界面电位分析仪Zeta Potential Analyzer in Concentrated
一、 设备名称：界面电位分析仪 [20083853]
规格型号：ZetaProbe，Colloidal Dynamics
二、各项具体技术参数
1. 简介
测量Zeta电位不再需要稀释样品了！稀释带来的问题：
l 大多数测定颗粒粒度和Zeta电位的仪器只能测定非常稀的胶体溶液
l 所以大多数样品均需要进行大量的稀释
l 稀释既耗费时间，又很容易污染样品，会改变样品的Zeta电位，使结果失去意义
l 稀释后测量的结果对油墨、钛白、涂料等行业不具备实用价值
ZetaProbe是目前使用最简单，最准确的Zeta电位分析仪。样品不用稀释就可以直接测量，浓度更可高达60% V/V，即使是膏状物、凝胶、胶结物，以及其他不易测量的材料，ZetaProbe都可以直接测量。
传统的测量技术需要先将样品大量稀释，不但费时且因已改变样品实际状态甚或于稀释过程遭受污染而使测量结果失真。ZetaProbe全自动界面电位分析仪专利的复频电声波（Multiple Frequency Electro-Acoustic）技术解决了这些问题。
仪器设计精巧，内建全自动滴定装置，多用途感应探头以及人性化操作软体，使Zeta电位的测量变得如此的简单快速。全自动滴定装置提供酸硷滴定可快速判断等电位点（Iso-electric point determination）以及定量浓度滴定提供最佳分散剂或絮凝剂选择配方。另外ZetaProbe全自动界面电位分析仪亦提供了其他分析仪器所没有的特点，包括纳米粒径和电双层扭曲（Double Layer Distortion）的自动修正及电解质背景校正，非极性有机溶剂分散系统测量等功能，可完全呈现最准确Zeta电位分析结果，是针对纳米分散技术研发及生产品质控管最有效最准确的界达电位分析仪。
仪器测量结果可显示
l 界面电位Zeta Potential
l 动态移动率Dynamic Mobility
l 电导度Conductivity
l 酸硷值pH
l 温度Temperature
l 等电位点Isoelectric Point（IEP）
2. 特点
l ZetaProbe界面电位分析仪可直接测量高浓度水系及极性或非极性有机溶剂分散系统。
l 具备全自动滴定装置，可快速准确测量IEP点及添加剂最佳有效浓度。
l 可测量样品浓度高达60% V/V黏度可高达数万cPs以上。
l 提供多用途和坚固耐用样品槽及感应探头，操作、清洗简单。
l 样品槽轴心搅拌装置，可有效率的混合及避免样品固液相分离沉淀。
l 减少费时及易出错的样品稀释过程。
l 不须输入粒径参数即可测量。
l 分析数据以易操作的Excel表格表示及储存。
l 软体可即时分析Zeta Potential、电导度对应pH值、添加剂浓度、时间的变化曲线图及结果。
l 符合最新电声波法测量界面电位方法标准规范。ISO 13099-1:2012 Colloidal systems-Methods for zeta-potential determination-Part 1: Electroacoustic and electrokinetic phenomena
3. 规格
l 样品不需稀释可直接量测固体含量达60% (V/V) 之样品
l 一次测量时间一分钟内完成
l 测量所需样品量：30～300 ml
l 电导度：0～5 S/m
l pH值：1～13
l 最大电位：± 200 mV
l 可量测Zeta电位之粒径范围：1 nm～10 µm
l 黏度：可至20,000 cps以上
l 可作非极性溶剂测量
三、工作原理
胶体是一种颗粒分散在流体中的悬浮体，通常颗粒的直径小于1 𝜇m，许多样品均属于胶体，如油漆、墨水、牛奶、血液，以及许多药品和食品。胶体颗粒是带有电荷的，可通过各种手段来控制其电荷，如调节pH，每一个颗粒均被带相反电荷的离子扩散云所包围。
Zeta电位是一个表征分散体系稳定性的重要指标。由于带电微粒吸引分散系中带相反电荷的粒子，离颗粒表面近的离子被强烈束缚着，而那些距离较远的离子形成一个松散的电子云，电子云的内外电位差就叫作Zeta电位。
Zeta电位又叫电动电位或电动电势（ζ-电位或ζ-电势），是指剪切面（Shear Plane）的电位，是表征胶体分散系稳定性的重要指标。由于分散粒子表面带有电荷而吸引周围的反号离子，这些反号离子在两相界面呈扩散状态分布而形成扩散双电层。根据Stern双电层理论可将双电层分为两部分，即Stern层和扩散层。当分散粒子在外电场的作用下，稳定层与扩散层发生相对移动时的滑动面即是剪切面，该处对远离界面的流体中的某点的电位称为Zeta电位或电动电位（ζ-电位）。即Zeta电位是连续相与附着在分散粒子上的流体稳定层之间的电势差。它可以通过电动现象直接测定。
图1 双电层和Zeta电位示意图
扩散层的厚度 κ-1 由下式给定
其中c为电介质的浓度，单位为mM（毫摩尔）这样，对于浓度为1 mM的盐溶液，κ-1 = 10 nm， 浓度为100 mM的盐溶液， κ-1 = 1 nm。
Zeta电位能Zeta电位是表面化学的一种度量单位，影响以下性能：流变特性、过滤/脱水特性、储存寿命、胶体稳定性。在利用测量数据计算Zeta电位的过程中，理论有着不可或缺的作用，然而没有任何一个理论适用于所有实际体系。目前存在多个不同的理论，每个理论只适用于特定的实际分散体系。这些理论可以归纳成两组：基础理论和高等理论。基础理论专门针对拥有相同电动和电声现象的绝缘固体，这些理论建立的最早，并应用于电泳现象，随后应用于电动和电声效应。这些理论的显著特点是它们适用于具有任意形状、浓度的颗粒以及具有任意几何参数孔隙的多孔介质。基础理论的重要特点是只有一个双电层参数，即Zeta电位。这些理论允许由实验数据直接计算Zeta电位。所有的仪器在给出Zeta电位值时都应用了某个适用于相应测试情况的基础理论。基础理论的适用范围有限，超出其应用范围会导致Zeta电位绝对值存在显著误差。如果仅为了监测电位值的相对变化，上述误差可以忽略。然而，很多情况下需要准确测量Zeta电位绝对值，这些情况有更复杂的理论，也被称为高等理论，这些理论包含了双电层的另外一些参数，如德拜长度、表面电导率、斯特恩电势。用这些高等理论计算Zeta电位时不能直接进行计算，需要借助于额外的假定条件或者测量技术。
术语和定义
双电层 electric double layer
注：双电层是指当一个物体与液体接触时，电荷在其表面及表面附近的空间分布。
德拜-休克尔近似 Debye-Hückel approximation
双电层存在较小的电势差时的模型
德拜长度 Debye length K-1
电解质溶液中双电层的特征长度。注：单位是纳米（nm）
扩散系数 diffusion coefficient D
单位时间内颗粒运动的均方位移
Dukhin数 Dukhin number Du
无量纲的数，反映表面电导率对电动、电声现象及多相体系电导率和介电常数的贡献
动力黏度 dynamic viscosity
剪切力与液体剪切速率的比值
注 1: 对本部分，动力黏度用来衡量液体抵抗剪切形变的程度。
注 2: 动力黏度决定不可压缩牛顿流体的动力学。
注 3: 单位是帕[斯卡]秒（Pa∙s）
表面电荷密度 electric surface charge density
单位面积界面上的电荷数，由液相中离子的选择性吸附，或表面基团解离所致。
注:：单位是库[仑]每平方米（C/m2)。
表面电势 electric surface potential Ψs
表面和体相液体之间的电势差
注：单位是伏[特](V）
电动电位 electrokinetic potential
zeta 电位 zeta- potential
ζ 电位 ζ potential
ζ
在滑移面处和体相液体之间形成的电势差
注：单位是伏[特](V）
等电点 isoelectric point
分散体系 zeta 电位值为零时对应的状态，通常用液体的 pH 值来表示。
滑移面 slipping plane
剪切面 shear plane
由于剪切应力的影响，在液/固界面附近，液体相对固体表面滑动的面
斯特恩电位 Stern potential Ψd
选择性吸附离子层外边界处的电位。
注：单位是伏[特](V）。
电动现象 electrokinetic phenomena
注：电动现象与邻近带电表面的液体的切向运动相关
电渗 electroosmosis
在电场的影响下，带电荷的液体对带相反电荷的固体介质产生相对运动的现象。带电固体可以为颗粒、多孔塞子、毛细管或膜。它是外加电场对溶液中带相反电荷离子的作用力的结果。
电泳 electrophoresis
液体介质中带电的胶体颗粒或聚电解质在外电场作用下相对液体的迁移现象
电泳迁移率 electrophoretic mobility
单位电场下带电颗粒的电泳移动速度。
注 1：当颗粒朝着低电位（负极）方向运动时该值为正，反之该值为负
注 2：单位是平方米每伏[特]秒[m2/ (V∙s) ]
电泳速度 electrophoretic velocity
电泳过程中颗粒运动的速度。
注：单位是米每秒（m/s）
电声现象 electroacoustic phenomena
注：该现象是在含有离子的液体中由于声场和电场之间的耦合产生的。两者中任何一个都可以是主要的推动力，其中液体可以是简单的牛顿流体或者复杂的多相分散液、乳状液、甚至是多孔介质。根据液体的性质和驱动力的类型，可以有几种不同的电声效应。
电动声振幅 electrokinetic sonic amplitude ESA
在交流电场下分散液产生的声波振幅，与胶体振动电势方法对应
注：单位是帕[斯卡](Pa)。
四、应用领域
Zeta电位是在滑移面处和体相液体之间形成的电势差，Zeta电位可以用来解释并确定一些悬浮液体系的稳定区间。通过确定等电点，可以获得过滤或沉淀前颗粒絮凝的最佳条件，从而便于污水处理。但是Zeta电位并不是一个可直接测量的量，它需要通过建立一些适当的理论间接获得。
从生活污水或工业污水的处理到稳定的药物悬浮液的制备等过程，均得益于人们对颗粒表面荷电现象的理解。此外，矿物浮选的机理也是基于使目标矿物颗粒对气泡具有亲和性。从技术角度来看，电动和电声测量在很多情況下都提供了极其有用而明确的信息，以下列举几种最重要的应用情况
l 用电位决定离子的电动滴定法确定等电点
l 用其他试剂如表面活性剂或聚电解质的滴定法确定等电点
l 确定吸附饱和平台，指示分散剂的最佳用量
l 各种体系表面电性质的相对比较
五、可开展实验项目
多频电声法测量胶乳体系的Zeta电位
六、可培训技能
l 掌握Zeta电位的测试原理方法以及Zeta电位仪的使用
l 掌握通过Zeta电位仪测量胶乳体系Zeta电位的方法
七、具体操作规程
（1）前期的准备
悬浮液需要放在测量杯中，容量在规定的最低和最高刻度线之间（分别为 220 和 260 毫升）。然后将探头浸入测量杯中，慢慢提高搅拌速度，直至悬浮液搅拌到足够均匀。对于粘性悬浮液，或需要迅速处理，可能需要将搅拌器转速设置相当高。在这种情况下，确保液体不接触探头的内腔，或不从测量杯子溅入内腔。不过，液体必须完全通过电极之间的间隙。在这种情况下，减少液体让液面接近最低刻度线。对于所有其它悬浮液，建议设置液位到接近最高刻度线（250 毫升最佳）。
（2）进入数据记录模式
从软件的主面板，选择 Data Logging 进入数据记录模式。数据记录系列窗口（Data Logging Series）出现。输入有关数据。
在密度比例（density ratio）选项，输入的粒子密度（particle density）。密度比例是当溶剂为水时的粒子密度，水的密度基本上1。
在测量数量（Number of Measurements）选项，用户可以选择连续测量悬浮液的次数。在测量间隔（Delay between measurements (seconds)）选项，输入延迟时间（以秒计）。每一次测量的时间可以增加，以适应实验过程。
请注意，每个测量需要 60 秒（或 24 秒，如果勾选快速测量(Fast)选项），所以里设置的是每次测量的时间下限。
如果你想在数据记录期间进行背景修正，检查的背景校正框（Background Correction）。请注意，背景修正可在数据记录测量操作完成后进行，可利用重新分析选项功能。在某些情况下，这是更方便。
一旦文件名、可选的注释和所有其他选项已填写或勾选，按 Measure 开始进行测量序列。将 Excel 电子表格窗口最大化，可监视数据记录的过程。
注意：在查看 Excel 电子表格后，请不要关闭-只最小化就行了。关闭 Excel 电子表格将导致当前测量及以后序列测量的数据没有报告给电子表格。如果这种情况发生必须重新启动软件。
八、安全注意事项
1. 若要进行酸碱滴定测等电点或测pH值，则每次实验前须校正pH探针；若要测试溶液电导率，则须校正电导率。主探头可每周校正一次
2. 每次更换样品均需清洗主探头、pH探针以及容器，最好擦干，以免前面残留粉末影响实验结果
3. 实验结束后要彻底清洗主探头、pH探针和容器，并将pH探针放回酸性缓冲液中
4. 若进行酸碱滴定则每次关机前需将酸碱滴定管清洗3～5次
