专利名称：物质表面性质参数检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对物质表面性质参数进行测定的装置。
背景技术：
物质的表面电位、表面电荷总量、表面电荷密度、表面电场强度和比表面 积等表面性质不仅在胶体与界面科学、材料科学、生命科学、土壤科学、生态 与环境科学等领域的科学研究中有广泛应用，而且在造纸、水泥、陶瓷、化学 机械研磨、煤浆、涂料、化妆品、食品工业、混合分散体系等化学工程领域也 有着广泛的应用，因此，对上述物质表面性质参数的测定显得尤为重要。
现有技术中，对于物质表面电荷总量的测定，普遍采用指示离子吸附法和
电位滴定法，而采用离子吸附法，必须首先获知在IT或OH-的吸附总量中，有 多少是参与静电吸附的，但由于H+和OH-还参与化学键的吸附，无法预知参与 静电吸附的吸附量，因此该方法不能测定一个含有可变电荷的体系在任意pH 值、任意电解质浓度和任意温度下的表面电荷总量;电位滴定法不仅不适合于含 有永久电荷体系的电荷总量的测定，而且即使是可变电荷体系，其可靠性也一 直是个疑问，因此目前还没有适用于不同条件和不同体系中物质表面电荷总量 的通用测定方法，更没有对此进行测定的任何分析仪器。
现有技术中对电荷密度进行测定的方法之一是基于如下公式
0 s
式中，w是表面电荷密度，z;是表面电荷总量，s是比表面积。
由于该方法中需要表面电荷总量这一参数，所以表面电荷总量测定中的问 题在表面电荷密度测定中一定存在。不仅如此，基于上式的表面电荷密度测定中，我们还需要一个比表面积的测定数据。然而，不同的比表面积测定方法， 其测定结果存在很大的差异。所以， 一个依赖于比表面积这一参数的表面电荷 密度测定方法，其结果的可靠性难以把握。
现有技术中表面电荷密度测定的方法之二是，在得到物质的表面电位值后，
利用Gouy-Chapman的相关公式可间接地获得表面电荷密度值。但因目前还没 有一个广泛适用的表面电位的准确测定方法。所以，目前表面电荷密度测定的 这一方法的应用仍然存在困难。
因此现有技术中没有对表面电荷密度进行测定的任何分析仪器。
现有技术中电场强度基于下式进行测定
五0 =——
式中五。是表面电场强度，s是介质介电常数，水的e-8.9xlO"GC々Jdm。由 于对表面电荷密度的依赖，表面电场强度测定中存在与表面电荷密度测定相同 的问题。现有技术中也没有测定表面电场强度的任何分析仪器。
现有技术中，对于物质比表面积的测定，已有多种测定方法，如通常采用 的惰性气体吸附法、离子负吸附法、乙二醇乙醚吸附法或甘油吸附法等等。但 同一种物质采用这些不同的测定方法，其结果往往相差十分悬殊。但依据惰性 气体吸附法已经开发出了比表面积测定仪，但该仪器不适合用于膨胀性物质的 比表面积、测t。
本申请中的物质表面电位定义为双电层中扩散层起始面或OHP (外 Helmholtz面)上的电位。现有技术中的物质表面电位的测定方法，包括电荷密 度法、负吸附法、正吸附法、二级共振发生法、pH指示分子法、荧光发生法、 原子力显微法和Zeta电位法等。所有这些方法都有自己的局限性。电荷密度法、 负吸附方法、正吸附法和二级共振发生法都只适合于中性条件下、单一电解质 体系的恒电荷样品的表面电位值测定。pH指示分子法、荧光测定法和原子力显 微法将对物质表面本身的状态产生破坏，所以其测定结果的可靠性往往难以把 握。除Zeta电位法外，人们还没有利用其他方法开发出表面电位测定仪。虽然Zeta电位仪已经广泛使用，但Zeta电位法测定的并不是表面电位，它是电泳过 程中剪切面(或滑动面)上的电位，而剪切面通常远离这里所定义的表面。Zeta 电位可以在不同的pH、电解质和温度条件下进行测定，所以，正因为目前没有 在各种条件下广泛适用的、准确的表面电位测定方法，目前人们只能把Zeta电 位作为表面电位的代用品。但近年来的大量研究已经表明，用Zeta电位法测定 表面电位，通常只具有定性的意义。除此之外，Zeta电位法对测定对象的条件 要求非常苛刻，即它要求胶体悬液的颗粒密度不能太高，而颗粒的粒径也不能 太大。即使是美国Colloidal Dynamics公司新推出的Zetaprobe型Zeta电位仪的 最高颗粒密度也仅仅为60% (体积密度)。所以根本无法实现密度更高的体系， 或固体颗粒物质的"原态"测定。
综上所述，目前对于物质表面电荷总量、比表面积和物质表面电位的测定， 没有可靠、广泛适用的方法，而分别依赖于物质表面电荷总量、比表面积测定 结果的物质表面电场强度、表面电荷密度的测定也因此具有同样的缺陷。现有 技术中更没有能对上述5个参数进行联合测定的装置。
实用新型内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本实用新型提供一种物质表面性质参数 检测装置，能对特定电解质体系内的待测物进行物质表面性质参数检测。
本实用新型的目的是这样实现的物质表面性质参数;险测装置，所述物质 表面性质参数检测装置包括离子检测电极、温度传感器和信号处理电路，所述 离子检测电极、温度传感器与信号处理电路电连接；所述离子检测电极包括氢 离子检测电极、二价金属阳离子检测电极和一价金属阳离子检测电极，所述信 号处理电路包括处理器和3个毫伏计，所述3个毫伏计的输入端分别与氬离子 检测电极、二价金属阳离子检测电极或一价金属阳离子检测电极的输出端电连 接，所述3个毫伏计的输出端与处理器电连接。
进一步，所述二价金属阳离子检测电极为钙离子检测电极或镁离子检测电
6极，所述一价金属阳离子检测电极为钠离子检测电极或钾离子检测电极；
进一步，所述离子检测电极为一体设置的钙离子检测电极、钾离子检测电
才及和氢离子斥企测电才及；
进一步，所述信号处理电路还包括pH运算器、钠离子活度运算器和钙离 子活度运算器，所述pH运算器连接于与氢离子检测电极连接的毫伏计与处理 器之间，所述钾离子活度运算器连接于与钾离子检测电极连接的毫伏计与处理 器之间，所述钙离子活度运算器连接于与钙离子检测电极连接的毫伏计与处理 器之间；
进一步，所述信号处理电路还包括信号预处理电路，所述信号预处理电路 包括放大器、滤波器和/或A/D转换器；
进一步，所述物质表面性质参数检测装置还包括显示装置，所述显示装置 与信号处理电路通过I/O接口连接；
进一步，所述物质表面性质参数检测装置还包括输入装置，所述输入装置 与信号处理电路通过I/O接口连接；
进一步，所述物质表面性质参数检测装置还包括样品容纳装置，所述样品 容纳装置上设置有进液管和出液管，样品容纳装置内还设置有搅拌装置；离子 检测电极和温度传感器设置于所述样品容纳装置内。
本实用新型的物质表面性质参数检测装置，通过离子检测电极和毫伏计测 定电解质体系内氢离子和指示电解质离子相应的电位值，处理器对电位值进行 处理后获得各指示电解质离子平衡浓度，处理器获取电解质体系温度，结合各 指示电解质离子平衡浓度运算获得物质表面电位，并可在此基础上进一步获得 物质表面电荷总量、表面电荷密度、表面电场强度和比表面积；本实用新型结 构简单，克服了现有技术中不能准确测定物质表面电位、电荷总量、表面电荷 密度、表面电场强度和比表面积的缺陷；在进一步技术方案中，选择钙离子检 测电极、钾离子检测电极和氮离子检测电极作为离子检测电极，即该方案能对 以钙离子和钾离子作为指示电解质的特定电解质体系内的待测物表面性质进行测定，采用钙离子和钾离子作为指示电解质具有最佳的检测效果。
本实用新型的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中 进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言 将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目 标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的 结构来实现和获得。
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图
对本实用新型作进一步的详细描述
图1示出了物质表面性质参数检测装置的结构示意图； 图2示出了样品容纳装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。
参见图1，本实施例的物质表面性质参数检测装置包括离子检测电极11、 温度传感器12和信号处理电路，所述离子检测电极ll、温度传感器12与信号 处理电路电连接；所述离子检测电极ll包括氢离子检测电极、二价金属阳离子 检测电极和一价金属阳离子检测电极，上述检测电极是由相应离子选择电极和 的参比电极组成，根据检测所采用的指示电解质不同，所述二价金属阳离子检 测电极可选用钩离子检测电极或镁离子检测电极，所述一价金属阳离子检测电 极可选用钠离子检测电极或钾离子检测电极，最佳的，采用钙离子和钾离子作 为指示电解质，相应的，离子检测电极11采用一体设置的钙离子检测电极、钾 离子检测电极和氬离子检测电极。
所述信号处理电路包括信号预处理电路、处理器22和3个毫伏计23,所 述3个毫伏计23分别接收氢离子检测电极、二价金属阳离子检测电极或一价金
8属阳离子检测电极的输出信号，处理后输出到处理器22;所述处理器22可选 用可编程的单片机或DSP等现有的处理装置，用于对接收的信号进行运算、处 理，以采用钙离子和钾离子作为指示电解质为例，在处理器22中编程实现钙离 子、钾离子及氢离子浓度的计算，并结合温度，对物质表面性质参数进行运算； 所述信号预处理电路可根据需要，设置放大器、滤波器和/或A/D转换器，对检 测器件测得的电信号进行^t大、滤波和/或信号转换。
为减低处理器22编程复杂度，提高处理效率，还可在信号处理电路中使用 现有的pH运算器24、钾离子活度运算器25和钙离子活度运算器26,所述pH 运算器24连接于与氢离子检测电极连接的毫伏计与处理器22之间，所述钾离 子活度运算器25连接于与钾离子检测电极连接的毫伏计与处理器22之间，所 述钙离子活度运算器26连接于与钙离子检测电极连接的毫伏计与处理器22之 间；这样，处理器22可编程实现如下运算
处理器接收pH运算器23、钾离子活度运算器25和钙离子活度运算器26 获得的Na+、 Ca"和lT的活度值aw ^和flc。，将它们作为相应离子浓度的初 始值，通过以下步骤进行迭代运算，得到K+、 Ca"和HT的活度系数和浓度，迭 代到第/=壯1次，当(U0/A+i0.001时，终止迭代运算
a)将^、 ^和化作为初始值，通过以下式运算，得到体系的离子强度
式中/,.是第/次迭代时的离子强度，单位mo1/1， c,是第/次迭代时的H" 浓度，C是第/次迭代时的K+浓度，c尸。是第/次迭代时的C,浓度；
b)根据离子强度，通过下式计算得到Na+、 CaS+和tT的活度系数
<formula>formula see original document page 9</formula>式中》"、y,和y,c"分别是第/次迭代时tf、 K+和Cah的活度系数，r是温 度，单位K;
c)根据步骤b)所得活度系数，通过下式计算得到K+、 Ca"和IT的平衡 浓度值
<formula>formula see original document page 10</formula>式中，c,、 c/和c尸"分别是第/次迭代时tT、 K+和Ca"的平衡离子浓
度；
将上述最后一次迭代运算的结果所得的Na+和Ca"的平衡离子浓度及温度 传感器获得的温度代入下式进行运算，获得物质表面电位p。
<formula>formula see original document page 10</formula>式中，p。是物质表面电位，i 是气体常数，T是温度，F是Faraday常数， c/是开始加入KC1时体系的K+的浓度，cC是开始加入CaCl2时体系的Ca2+
的浓度，《是K+的平衡浓度值，《。是Ca"的平衡浓度值，&是含"1^+�32+" 的体系中与K+水化半径有关的K+的相对有效电荷系数；"0 是含"&++0&2+"的体 系中与Ca"水化半径有关的Ca"的相对有效电荷系数，利用迭代运算中离子强 度的最后值/,由下式计算有效电荷系数<formula>formula see original document page 10</formula>
根据所得表面电位值，通过下式计算物质的比表面积<formula>formula see original document page 10</formula>
式中，F是水的总体积，单位1; S是比表面积，单位dm2/g; ;c是Debye-Htickel参数，单位dm-1，并由下式计算
<formula>formula see original document page 11</formula>
式中，e是介质介电常数，水的e=8.9xlO-1QC2/Jdm; 根据所得表面电位值，通过下式计算物质的表面电荷密度
<formula>formula see original document page 11</formula>
式中(To是表面电荷密度，其符号与表面电位的符号相同，单位C/dm2。 根据所得表面电荷密度，通过下式计算物质的表面电场强度
<formula>formula see original document page 11</formula>
式中五o是物质表面电场强度，单位V/dm 根据5)所得表面电荷密度和比表面积，通过下式计算表面电荷总量
rc = s x cr。
式中7;是物质的表面电荷总量，单位c/g。
还设置有显示装置31和输入装置32，显示装置31和输入装置32分别通 过i/0接口与处理器22连接，输入装置32可以是键盘、按钮、旋钮等，用于 输入数据和进行控制操作，显示装置31用于显示检测结果。
参见图2，所述物质表面性质参数检测装置还包括样品容纳装置4，所述样 品容纳装置4上设置有进液管41和出液管42,进液管41和出液管42与恒流 泵连接，样品容纳装置4内还设置有搅拌装置43;离子检测电极ll和温度传 感器12设置于所述样品容纳装置4内。
采用本实施例对待测物表面性质参数进行;险测的方法如下
1)对待测物表面进行饱和处理，具体包括如下步骤
11 )取3-5g待测样品装入样品容纳装置，用0.1mol/l的HC1溶液150-250ml,
以lml/min的流速匀速流过待测物，使待测物表面电荷全^皮tf和CT所饱和；亦可采用HN03等其他酸溶液对待测样品进行饱和处理；
12) 用150-250ml水以lml/min的流速匀速流过待测物，洗去多余的W和
cr;
13) 用恒流泵抽去待测物中的间隙水，直至无水流出为止。
2)向样品池中加入已知浓度的NaCl、 HC1 (或NaOH)和CaCV混合溶液 50ml,充分搅拌后放置、平衡24小时以上；其中NaCl和CaCl2作为指示电解 质，HC1和NaOH用于调节pH值；上述各电解质浓度可根据研究者的要求而 确定，但以平衡时体系离子强度控制在0.2mol/l以内为宜。本步骤中亦可采用 其他指示电解质，但指示电解质至少为两种，包括至少一种二价金属阳离子和 一种一价金属阳离子，所述指示电解质的阴离子应与步骤11 )中所述酸的阴离 子与相同，如步骤ll)中釆用HN03溶液对待测样品表面进行饱和处理，则本 步骤中可对应地采用KN03和Ca(N03)2作为指示电解质，采用HN03和KOH 用于调节pH值。
以下以使用HC1溶液对待测样品表面进行饱和处理， <吏用NaCl和CaCl2 作为指示电解质为例对本方法进行说明
3 )待步骤2 )所得混合物离子交换平衡后(即连续搅拌下平衡24小时以 上；在非搅拌条件下平衡时间要求至少72小时，并根据样品类型，平衡时间还 会有差异，但所属技术领域人员不难确定该时间)，即可采用本实施例的物质表 面性质参数检测装置对所述混合物，即电解质体系进行检测，获得待测样品的 物质表面性质参数。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显
用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用 新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动 和变型在内。
权利要求1.物质表面性质参数检测装置，其特征在于所述物质表面性质参数检测装置包括离子检测电极、温度传感器和信号处理电路，所述离子检测电极、温度传感器与信号处理电路电连接；所述离子检测电极包括氢离子检测电极、二价金属阳离子检测电极和一价金属阳离子检测电极，所述信号处理电路包括处理器和3个毫伏计，所述3个毫伏计的输入端分别与氢离子检测电极、二价金属阳离子检测电极或一价金属阳离子检测电极的输出端电连接，所述3个毫伏计的输出端与处理器电连接。
2. 如权利要求1所述的物质表面性质参数^r测装置，其特征在于所述二 价金属阳离子检测电极为钙离子检测电极或镁离子检测电极，所述一价金属阳 离子检测电极为钠离子检测电极或钾离子检测电极。
3. 如权利要求2所述的物质表面性质参数检测装置，其特征在于所述离 子检测电极为一体设置的4丐离子检测电极、钾离子检测电极和氢离子检测电极。
4. 如权利要求3所述的物质表面性质参数检测装置，其特征在于所述信 号处理电路还包括pH运算器、钟离子活度运算器和钙离子活度运算器，所述 pH运算器连接于与氬离子检测电极连接的毫伏计与处理器之间，所述钾离子活 度运算器连接于与钾离子检测电极连接的毫伏计与处理器之间，所述钙离子活 度运算器连接于与钩离子检测电极连接的毫伏计与处理器之间。
5. 如权利要求1所述的物质表面性质参数检测装置，其特征在于所述信 号处理电路还包括信号预处理电路，所述信号预处理电路包括放大器、滤波器 和/或A/D转换器。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的物质表面性质参数检测装置，其特征 在于所述物质表面性质参数检测装置还包括显示装置，所述显示装置与信号 处理电路通过I/O接口连接。
7. 如权利要求1至5中任一项所述的物质表面性质参数检测装置，其特征在于所述物质表面性质参数检测装置还包括输入装置，所述输入装置与信号 处理电路通过I/O接口连接。
8.如权利要求1至5中任一项所述的物质表面性质参数检测装置，其特征 在于所述物质表面性质参数检测装置还包括样品容纳装置，所述样品容纳装 置上设置有进液管和出液管，样品容纳装置内还设置有搅拌装置；离子检测电 极和温度传感器设置于所述样品容纳装置内。
专利摘要本实用新型提供一种物质表面性质参数检测装置，能对特定电解质体系内的待测物进行物质表面性质参数检测；本实用新型的目的是这样实现的，所述物质表面性质参数检测装置包括离子检测电极、温度传感器和信号处理电路，所述离子检测电极、温度传感器与信号处理电路电连接；所述离子检测电极包括氢离子检测电极、二价金属阳离子检测电极和一价金属阳离子检测电极，所述信号处理电路包括处理器和3个毫伏计，所述3个毫伏计的输入端分别与氢离子检测电极、二价金属阳离子检测电极或一价金属阳离子检测电极的输出端电连接，所述3个毫伏计的输出端与处理器电连接。
文档编号G01N27/60GK201344918SQ20092012608
公开日2009年11月11日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者捷 侯, 吴劳生, 朱华玲, 航 李 申请人:西南大学
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