Влияние дисперсности на свойства частиц

Дисперсность частиц оказывает влияние на формирование свободной энергии поверхности и на степень устойчивости аэрозолей.

Свободная энергия поверхности.

Молекулы поверхностного слоя тел испытывают неодинаковое притяжение со сто­роны внутренних слоев вещества и со стороны граничащей с ним среды (Рис. 9). Поверхностные слои обладают избытком энергии. Удельная свободная энергия по­верхности (энергия поверхности на единицу площади) численно равна работе, необхо­димой для создания одной единицы поверхности. Все молекулы взаимодействуют друг с другом. Свободная энергия поверхности играет определяющую роль в формировании поверхностного натяжения на границе различных фаз.

среда

Совокупные силы

Рис.9. Схема структуры поверхностного слоя тела

Неустойчивость аэрозолей.

Как следствие избытка положительной свободной энергии поверхности наблюдается агрегативная неустойчивость. Согласно законам термодинамики, всякая система частиц стремится перейти в состояние, которое характеризуется минимальной энергией. Этим объясняется способность аэрозолей коагулировать с образованием агрегатов (комплексов взаимо­связанных частиц), при этом частицы слипаются и их суммарная поверхность умень­шается с соответствующим уменьшением свободной энергии системы (рис.10).

Рис.10. Образование агрегатов

Расстояние между частицами минимально и они слипаются, уменьшается поверх­ность, следовательно, уменьшается свободная энергия. Сила свободной энергии по­верхностей направлена на уменьшение самой поверхности.

III. Смачиваемость твердых аэрозольных частиц

Механизм смачивания обусловлен явлением поверхностного натяжения. На границе любого тела симметрия в распределении молекулярных сил на­рушается. Это приводит к образованию свободной энергии и возникновению равнодействующей молекулярных сил, направленных внутрь тела. Она втягивает молекулы, расположенные у поверхности тела, внутрь его и таким образом уменьшает поверхность до минимума. Например, при отсутствии внешних сил жидкость всегда стремится при­нять форму шара с минимальной площадью поверхности и минимальной поверхност­ной энергией системы. Поверхность жидкости подобна мягкой пленке, она действует на тела с определенной силой. Сила, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называ­ется поверхностным натяжением. Она проявляется на межфазных поверхностях, на­правлена тангенциально к поверхности жидкости (по касательной) и определяется как отношение усилий, с которыми поверхностная пленка действует на ограничивающие ее контур к его длине. Численно поверхностное натяжение равно энергии или работе, необходимой для дробления жидкости.

Поверхностное натяжение.

Аэрозольные частицы вследствие большой поверхности отличаются от исходного материала некоторыми свойствами, важными для практики обеспыливания.

Поверхностное натяжение для жидкостей на границе с воздухом в настоящее время точно известно для различных жидкостей. Оно составляет, например, для:

- воды -72,5 Н см. 10^-5.

- твердых тел оно значительно и численно равно максимальной работе, затрачиваемой на образование пыли.

- газов оно ничтожно мало.

Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, жидкость растекается по поверхности твердого тела, смачивая его. Иначе жидкость собирается в каплю, которая имела бы круглую форму, если бы не действовала сила тяжести.

Схема смачиваемости частиц прямоугольной формы.

На схеме (рис.11) показано:

а) погружение в воду смачиваемой частицы:

б) погружение в воду не смачиваемой частицы:

Рис.11. Схема смачивания

Периметр смачивания частиц, является границей взаимодействия трех сред: воды (1), воздуха (2), твердого тела(3).

Эти три среды имеют разграничивающие поверхности:

Поверхность «жидкость-воздух» с поверхностным натяжением δ_1,2

Поверхность «воздух — твердое тело» с поверхностным натяжением δ_2,3

Поверхность «жидкость - твердое тело» с поверхностным натяжением δ_1,3

Силы δ_1,3 и δ_2,3 действуют в плоскости твердого тела на единице длины периметра смачивания. Они направ­ленны касательно к поверхности раздела и перпендикулярно к периметру смачивания. Сила δ_1,2 направлена под углом Ө, называемым краевым углом (углом смачивания). Если пренебречь силой тяжести и подъемной силой воды, то при образовании равно­весного угла Ө все три силы уравновешиваются.

Условие равновесия определяется Формулой Юнга:

δ_2,3 = δ_1,3 + δ_1,2 · cos Ө

отсюда

Угол Ө изменяется от 0 до 180°, a Cos Ө изменяется от 1 до –1.

При Ө >90⁰ частицы смачиваются плохо. Полного не смачивания (Ө = 180°) не наблю­дается.

Смачиваемые (Ө >0°) частицы - это кварц, тальк (Ө =70°) стекло, кальцит (Ө =0°). Не смачиваемые частицы (Ө = 105°) - это парафин.

Смачиваемые (гидрофильные) частицы втягиваются в воду силой поверхностного натяжения, действующего на границе «вода - воздух». Если плотность частицы меньше плотности воды, к этой силе прибавляется сила тяжести, и частицы тонут. Если плотность частицы меньше плотности воды, то вертикальная составляющая сил поверхностного натяжения уменьшается на подъемную силу воды.

Не смачиваемые (гидрофобные) частицы поддерживаются на поверхности силами поверхностного натяжения, вертикальная составляющая которых прибавляется к подъ­емной силе. Если сумма этих сил превышает силу тяжести, то частица остается на по­верхности воды.

Смачиваемость водой влияет на эффективность работы мокрых пылеуловителей, осо­бенно при работе с рециркуляцией - гладкие частицы смачиваются лучше, чем частицы с неровной поверхностью, так как они в большей степени покрыты абсорбированной газовой оболочкой, затрудняющей смачивание.

По характеру смачивания различают три группы твердых тел:

1. гидрофильные материалы, которые хорошо смачиваются водой - это кальций, большинство силикатов, кварц, окисливаемые минералы, галогениды щелочных металлов.

2. гидрофобные материалы, плохо смачиваемые водой - графит, уголь сера.

3. абсолютно гидрофобные тела - это парафин, тефлон, битумы.( Ө~180^о)