黏土的帶電性及雙電層理論研究

摘 要：通過介紹黏土的帶電性，闡述了黏土帶電性分散在水中的黏土粒子可以在電流的影響下向陽極移動的理論以及概括了黏土的帶電機(jī)理，并對雙電層理論的成因進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：黏土；帶電機(jī)理；導(dǎo)電特性

黏土帶電性分散在水中的黏土粒子可以在電流的影響下向陽極移動。說明黏土粒子是帶負(fù)電的。黏土的帶電原因有兩點。第一，黏土層面上的負(fù)電荷黏土晶格內(nèi)離子的同晶置換造成電價不平衡使之板面上帶負(fù)電。第二，黏土邊棱上的正電荷在酸性條件下，由于從介質(zhì)中接受質(zhì)子而使邊面帶正電荷。

1 .黏土帶電機(jī)理

黏性土粒子不溶于水，只能以懸浮液的形式存在于水中。黏土粒子在水溶液中帶有不同的電性。其次，在黏土的結(jié)構(gòu)中，硅氧四面體層中的Si4+可能被Al3+取代，鋁氧八體層中的Al3+可能被Mg2+、Fe2+等二價離子取代。這種同晶取代同樣會使黏土粒子帶負(fù)電荷，為保持電中性，在其表面吸附了K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子。

黏土顆粒的水化、膨脹、分散、絮凝和收縮等性質(zhì)都受到所帶電荷的影響。黏土顆粒表面吸附各種處理劑的牢固程度及其數(shù)量，也與黏土顆粒所帶電荷的數(shù)量及密度相關(guān)[1]。黏土與高吸水保水樹脂的相互作用及復(fù)合材料形成也受到所帶電荷的影響

2.軟黏土導(dǎo)電機(jī)制

軟黏土導(dǎo)電主要涉及三種不同的途徑：通過串聯(lián)起來的固相和液相（細(xì)細(xì)孔中的水）即交互層導(dǎo)電（途徑1）；通過孔隙水液相（較大孔隙中的水）導(dǎo)電（途徑2：固—液界面交換性離子導(dǎo)電（需要固相表面直接接觸），即與雙電層有關(guān)（途徑3）圖1所示。

根據(jù)M. Fukue 等[2]的理論，伴隨含水量的增大，黏土含有的水和土顆粒的結(jié)合形式會發(fā)生新的改變，主要經(jīng)歷圖2所示的3個不同結(jié)構(gòu)相態(tài)。當(dāng)含水量相對較低時，水只填充在土體顆粒之間的孔隙中，土顆粒周圍的水膜較?。ㄒ妶D2（a））；伴隨含水量的提升，土體的飽和度也會隨著升高，孔隙中的水相連，土顆粒周圍的雙電層厚度也有較大增加（見圖2（b））；含水量再高時，土體的孔隙率較大土顆粒分散，土顆粒間直接接觸的概率減少（見圖2（c）） [3]。

根據(jù)上述的黏土導(dǎo)電機(jī)制，并結(jié)合圖3，可以得出這樣的結(jié)論：當(dāng)含水量比較低時，黏土主要靠途徑1導(dǎo)電，因此電導(dǎo)率較小。隨著含水量的增大，毛細(xì)孔隙中填充的水增加，土顆粒周圍的水膜厚度也增厚，即途徑1的數(shù)目增多，途徑3也漸漸發(fā)揮作用，土體的電導(dǎo)率大大增加。當(dāng)土體接近飽和或達(dá)到飽和臨界狀態(tài)后，途徑2逐漸發(fā)揮作用，此時途徑1可以忽略。當(dāng)土體的含水率超過一定限度后，土顆粒開始懸浮在土體中，直接接觸的土顆粒很少，途徑3作用很小，土體主要靠液相即途徑2導(dǎo)電。含水量的繼續(xù)增加自然會導(dǎo)致孔隙水電解質(zhì)濃度的減少，進(jìn)而導(dǎo)致土體電導(dǎo)率的降低。注意到這2個臨界含水量在數(shù)值上和黏土的液、塑限的值相近，因為雙電層厚度發(fā)生變化的含水量范圍主要是在土體的可塑狀態(tài)。

3.雙電層的成因結(jié)構(gòu)

黏土顆粒表面在堿性環(huán)境時帶有負(fù)電荷，因為黏土顆粒要保持帶電中性，在靜電引力的作用下，黏土顆粒會吸附水溶液中的水化陽離子到黏粒表面附近，因此，在黏土顆粒表面形成了一層負(fù)電荷與帶正電荷的水化陽離子相對應(yīng)的電層[79]。同時，由于分子的濃度差異和熱運動，水化陽離子會不停做擴(kuò)散運動以致于脫離黏粒，這樣由黏土顆粒對水化陽離子的吸附作用以及水化陽離子的擴(kuò)散運動在黏粒表面形成擴(kuò)散狀態(tài)的水化陽離子層，稱為黏土的雙電層。根據(jù)黏土顆粒對水化陽離子的約束程度，可以將擴(kuò)散層本質(zhì)性的分為兩部分：吸附層與擴(kuò)散層，如圖3所示。

（1）吸附層

吸附層為緊靠在黏粒表面的一層水化陽離子薄膜，其厚度大約只有幾納米，吸附層中的水化陽離子受到的靜電引力較大，難以和黏土顆粒分離，其性質(zhì)近似于固體。

（2）擴(kuò)散層

擴(kuò)散層是從吸附層外到溶液濃度均勻處為止的一個由大量水化陽離子和陰離子組成的離子層，擴(kuò)散層的厚度較厚，一般可達(dá)到幾百納米。此層中的水化陽離子離黏粒表面較遠(yuǎn)，所收到的靜電引力較小，可以作熱運動，并從吸附層開始向外圍濃度低的地方做擴(kuò)散運動，所以，擴(kuò)散層中水化陽離子分布不均勻，愈靠近吸附層，水化陽離子愈大。

（3）滑動面

滑動面是吸附層與擴(kuò)散層之間的一個特定面。由于吸附層中的水化陽離子和黏粒一同運動，而擴(kuò)散層中的水化陽離子的運動具有滯后性，因此在兩層之間會出現(xiàn)出一種滑動面。

（4）熱力電位

細(xì)小黏粒吸附?jīng)Q定電位離子層后所具有的電位與自由溶液電位的差值，稱為熱力電位。黏粒所帶的負(fù)電荷大小決定了熱力電位的高低，因此，熱力電位愈高，則黏粒表面所帶的負(fù)電荷愈多，其吸引水化陽離子的數(shù)量越多。熱力電位的正負(fù)與高低，會決定電位離子層的電性正負(fù)和高低，取決于土粒的分散程度和礦物特性、介質(zhì)的構(gòu)成和濃度。它是決定雙電層的基礎(chǔ)。

（5）電動電位ζ

電動電位則是滑動面與水溶液離子濃度均勻處之間的電位差，其大小取決于黏土顆粒表面所帶的負(fù)電荷與吸附層內(nèi)陽離子所帶正電量的差值。電動電位愈高，表示在擴(kuò)散層中被吸附的陽離子愈多，擴(kuò)散層愈厚。

電動電位的大小受陽離子的種類和濃度的影響。陽離子的濃度和種類則決定了其化合價的高低以及其水化能力，陽離子的化合價愈高，擴(kuò)散層中的陽離子數(shù)目愈少，擴(kuò)散層和黏粒表面的水化膜就愈薄，因此黏土顆粒越易于聚集；陽離子的水化能力愈強(qiáng)，黏粒表面的水化膜愈厚，黏土顆粒越不易聚集。

參考文獻(xiàn)

[1] Esrig M. Pore pressure Consolidation and electrokinetics[J]. Journal of the SMFD，ASCE，1968，94（SM4）：899-921.

[2] 莊艷峰，王釗. 電滲固結(jié)中的界面電阻問題[J]. 巖土力學(xué)，2004，25（1）：117-120.

[3] 王協(xié)群，鄒維列. 電滲排水法加固湖相軟粘土的試驗研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007，29（2）：95-99.

作者簡介：

修彥吉（1987—），男，漢族，吉林省松原市人，職務(wù)：沈陽核工業(yè)建設(shè)工程總公司助理工程師，職稱：助理級工程師，學(xué)歷：碩士研究生。