用摘要：胶体在人们
2、的生活中起了越来越重要的作用。人们对胶体的研究也越来越透彻，逐渐形成了胶体化学这一科学门类。本文介绍了胶体在人类社会中的应用，主要从造纸、生命科学研究、食品工业以及航天技术方面进行阐释。关键字：胶体化学 应用 工业导语：1861年，英国化学家格雷厄姆在研究不同物质在水中的扩散速度时发现有两类物质，他把扩散速度慢的、不易结晶的、易成粘稠状的一类物质成为胶体。虽然后来发现这种分类方法并不科学，但是“胶体”这一概念沿用至今。直到1907 年俄国科学家法伊曼才给胶体这个概念以确切的定义。他提出胶体是物质处在粒子大小为1 100 nm 之间的分散状态。而今, 胶体化学的应用已渗透到很多领域, 如造纸、食
3、品加工、航天等工业。一、 胶体理论在造纸方面的应用胶体化学是一门应用极为广泛的边缘学科。其在造纸工业中的应用也越来越引起造纸工作者的重视。运用胶体化学理论来认识和分析制浆造纸中的蒸煮、洗涤、漂白、抄纸、废液处理过程是一个全新的课题。对于制浆造纸中现存的一些问题, 从胶体化学的角度可以得到很好的解决。1.1胶体理论在造纸蒸煮过程中的应用从胶体化学的观点来看, 制浆过程是将大块植物原料分散成纤维素分散体的过程 。在蒸煮过程中, 蒸煮液的有效成分应充分进入原料内部。在浸透过程中, 存在两个作用: 其一是毛细管作用, 主要是靠压力差通过导管或管胞( 或纤维) 胞腔进行。毛细管浸透率与毛细管半径的四次方
4、成正比, 与压力差成正比, 与蒸煮液粘度成反比。在纤维原料水分含量低时, 排除原料毛细管内的空气后, 浸透加快。试验证明, 沿纵向的毛细管浸透率比横向大得多。其二是扩散作用, 靠浓度差使蒸煮液中的离子扩散浸入原料内部。在纤维原料水分含量高至纤维饱和点( 即毛细管完全被水充满) 时, 离子浸透到原料中心的过程就主要靠扩散作用进行了。扩散作用取决于有效毛细管截面积, 试验表明, 在碱法蒸煮中, 木材发生内部润胀,碱液在纵向和横向上的扩散几乎一样, 因而浸透速率相近。1.2胶体理论在造纸洗涤过程中的应用从胶体化学的观点来看, 纸浆与废液组成的是一种液态非均相系。由于含水纸浆与黑液的密度相差较小, 往
5、往采用过滤的方法分离。过滤是利用有许多毛细空道的浆层作介质, 在浆层两侧压强差的推动下, 使洗涤液与悬浮固体 纤维分离。扩散过程为物质的传递过程。纸浆的扩散洗涤即是利用浆中残留废液浓度大于洗涤液的浓度的差别, 使纤维壁内外废液中的溶质分子自动移向水中, 水分子也向纤维运动以进行置换, 这就是分子扩散作用。1.3胶体理论在造纸抄纸过程中的应用从胶体体系方面认识造纸化学较为容易, 例如, 大多数胶体体系可分成疏液的和亲液的两种体系 , 下面是这两种体系的主要特性。疏液系统的特性: 粒子的悬浮- 非溶液体系; 溶剂和粒子间的吸引力或亲和力较小; 体系不稳定导致聚集; 界面存在有强烈地影响体系行为的粒
6、子和悬浮介质。亲液系统的特性: 高分子的真溶液或者小分子的聚集; 溶剂和离子间的强烈吸引; 粒子与介质间无真正的分解面。如果分散介质是水时, 可相应的称其为疏水和亲水胶体体系 。由于造纸体系的分散一般是在水介质中进行的, 所以造纸系统中的分散胶体体系也可称为疏水体系和亲水体系。a.下面列出了造纸湿部中一些典型的胶体体系。疏水胶体体系: 分散在水中的颜料; 分散在水中的细小纤维; 分散在水中的松香胶粒; 分散的松香施胶液。亲水胶体体系: 溶于水的淀粉; 溶于水的胶粒; 溶于水的半纤维素; 溶于水的表面活性剂、分散剂、湿润剂; 溶于水的助留剂、助滤剂以及成形助剂。其中有两种亲水胶体是非常重要的,
7、第一种是助留剂和助滤剂、干强剂和湿强剂, 它们会影响亲水物质的行为。第二种则是缔合化合物如湿润剂、表面活性剂、消泡剂和分散剂。一般造纸系统中, 色料和细小纤维与水是可湿润并可作用的物质, 但实际上, 细小纤维表面通常被覆盖着一层纤维素和半纤维素形成的凝胶。即使是松香粒子分散后与水反应达到一定的程度也是不可能形成非常稳定的胶体分散体系的。对此问题的另一种看法是对单个粒子也可湿润, 在其表面上可吸附一定的水, 但它仍然是具有疏水特性的分散体系 。b.胶体颗粒变大聚集形成聚集体是引起胶体不稳定的主要原因, 胶体颗粒聚集可分两种: 一种是凝聚, 另一种是絮聚。凝聚作用是指造纸湿部配料中许多细料固体颗粒
8、形成丛状、串状的聚集体, 在这种聚集中, 细料固体颗粒仍保持其个体身份, 但在动力性质上失去了独立性, 整个凝聚体作为一个运动单元。由于它们不是融合成新的细料固体大颗粒, 所以其比表面积没有减少, 虽然在细料固体颗粒的接触处表面会连接在一起, 但在凝聚体中细料颗粒之间的结合较弱, 所以凝聚过程是可逆的, 加入胶溶剂可使其重新分散。另一种是絮聚作用, 它是指两个或多个细料固体颗粒聚集后融合成一个新的大的细料颗粒,伴随着的是比表面积的减少, 这时体系的比表面自由能明显地降低, 如分子为长链状的聚合电解质吸附到纤维或细料固体粒子的表面上时通过桥联和嵌镶两种机理使细料固体粒子与纤维所发生的絮聚。由此产
9、生的絮聚物能经受较高的水的剪切力, 即结合是强的, 絮聚过程是不可逆的。1.4 胶体理论在废水处理过程中的应用废液主要由有机物和无机物组成, 其中有机物是产生热值的主要能源。根据制浆原料和生产工艺条件的不同, 废液固形物中有机物与无机物的组分比例也不同, 一般黑液的有机物约占65% 70%, 无机物占30% 35% , 红液的有机物约占85% 90%, 无机物占10% 15% ( 均为质量分数) 13 。由于黑液中存在各种胶体物质, 在一定条件下具有胶体性。当黑液中有效碱含量占固形物的1. 14% 以上时, 碱木素完全溶解于黑液中,呈水胶体状存在, 不发生沉淀; 但当有效碱含量低于0. 71%
10、 时, 碱木素胶体的稳定性大大降低, 很容易从黑液中沉淀出来。在蒸发过程中, 随黑液浓度的提高, 由于失水和盐析作用, 部分碱木素胶体受到破坏, 也会发生局部沉淀现象。因此, 可从半浓黑液中分离出较多的皂化物。二、 胶体在生命科学研究中的应用几十年来胶体化学的理论和应用获得了很大的发展, 并已深入到制药学、生理学、临床医学和生物医学工程等医药学领域的许多方面在目前正在着力研究并己获得很大发展的某些交叉领域中, 胶体化学更是发挥了重要的作用。2.1、胶体在临床医学中的应用a. 人工肝：实质上是一个装满吸附剂的血液灌流器, 它利用吸附剂的吸附作用清除毒物关键是吸附剂的选择现主要有包膜活性炭、树脂和
11、氧化淀粉等。对固一液界面吸附的深入研究将提供更好的医用吸附剂。b. 人工肺：目前大多为膜式人工肺, 以含吸附剂的水溶液为内相, 分散在有机碳氟化合物的连续相中形成油包水型液膜, 再将充满的液膜分散到血液中形成无数微滴, 在微滴一血液界面上实现与的交换以模拟肺泡的功能。气体交换发生在无数小液滴表面, 这样使表面积增大, 效率相应提高。这种膜结构能避免供氧时蛋白质与大量直接接触而在血一气界面上发生变性。c. 胶体治疗最主要的作用是补充血容量，手术过程中使用后可以减少对异体输血的需求量。而今血液需求紧张，如何能减少血液的使用量正是医学界最关心的问题之一，血液稀释是临床应用最多的方法之一，其中又以急性
12、高容量血液稀释的优越性高，而胶体作为良好的容量扩充剂就在普外科得到了广泛的应用。2.2、胶体在酶研究中的应用生物体内几乎所有的化学反应都是由酶催化的。对酶催化机理的研究将对人类医药等各方面的飞跃提供巨大的帮助。胶束模拟酶便是一个初步尝试。胶束在水溶液中提供疏水微环境, 可以对底物进行束缚, 类似于酶的结合部位。如果再将一些催化基团共价或非共价地接在或吸附在胶束上, 就有可能提供活性中心, 使胶束成为具有酶活性或部分酶活性的胶束模拟酶。但它和酶还有本质上的差别, 胶束在许多反应中起的作用更类似于相转移作用。总之, 胶体化学作为物理化学的一个分支将对生命科学等自然科学的发展起越来越重要的作用。三、
13、 胶体在食品工业中的应用3.1胶体可以使食品中分散体系稳定乳化、稳定性食品胶添加到食品中后，体系黏度增加，体系中的分散相不容易聚集和凝聚，因而可以使分散体系稳定，可用于果汁饮料、啤酒泡沫、糕点裱花等食品体系的稳定。在食品中能起乳化作用的食品胶或亲水胶体并不是真正的乳化剂，作用方式也不是按照一般乳化剂的亲水亲油平衡机制来完成的，而是以好几种其他方式来发挥乳化稳定功能，但经常是通过增稠和增加水相黏度以阻止或减弱分散的油粒小球发生迁移和聚合倾向方式来完成的。有些食品胶，如阿拉伯胶和明胶也可以通过保护、覆盖胶体的作用方式达到稳定乳化的功能，即胶粒被体系吸收后在分散的小球粒或颗粒周围形成一覆盖膜层，并将
14、电荷表面均匀分配给覆膜颗粒使其相互排斥而形成分散的稳定体系。也有一些亲水胶体能起到表面活性剂的作用，可以降低体系的表面张力以达到乳化稳定的功能。3.2胶体对维持和改善食品组织结构起着重要作用a. 淀粉及变性淀粉（化学改性胶）是当今世界上使用量最大的一种多糖。淀粉也是多糖类食品胶，一般也具有增稠、胶凝等作用，但它除去部分抗消化性淀粉外都不属于膳食纤维，也就是说淀粉应用于食品中不具有膳食纤维的功能，并且其含热量很高。b. 卵磷脂是食品乳化剂，适用于水包油或油包水的乳化体系。食品多是水包油型胶体，乳化剂的HLB值大于6时才能提供较好的乳化效果，而卵磷脂的HLB值为7，故具有均衡的亲水和亲油性，适用性
15、广泛；卵磷脂是有效扩散溶液表面活性剂和许多粉状或粒状食品的润湿剂，在食品中加入适量的卵磷脂可以达到速溶效果；卵磷脂具有防止或减缓食品结晶的作用。如果在含糖或油脂的食品中，加入05的卵磷脂，会改善食品的晶体结构或食品质地；在富含直链淀粉的食品中加入少量卵磷脂，可起到防止淀粉老化的作用；卵磷脂作为防粘分离剂，可使产品与产品加工机械、产品与产品包装之间不粘连，从而减少产品损失，有助于机械设备清洗。此外，食品胶也作为脂肪取代物较广泛地应用于低脂食品、疗效食品和保健食品的生产中。 作为被膜剂和胶囊许多食品胶可用作被膜剂，它们可被覆盖于食品表面，可以在食品表面形成一层保护性薄膜，保护食品不受氧气、微生物的作用，起保质、保鲜、保香或上光等作用。胶体在食品工业中的应用及其广泛，有着无可替代的地位。对食品的加工及其品质都有极大的影响，其中以蛋白质胶体最为重要。至今食品胶体以发展成为一门独立的学科，研究其对食品工业的前途有重大的意义。四、 胶体化学在航天技术中的应用 目前,国内外火箭、导弹都以固体或液体化学推进剂为动力,但它们各有优缺点。固体推进剂密度大,易贮存和运输,使用维护方便,但固体推进剂比冲较低且不能调节燃速,不能多次启用。液体推进剂比冲高,能在导弹飞行过程中调节推力,能多次启用,但液体推进剂密度小,易燃,易爆,有毒,安全性低。掺加胶凝剂的胶体推进剂则兼具液体推进剂和固体推进剂
