Таким образом, критическое поверхностное натяжение sкр, соответствует нулевому краевому углу. Фактически подобной жидкости в природе может и не быть, но если бы существовала подобная гипотетическая жидкость, то ее поверхностное натяжение было бы критическим.
При смачивании неполярной поверхности полярной жидкостью критическое поверхностное натяжение численно равно удельной поверхностной энергии (поверхностному натяжению) твердого тела, т. е. соблюдается условие sкр » sтг. Это условие позволяет характеризовать твердые поверхности как низкоэнергетические (в отличие от высокоэнергетических, когда подобное условие не соблюдается).
Низкоэнергетические поверхности обладают незначительной удельной свободной поверхностной энергией, она не превышает 100 мДж/м2. К низкоэнергетическим поверхностям относятся парафин и стеарин, а также полимерные материалы: фторопласты, полиэтилены, полиамиды, поливинилхлориды, поливинилацетаты и др. Среди твердых тел самое низкое значение удельной свободной поверхностной энергии (поверхностного натяжения), равное 10,6 мДж/м2, обнаружено для полимера полиметакрилата. Искусственным путем в результате адсорбции удавалось снизить удельную свободную поверхностную энергию твердого тела до 6 мДж/м2. По такой модифицированной поверхности могут растекаться только сжиженные инертные газы, а все остальные жидкости не растекаются и свертываются в капли.
Удельная свободная поверхностная энергия высокоэнергетических поверхностей превышает 100 мДж/м2 и может достигать нескольких тысяч мДж/м2. К высокоэнергетическим относятся металлы и их оксиды, стекло, рубин, кварц, рубин, алмаз и др.
Таким образом, параметрами контактного смачивания является краевой угол и равновесная работа адгезии.
Иммерсионное смачивание характеризуется теплотой смачивания, которую иногда называют теплотой погружения твердого тела в жидкость. Иммерсионное смачивание реализуется также в отношении порошков. В результате иммерсионного смачивания граница раздела Т-Г полностью заменяется на границу раздела Т-Ж, а поверхностное натяжение (удельная свободная поверхностная энергия) sтг – на sтж. В связи с тем, что sтг >sтж, смачивание сопровождается снижением удельной свободной поверхностной энергии, а сам процесс смачивания сопровождается выделением теплоты. Теплота смачивания равна разности энтальпий системы до и после смачивания:
- Qсм = DНв = DНтж - DНтг (14)
где Нтж, Нтг – удельные энтальпии в расчете на 1 м2 поверхности на границе раздела Т-Ж и Т-Г.
В соответствии с равенством (14) теплота смачивания по знаку обратна изменению энтальпии при смачивании.
Различают интегральную Qх и дифференциальную qх теплоты смачивания. Под дифференциальной теплотой смачивания подразумевают количество тепла, которое выделяется в результате контакта с твердым телом одного моля жидкости с учетом количества жидкости х, наносимого на единицу поверхности твердого тела.
Для определения дифференциальной теплоты смачивания воспользуемся уравнением Гиббса-Гельмгольца в виде
DG=DН + Т [¶(DG )/¶Т]р (15)
Используя это уравнение, дифференциальную теплоту смачивания можно представить как
qх=¶(DН)/¶х= DGх - Т [¶(DGх )/¶Т]р (16)
где DGх – изменение удельной свободной поверхностной энергии при смачивании поверхности одним молем жидкости.
Дифференциальную теплоту смачивания можно измерить с помощью калориметра – она равна разности между дифференциальной теплотой адсорбции и теплотой конденсации пара.
Интегральная теплота смачивания Qх равна теплоте, которая выделяется при нанесении определенного количества жидкости х на единицу поверхности твердого тела: она определяется по уравнению
Qх = 
(17)
Интегральная теплота смачивания пшеничной муки различных сортов колеблется в пределах 101,2 – 107,9 кДж/кг.
По мере увеличения количества смачивающей жидкости х снижается дифференциальная и растет интегральная теплота смачивания. Когда избыточное количество жидкости не участвует в смачивании, дифференциальная теплота смачивания равна нулю, а интегральная принимает максимальное значение (х®¥). При малых количествах жидкости, когда поверхность твердого тела не полностью покрыта жидкостью, дифференциальная теплота смачивания постоянна.
3. Особенности адгезии жидкости и смачивания
Адгезия жидкости и смачивание проявляются многопланово (табл.2). Эти явления определяют такие процессы как пропитку, экстракцию, флотацию, смазку и многие другие. Этот далеко не полный перечень, свидетельствует о практической значимости адгезии жидкости и смачивания.
Рассмотрим более подробно некоторые процессы, перечисленные в табл.2. Остановимся на процессе флотации, непосредственно связанным с адгезией жидкости и смачиванием.
Особенности адгезии жидкости и смачивания в некоторых процессах
Таблица 2.
Процессы | Объекты | Примеры | Факторы, определяющие особенности процесса |
Смачивание | Любые поверхности, контактирующие с любой жидкостью | Лаки, краски, клей, растворы, органические растворители | Свойства и шероховатость поверхностей, краевой угол и вязкость жидкости |
Пропитка | Древесина, ткани, почва, порошки, пористые материалы | Аппретирование, гидрофобизация тканей, растворимый кофе | Пористость материала, поверхностное натяжение, вязкость жидкости |
Экстракция | Сырье для пищевой и других отраслей промышленности | Извлечение сахара, масла и др. веществ | Структура сырья, вязкость и поверхностное натяжение растворителя |
Флотация | Минералы, руда | Обогащение минералов | Пенообразование |
Смазка | Любые трущиеся поверхности | Многочисленные механизмы, агрегаты | Равномерное распределение смазки и копирование поверхности |
Очистка поверхностей от загрязнений | Различные загрязненные поверхности | Мойка, чистка, стирка и т. д. | Моющее действие |
Капиллярный подъем | Корневая и капиллярная система растений | Питание растений | Поверхностное натяжение воды с учетом растворимых в ней веществ |
Флотация - это метод обогащения полезных ископаемых, основанный на различной смачиваемости водой ценных минералов и пустой породы. Наибольшее значение имеет пенная флотация. Элементарный акт пенной флотации заключается в смачивании и адгезии частиц к пузырьку.
На гидрофильной поверхности адгезия жидкости максимальна и наблюдается растекание капли (см. рис.2, а). В противоположность этому адгезия газовой (воздушной) среды, обрамленной жидкостью, будет минимальной, и газовая фаза свертывается в пузырек (см. рис.2, в). Применительно к капле воды на гидрофобной поверхности наблюдаются процесс ее свертывания (см. рис.2, б) и минимальная адгезия. Адгезия в отношении газовой среды на гидрофобной поверхности максимальна (см. рис.2, г).
Равновесную работу адгезии частиц к пузырьку на границе раздела твердое тело - газ можно вывести из тех же соображений, которые были рассмотрены в случае адгезии капель жидкости к твердым поверхностям. Величина этой работы
Wа=sжг(1-cosq) (18)
Формула (18) по структуре напоминает формулу (7), но отличается от нее тем, что величина cosq отрицательна. Это означает, что на гидрофобной поверхности (см. рис.2, г), когда q >90° и cosq<0, равновесная работа адгезии частиц к пузырьку будет максимальной. На гидрофобной поверхности (см. рис.2, б), наоборот, адгезия капель будет минимальной.
Таким образом, необходимым условием адгезии и закрепления частиц на пузырьках является гидрофобность, т. е. несмачивание поверхности частиц.
В пенной флотации пузырьки газа выполняют несколько функций. Они способствуют лучшему перемешиванию взвешенных частиц, выступают в роли носителей, на поверхности которых закрепляются частицы. Эти частицы вместе с пузырьками всплывают на поверхность и таким образом полезные ископаемые отделяются от пустой породы.
Широкое применение пенной флотации обусловлено возможностью регулирования свойств частиц и разделения минералов, близких по своим поверхностным свойствам. Фактически между твердой поверхностью частицы и газовой фазой пузырька существует прослойка жидкости. Именно эта прослойка жидкости оказывает порой решающее влияние на адгезию частиц к пузырьку.
Наличие жидкой среды между газом (воздухом) и твердой поверхностью позволяет путем введения в воду специальных веществ и их адсорбции изменять адгезию частиц. Мощным средством регулирования адгезии являются поверхностно-активные вещества – ПАВ.
При адсорбции ПАВ в прослойке жидкости, формирующей оболочку пены или находящейся на твердой поверхности, гидрофильный радикал молекул ПАВ ориентирован в сторону водной среды, а гидрофобный - в сторону твердого тела. Это приводит к ухудшению смачивания поверхности частиц и, в соответствии с уравнением (18), к росту адгезии частиц к пузырьку.
Кроме того, введение ПАВ способствует пенообразованию, увеличению времени жизни пен и эффективности флотации.
Подбирая реагенты, изменяя их концентрацию, температуру и свойства среды, рН, можно добиться избирательности адгезии частиц, когда на пузырьке будут закрепляться частицы полезных ископаемых, а частицы пустой породы будут скапливаться в нижней части флотационной емкости.
Адгезия частиц к пузырькам играет определенную роль в моющем процессе, основанном на применении коллоидных ПАВ.
Для одних и тех же твердых тел, когда значения поверхностных натяжений sтг и sтж практически не изменяются, адгезия жидкости и смачивание определяются зависимостью равновесной работы адгезии Wа и краевого угла q от поверхностного натяжения sтж. Эта зависимость устанавливается при помощи закона Юнга. В соответствии с этим законом по мере увеличения поверхностного натяжения равновесная работа адгезии Wа снижается, а краевой угол растет; в свою очередь, возрастание краевого угла обусловливает снижение равновесной работы адгезии.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)