第4期 邓庆军等：多孔介质中微观力的作用及渗流模型 417· 溶液中的反号离子浓度，固壁面附近同号离子的浓 表1各种不同浓度及价数的电解质水溶液的x1(扩散双电层厚 度低于远离固壁面的溶液中的同号离子浓度.固壁 度)数值回 面附近区域的净电荷不再为零（反号离子积累），且 Table 1 Aqueous electrolyte x-values (electric double layer thick- ness)at different concentrations and valences 净电荷量与固壁面所带电荷量相同.于是，带电固 电解质类型 c/(mol-m-3) 壁面与其附近溶液中的净电离子层组成了双电层， x-1/m 10-3 1.0×10-7 如图2所示，形成紧密层和扩散层 1一1型电解质 10-2 1.0×10-8 致密层 10-1 1.0×10-9 ++ + 10-3 5.0×10-8 + + 22型电解质 10-2 5.0×10-9 ++一 10-1 5.0×10-10 + 十十 ++ 扩散层 剪切面一王王王王王王要王主 1.3空间位型力 图2平行平板微通道中的双电层 在含有链状分子的液体中，链状分子的一端附 Fig.2 Electric double layer in the microchannel of parallel plates 着在表面上，另一端伸入流动液体中自由摆动，当其 靠近其他分子或表面时，就产生了一类十分不同的 实验证实压差驱动的微通道内液体流动阻力比 作用力，称为空间位型力.由于分子的复杂性，其相 理论预测的要大，原因是固液界面双电层存在所带 互作用也复杂，空间位型力可能是吸引力也可能是 来的电黏性效应.大多数固体与电解质溶液接触 排斥力.在含有大量长链分子的液体流动中，该作 时，固壁面会带上净电荷，该净电荷吸引溶液中的反 用力尤为重要.当两个带有聚合物吸附层的粒子靠 电荷离子，排斥同电荷离子，造成壁面附近离子重排 拢到吸附层相互作用后，会出现如图所示的两种情 形成双电层，当液体受到压力差驱动流动时，双电层 况。一种情况是吸附层被压缩而不能发生相互渗 内的净电荷随液体运动，电荷的运动在微通道两端 透，如图所示.如果高聚物为刚棒状，则在他们相互 形成电位差，称之为流动电位势，其负梯度称为流动 作用区内，聚合物分子失去结构熵而产生熵斥力位 诱导电场，流动诱导电场作用在微通道双电层的净 能U;但是在同一种情况下，如果高聚物分子是弹 电荷上，使其向流动反方向运动，并通过黏性力带动 性体，则由于被压缩而产生弹性斥力位能U.另一 液体一起反向流动，这样得到的净结果是液体的正 向流速减慢，好像是液体的黏度增大那样，这就是 种情况是吸附层发生相互重叠，互相渗透，如图3所 示.由于粒子靠拢时吸附层的重叠，使重叠区内高 “电黏性效应” 聚物的浓度增大，而导致出现渗透压及“溶液的压 当微通道尺寸缩小到微米尺度时，微通道流动 缩”，相应产生渗透斥力位能U。和焓斥力位能U州 电黏性效应更加明显.实验研究表明离子浓度℃越 所以通常的空间斥力位能是由这四部分组成的，可 低，扩散双电层厚度x越大，电黏性效应越明显， 如表1所示. 以写成 U食=U+U+Ug+U (3) taj 图3聚合物吸附层相互作用.()吸附层被压缩：(b)吸附层相互渗透 Fig.3 Interaction of polymer adsorption layers:(a)the compressed layer:(b)permeable adsorption layer 影响空间位型力的因素很多，如吸附分子的相 距离下，高分子化合物的相对分子质量越大，空间位 对分子质量、离子强度和体系温度，但是对其影响最 型力越大：在相同距离下，随着电解质浓度的增大， 显著的主要是相对分子质量和离子强度.在相同的 空间位型力减小，因为随着电解质浓度的增大，盐析第 4 期 邓庆军等: 多孔介质中微观力的作用及渗流模型 溶液中的反号离子浓度，固壁面附近同号离子的浓 度低于远离固壁面的溶液中的同号离子浓度． 固壁 面附近区域的净电荷不再为零( 反号离子积累) ，且 净电荷量与固壁面所带电荷量相同． 于是，带电固 壁面与其附近溶液中的净电离子层组成了双电层， 如图 2 所示，形成紧密层和扩散层． 图 2 平行平板微通道中的双电层 Fig． 2 Electric double layer in the microchannel of parallel plates 实验证实压差驱动的微通道内液体流动阻力比 理论预测的要大，原因是固液界面双电层存在所带 来的电黏性效应． 大多数固体与电解质溶液接触 时，固壁面会带上净电荷，该净电荷吸引溶液中的反 电荷离子，排斥同电荷离子，造成壁面附近离子重排 形成双电层，当液体受到压力差驱动流动时，双电层 内的净电荷随液体运动，电荷的运动在微通道两端 形成电位差，称之为流动电位势，其负梯度称为流动 诱导电场，流动诱导电场作用在微通道双电层的净 电荷上，使其向流动反方向运动，并通过黏性力带动 液体一起反向流动，这样得到的净结果是液体的正 向流速减慢，好像是液体的黏度增大那样，这就是 “电黏性效应”． 当微通道尺寸缩小到微米尺度时，微通道流动 电黏性效应更加明显． 实验研究表明离子浓度 c 越 低，扩散双电层厚度 к － 1 越大，电黏性效应越明显， 如表 1 所示． 表 1 各种不同浓度及价数的电解质水溶液的 к － 1 ( 扩散双电层厚 度) 数值［9］ Table 1 Aqueous electrolyte к － 1 values ( electric double layer thick￾ness) at different concentrations and valences 电解质类型 c/( mol·m － 3 ) к － 1 /m 10 － 3 1. 0 × 10 － 7 1--1 型电解质 10 － 2 1. 0 × 10 － 8 10 － 1 1. 0 × 10 － 9 10 － 3 5. 0 × 10 － 8 2--2 型电解质 10 － 2 5. 0 × 10 － 9 10 － 1 5. 0 × 10 － 10 1. 3 空间位型力 在含有链状分子的液体中，链状分子的一端附 着在表面上，另一端伸入流动液体中自由摆动，当其 靠近其他分子或表面时，就产生了一类十分不同的 作用力，称为空间位型力． 由于分子的复杂性，其相 互作用也复杂，空间位型力可能是吸引力也可能是 排斥力． 在含有大量长链分子的液体流动中，该作 用力尤为重要． 当两个带有聚合物吸附层的粒子靠 拢到吸附层相互作用后，会出现如图所示的两种情 况． 一种情况是吸附层被压缩而不能发生相互渗 透，如图所示． 如果高聚物为刚棒状，则在他们相互 作用区内，聚合物分子失去结构熵而产生熵斥力位 能 Ue Ｒ; 但是在同一种情况下，如果高聚物分子是弹 性体，则由于被压缩而产生弹性斥力位能 UE Ｒ． 另一 种情况是吸附层发生相互重叠，互相渗透，如图 3 所 示． 由于粒子靠拢时吸附层的重叠，使重叠区内高 聚物的浓度增大，而导致出现渗透压及“溶液的压 缩”，相应产生渗透斥力位能 UO Ｒ 和焓斥力位能 UH Ｒ ． 所以通常的空间斥力位能是由这四部分组成的，可 以写成 US Ｒ = Ue Ｒ + UE Ｒ + UO Ｒ + UH Ｒ ． ( 3) 图 3 聚合物吸附层相互作用． ( a) 吸附层被压缩; ( b) 吸附层相互渗透 Fig． 3 Interaction of polymer adsorption layers: ( a) the compressed layer; ( b) permeable adsorption layer 影响空间位型力的因素很多，如吸附分子的相 对分子质量、离子强度和体系温度，但是对其影响最 显著的主要是相对分子质量和离子强度． 在相同的 距离下，高分子化合物的相对分子质量越大，空间位 型力越大; 在相同距离下，随着电解质浓度的增大， 空间位型力减小，因为随着电解质浓度的增大，盐析 ·417·