3.4. Особенности адгезии жидкости и смачивания

Адгезия жидкости и смачивание проявляются многопланово (табл. 3.2). 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. 3.2. Остановимся на процессе флотации, непосредственно связанным с адгезией жидкости и смачиванием.

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. 3.3, а). В противоположность этому адгезия газовой (воздушной) среды, обрамленной жидкостью, будет минимальной, и газовая фаза свертывается в пузырек (см. рис. 3.3, в). Применительно к капле воды на гидрофобной поверхности наблюдаются процесс ее свертывания (см. рис. 3.3, б) и минимальная адгезия. Адгезия в отношении газовой среды на гидрофобной поверхности максимальна (см. рис. 3.3, 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

W_a = σ_ЖГ(1—cos θ). (3.20)

Формула (3.20) по структуре напоминает формулу (3.8), но отличается от нее тем, что величина cosθ отрицательна. Это означает, что на гидрофобной поверхности (см. рис. 3.3, г), когда θ > 90° и cosθ < 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.

Т а б л и ц а 3.2

Особенности адгезии жидкости и смачивания в некоторых процессах

Процессы	Объекты	Примеры	Факторы, определяющие особенности процесса
Смачивание	Любые поверхности, контактирующие с любой жидкостью	Лаки, краски, клей, растворы, органические растворители	Свойства и шероховатость поверностей, 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 распре деление смазки и копирование поверхности
Очистка поверхностей от загрязнений	различные загрязненные поверхности	Мойка, чистка, стирка и т.д.	Моющее действие (см. параграф 21.4)
Капиллярный подъем	Корневая и капиллярная система растений	Питание растений	Поверхностное натяжение воды с учетом растворимых в ней веществ

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 σ_ТГ и σ_ТЖ (см. рис. 3.3) практически не изменяются, адгезия жидкости и смачивание определяются зависимостью равновесной работы адгезии W_а и краевого угла θ от поверхностного натяжения σ_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 W_а 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 σ_ЖГ, вязкости и плотности растворителя. Для извлечения оливкового и соевого масла в качестве растворителя более эффективным, чем ацетон и гексан, оказался тетрахлорид углерода ССl₄.

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 технологическим 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_к = 2σ_ЖГ = 2 ∙ 30 = 60 мДж/м².

Равновесная работа адгезии по формуле (3.8)

W_а = σ_ЖГ(1 + cos θ) = 30(1 + cos15°) = 59 мДж/м².

Для расчета работы адгезии частиц к пузырьку воспользуемся формулой (3.20):

W_а = σ_ЖГ(1 — cosθ) = 30(1—cos15°) = 1,02 мДж/м².