纳微米带电颗粒比表面积和表面电荷密度的联合测定方法

本发明涉及纳微米颗粒的性能测定领域，具体涉及一种纳微米带电颗粒比表面积和表面电荷密度的联合测定方法。

背景技术：

1、比表面积和表面电荷密度是纳微米颗粒至关重要的表面性质参数，其大小与颗粒的粒径、形状、表面缺陷及孔结构密切相关。比表面积和表面电荷密度的大小对物质其它的许多物理及化学性能会产生很大影响。在许多的行业中，如石墨、电池、稀土、陶瓷、氧化铝、化工等行业及高效粉体材料的研发、生产、分析、监测等具有重要应用。

2、目前基于相对有效电荷系数建立的比表面积和表面电荷密度联合测定方法有一个较大的弊端，即对于同一指示离子，不同的离子组合中该指示离子的相对有效电荷系数不同。例如，当共存离子分别为k+、ca2+和mg2+时，na+的有效电荷系数分别为0.756、0.741和0.906。在实际应用中很不方便，而且测定原理也不严密。

3、因此，亟需一种基于恒定的绝对有效电荷系数的比表面积和表面电荷密度的联合测定方法，以克服现有测定方法的缺陷，实现物质界面性质研究新的突破。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于绝对有效电荷系数的纳微米带电颗粒比表面积和表面电荷密度的联合测定方法，实现液相条件下比表面积和表面电荷密度的联合测定。

2、为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

3、纳微米带电颗粒比表面积和表面电荷密度的联合测定方法，包括以下步骤；

4、s1、样品前处理，制备h+饱和样；

5、s2、选定两种指示离子对应的阴离子分别为cl-，所述对应的cl-与形成的化合物为和所述指示离子为非专性吸附阳离子，za和zb为1或2，和为水溶性盐；a和b分别为k+、na+、ca2+中的任意两种离子；

6、s3、测定平衡体系中指示离子的活度，分别记为aa和ab；

7、s4、计算平衡体系中指示离子的浓度，分别记为ca和cb，根据ccl＝zaca+zbcb计算对应阴离子cl-的浓度；

8、s5、将步骤s4测得的离子浓度代入下列式，计算指示离子在纳微米颗粒表面的吸附量，分别记为na和nb：

9、na＝(ca0–ca)va0/m

10、nb＝(cb0–cb)vb0/m

11、其中va0和vb0分别为和离子溶液的总体积，单位为l；ca0和cb0为和离子的起始浓度，单位mol/l；m为纳微米颗粒样品的质量，单位为g；

12、s6、计算纳微米颗粒表面电位

13、

14、式中r为气体常数，t为绝对温度，f为法拉第常数，γa和γb分别为离子a和b的绝对有效电荷系数。

15、特别地，当时，上述表面电位校正为：

16、

17、s7、根据获得的表面电位，按如下公式计算颗粒的表面电荷密度(σ0)：

18、由于

19、因此，在两种指示离子体系下，上式展开为：

20、

21、考虑阴离子的绝对有效电荷系数为1。因此最后的结果为：

22、

23、s8、进一步获得颗粒的比表面积(s)：

24、

25、离子的绝对有效电荷系数(γ)如下表1所示：

26、表1离子的绝对有效电荷系数

27、

28、步骤s1的具体操作为：

29、s1.1、称取一定质量的待测样品于离心管中；如果需要制取较多的样品，可称取更多样品于大容器(如5000ml烧杯)中。

30、s1.2、按固液质量比1:10向离心管或烧杯中加入0.10mol/l的hcl溶液，用玻棒搅拌使样品分散至没有结块，拧紧离心管盖，充分摇匀(翻转摇匀，约20次/min)混合2min；大容器中样品可用悬挂式搅拌器搅拌一定时间使样品分散至没有结块(搅拌时间视分散程度而定)。

31、s1.3、将分散后装有待测颗粒悬液的离心管，或分散后的大容器中悬液分次转移至离心管中(注意加入量不要超过离心管最大量程的2/3，以免离心时溢出)，放入离心机离心。如果离心不完全，适当增加转速和时间直至离心完全，离心后弃去上清液；

32、s1.4、重复s1.2、s1.3操作4次；最后一次离心后，用ph试纸检测上清液的ph，若ph≤2.00，则说明样品已完全被h+饱和；若ph>2.00，则需继续向其中加入s1.2中相同体积的0.10mol/lhcl溶液，按s1.2、s1.3操作增加处理次数直至ph≤2.00。

33、s1.5、按固液质量比1:10向离心管或烧杯中加入纯水，用玻棒搅拌使样品分散至没有结块，拧紧离心管盖，充分摇匀(翻转摇匀，约20次/min)混合2min；大容器中样品可用悬挂式搅拌器搅拌一定时间使样品分散至没有结块(搅拌时间视分散程度而定)。

34、s1.6、重复步骤s1.3的操作；

35、s1.7、将离心管(含样品，开盖，开口朝上)置于烘箱内70℃烘干(建议烘干时间不少于24h)，或将离心管中样品全部转移至研钵中(可用少量纯水冲洗离心管，冲洗后的悬液一并转移至研钵)，将装有样品的研钵置于烘箱内70℃烘干(建议烘干时间不少于24h)。

36、s1.8、取出装有烘干样品的离心管或研钵，冷却后研磨至全部通过0.25mm筛，充分混匀后用塑料自封袋，密封并于室温条件下保存。同一样品同一批次一起研磨过筛、混匀后装入同一自封袋。

37、步骤s3的具体操作步骤为：

38、s3.1、称取一定质量的样品入样品杯中，加入配置好的k+和ca2+浓度比为1:1的已知初始浓度的koh+ca(oh)2混合液(先混匀后迅速吸取)；初始浓度与待测样品的称样量和电荷数量的多少有关；加入的体积由s3.2的平衡ph决定；加碱液后在磁力搅拌器上搅拌10分钟；

39、s3.2、用ph电极测定s3.1中的待测悬液的ph，na/k体系初始目标ph为10.5，k/ca和na/ca体系为8.0，若ph高于初始目标值+0.2，则增加样品量进行调节，增加样品量之后搅拌10分钟，搅拌完成后再次进行ph值测试，若ph此时仍高于初始目标值+0.2，则继续增加样品量搅拌，重复上述操作，直至ph在初始目标值±0.2之间。反之，若ph值低于初始目标值–0.2，则增加碱液量进行调节，增加碱液量之后搅拌10分钟，完成后再次进行ph值测试，若此时ph值仍低于初始目标值–0.2，则继续增加碱液量搅拌，重复上述操作，直至ph值在初始目标值±0.2之间。

40、s3.3、在s3.2的基础上，平衡目标值为na/k体系为ph9.8；k/ca和na/ca体系为ph6.0；用0.50mol/l的醋酸溶液调节悬液ph至对应平衡目标值±0.2。

41、s3.4、分别用离子选择电极测定悬液中的活度。

42、步骤s4的具体操作为：

43、s4.1、在迭代运算中，将测定的的活度设定为的初始浓度值，即ca(0)＝aa，cb(0)＝ab，则第1次迭代的浓度为：

44、

45、式中π为圆周率3.14，f为faraday常数96487c/mol，e0为电子的电量1.6×10-19c，ε为水的介电常数8.9×10-10c2/(j·dm)，r气体为常数8.314j/(k·mol)，t为体系开氏温度(25℃时为298.15k)；i(0)为初始离子强度且

46、s4.2、根据第1次迭代计算的浓度ca(1)和cb(1)，由如下方程进行第2次迭代计算：

47、

48、式中i(1)为初始离子强度且

49、s4.3、同理，按上述过程反复进行迭代运算，直到第n次与第n+1次的结果相差[c(n+1)-c(n)]/c(n+1)<0.001，此时的迭代浓度即为悬液中对应ph下的浓度，即ca和cb。

50、本发明的有益效果在于：本发明在颗粒表面的离子交换达到平衡时，只需测定平衡溶液中两种指示离子的浓度，就可直接计算颗粒的比表面积和表面电荷密度。本方法依赖于体系中不发生专性吸附的两种指示离子的吸附，而与表面有无其他专性吸附离子无关，并且适用于任何带电物质，如可变电荷物质表面，恒电荷物质表面以及二者的混合物。离子有效电荷系数为恒定值，不随离子组成的变化而变化。