Особенности адгезии жидкости и смачивания в некоторых процессах

 

			Факторы,
			определя-
Процессы	Объекты	Примеры	ющие осо- ()рмипгти
			процесса
Смачивание	Любые поверх-	Лаки, краски,	Свойства и
	ности, контакти-	клей, растворы,	шерохова-
	рующие с лю-	органические	тость повер-
	бой жидкостью	растворители	ностей, кра-
			евой угол и
			вязкость
			жидкости
Пропитка	Древесина,	Аппретирование,	Пористость
	ткани, почва,	гидрофобизация	материала,
	порошки, порис-	тканей, раство-	поверхност-
	тые материалы	римый кофе	ное натяже-
			ние, вязкость
			жидкости
Экстракция	Сырье для пище-	Извлечение	Структура
	вой и других от-	сахара, мас-	сырья, вяз-
	раслей промыш-	ла и др.	кость и по-
	ленности	веществ	верхностное
			натяжение
			раствори-
			теля
Флотация	Минералы, руда	Обогащение	Пенообразо-
		минералов	вание
Смазка	Любые трущиеся	Многочислен-	Равномер-
	поверхности	ные механизмы,	ное распре-
		агрегаты	деление
			смазки и ко-
			пирование
			поверхности
Очистка	Различные	Мойка, чистка,	Моющее
поверхностей	загрязненные	стирка и т.д.	действие
от загрязнений	поверхности		(см. пара-
			граф 21.4)
Капиллярный	Корневая и	Питание	Поверхност-
подъем	капиллярная	растений	ное натяже-
	система		ние воды с
	растений		учетом раст-
			воримых в
			ней веществ

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

(3.20)

W = а_жг(1—cos 9).

Формула (3.20) по структуре напоминает формулу (3.8), но отличается от нее тем, что величина cos 0 отрицательна. Это означает, что на гидрофобной поверхности (см. рис.3.3, г), когда 0>90° и cos 0<0, равновесная работа ад­гезии частиц к пузырьку будет максимальной. На гидрофобной поверхности (см. рис.3.3, 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 (см. гл.5).

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 (3.20), к росту адгезии частиц к пузырьку.

Кроме того, введение ПАВ способствует пенообразованию (см. гл.16), 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 (см. гл.21).

Для одних и тех же твердых тел, когда значения поверхнос­тных натяжений а_тг и а^ (см. рис.3.3) практически не изменя­ются, адгезия жидкости и смачивание определяются зависимос­тью равновесной работы адгезии W_a и краевого угла Э от повер­хностного натяжения а_жг. Эта зависимость устанавливается при помощи закона Юнга [см. уравнения (3.5)—(3.7)]. В соответствии с этим законом по мере увеличения поверхностного натяжения равновесная работа адгезии Ж снижается, а краевой угол рас­тет; в свою очередь, возрастание краевого угла обусловливает снижение равновесной работы адгезии.

Таким образом, адгезию жидкости и смачивание можно из­менять не только за счет модификации свойств твердых повер­хностей путем их гидрофобизации или гидрофилизации, но и за счет регулирования поверхностного натяжения жидкости. Эти две возможности заложены в основу практического применения адгезии жидкости и смачивания в таких процессах, как пропит­ка, экстракция и очистка поверхностей от загрязнений (см. табл.3.2).

Адгезия и иммерсионное смачивание определяют остаточное количество жидкости после опорожнения резервуаров. Это остаточное количество для некоторых соков в случае гидрофильной стеклянной поверхности составляет 43,5—61,1 см³ продукта на 1 м² поверхности. На гидрофобном полиэтилене остаточное количество снижается до 30,7—38.5 см³/м², т.е. более чем в 1,5 раза. В данном случае адгезия снижается за счет изменения свойств твердой повер­хности.

Смачивание порошков определяет процесс пропитки. Оно зависит от их структуры — размеров частиц, упаковки, пористости и других параметров. Опытным путем установлено, что для смачивания водой и перевода сухих мо­лочных полуфабрикатов в растворимый продукт краевой угол должен состав­лять 40—65°.

Если процесс пропитки связан с заполнением жидкостью пор, то при эк­стракции происходит извлечение одной жидкостью (растворителем) другой из порового пространства. Экстракция растительного масла при помощи раство­рителей из порового пространства частиц сырья, так же как и пропитка, зави­сит от свойств материала и жидкости.

Полнота извлечения продукта при экстракции зависит от поверхностного натяжения а_жг, вязкости и плотности растворителя. Для извлечения оливково­го и соевого масла в качестве растворителя более эффективным, чем ацетон и гексан, оказался тетрахлорид углерода СС1₄.

Адгезия жидкости и смачивание определяют качество лакокрасочных по­крытий, надежность клеевых соединений, а также эффективность очистки от загрязнений любых поверхностей, в том числе оборудования и домашних пред­метов; кроме того, они определяют эффективность сопутствующих процессов.

Так, смачивание поверхности зерна водой имеет непосредственное отно­шение к очистке зерна от примесей и определяет время пребывания продукта в моечных машинах. Смачивание зерна водой зависит от сорта зерна, структу­ры и кривизны его поверхности, особенностей предшествующей обработки зерна, природы загрязнений и других факторов. Для различных сортов пшени­цы краевой угол составляет 65—100°. Подобные значения краевых углов свиде­тельствуют о том, что поверхность зерна является близкой к гидрофобной или гидрофобной и плохо смачиваемой водой.

Сопутствующими являются процессы, связанные с образованием пузырь­ков. Подобные процессы имеют место в бродильном производстве, при полу­чении сахара из сахарных сиропов и во всех других случаях, когда в жидкости, представляющей собой суспензию или золь, образуются пузырьки газа или воздуха.

Таким образом, заканчивая рассмотрение вопросов адгезии, можно убедиться, что в том или ином виде адгезия проявляется по отношению к многим объектам и сопутствует технологичес^: ким процессам в различных отраслях промышленности.

 

Упражнение

Для 0,1%-го раствора эфиров сахарозы, поверхностное натяжение кото­рого составляет 30 мДж/м², определить равновесную работу когезии и адге­зии, работу адгезии к пузырьку, если краевой угол смачивания к твердой повер­хности равен 15°.

Согласно формуле (3.3) определяем равновесную работу когезии:

W_k = 2а_ЖГ= 2 • 30 = 60 мДж/м². Равновесная работа адгезии по формуле (3.8)

^W, ^{= а}жг(^{! + cos е}) = 30(1 + cos 15°) = 59 мДж/м².

Для расчета работы адгезии частиц к пузырьку воспользуемся формулой (3.20): W_u = а_жг(1 — cos 9) = 30(1—cos 15°) = 1,02 мДж/м².

Глава 4

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АДСОРБЦИИ

Адсорбция — очень распространенное явление, которое ши­роко используется при очистке, разделении и концентрирова­нии жидких и газовых сред. Для того чтобы разобраться в раз­личных видах и особенностях адсорбционных процессов, следу­ет рассмотреть их общие закономерности. Основополагающим в теории адсорбции является фундаментальное уравнение Гиббса, связывающее адсорбцию с изменением поверхностной энергии.