5. Свойства поверхностей раздела фаз в промывочных жидкостях

Высокая степень раздробленности дисперсной фазы в промы­вочных жидкостях обусловливает развитие поверхности раздела (площадь поверхностей 1 г бентонитовой глины может достигать 800-900 м²). Поэтому управление качеством промывочных жид­костей связано, прежде всего, с комплексом явлений на поверхно­стях твердых частиц и пузырьков газа, находящихся в дисперсион­ной среде. Ведущая роль поверхностных явлений придает промы­вочным жидкостям большую специфичность и вызывает трудности при выработке научных основ регулирования их технологических характеристик.

5.1. Общая характеристика поверхностей раздела фаз

Частицы (молекулы и ионы) во внутренних слоях вещества испытывают в среднем одинаковое со стороны окружающих частиц притяжение (рис. 5.1).

Рис. 5.1 Схема поверхностного слоя жидкости

Частицы же у поверхности подвергаются неодинаковому притяжению со стороны как внутренних слоев вещества, так и граничащей с ним среды. Так как межмоле­кулярное взаимодействие в среде сильнее, то равнодейст­вующая сила притяжения бу­дет направлена нормально к поверхности в сторону среды, т.е. в сторону жидкой фазы, если это жидкость и газ. При увеличении площади поверх­ностей раздела путем дробле­ния частицы выводятся из объемной фазы в поверхностный слой, совершая при этом работу против сил взаимодействия между ними. Эта работа в изотермиче­ских условиях пропорциональна изменению площади и равна изменению свободной поверхностной энергии. Обозначив площадь поверхности раздела S и рассмотрев процесс обратимого измене­ния ее на бесконечно малую величину, получим величину работы, затрачиваемой при таком процессе

E_s = σdS,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения, представляющий работу образования единицы поверхности.

Этот коэффициент является основной характеристикой поверх­ности раздела и означает, что на единицу длины контура, ограни­чивающего какой-либо участок поверхности раздела, действует сила, по величине равная σ, и направленная касательно к поверхнос­ти по внутренней нормали к контуру. Коэффициент поверхностного натяжения всегда больше нуля. Если бы было σ<0, то на контур, ограничивающий поверхность, действовали бы силы, направленные по внешней нормали к нему, т.е. стремящие растянуть поверх­ность и ведущие к неограниченному ее возрастанию, смещению фаз. При σ > 0 поверхность раздела стремится принять как можно меньшее при данном объеме фаз значение. Поэтому при погруже­нии одной фазы (жидкой, газообразной) в другую первая при­нимает форму шара.

Поверхностное натяжение жидкостей может быть измерено до­вольно точно различными методами. Для общей ориентации приведем дан­ные о поверхностной энергии (мДж/м²) некоторых минералов, встречающихся в промывочных жидкостях: гипс - 39, кальцит -78, полевой шпат - 358, кварц - 780.

Увеличение площади поверхности раздела в гетерогенных си­стемах также ведет к увеличению доли поверхностной энергии. Это видно из следующих рассуждений. Предположим, что общий запас энергии какой-то частицы равен некоторой величине Е. Эта величина состоит из двух слагаемых — энергии массы (или объема) Е_т и поверхностной энергии Es, т. е.

Е = Е_т + E_s.

Энергия массы, или объема,

E_m = fm = f'V,

где т — масса вещества; V объем вещества; f, f' - плотности сво­бодной энергии вещества относительно массы и объема соответ­ственно. Энергия поверхности (или свободная поверхностная энер­гия) выразится произведением поверхностного натяжения, как фактора интенсивности, на величину общей площади поверхности системы, как фактора емкости:

Е = σ S

Тогда

E = f V + σ S.

Разделив это уравнение на V, получим выражение для общего за­паса энергии, приходящейся на единицу объема:

E_V =f¹ + σ S / V

Анализ последнего уравнения показывает, что если объем час­тиц V большой, то второй член очень мал и им можно пренебречь. И, наоборот, если при высокой степени дисперсности объем частиц V очень мал, энергия частиц будет в основном связана с энергией поверхности. Иными словами, в грубодисперсных системах преоб­ладает объемная энергия, связанная с массой, а в высокодисперс­ных системах - поверхностная энергия. Дальнейшее дробление дисперсной фазы вплоть до молекул или ионов приводит к исчез­новению поверхности раздела фаз. При этом второй член уравне­ния будет равен нулю. Поэтому высокодисперсные системы обла­дают большой свободной поверхностной энергией σS.

Так даже при малой концентрации, например 1%, суммарная площадь по­верхности раздела S в 1 л бентонитовой суспензии измеряется ты­сячами квадратных метров.

Согласно второму принципу термодинамики, в системах, обла­дающих избытком свободной энергии, могут самопроизвольно про­текать процессы, уменьшающие запас энергии. Поскольку поверх­ностная энергия выражается произведением двух величин σ и S, уменьшение ее может идти за счет сокращения количества свобод­ной энергии, приходящейся на единицу поверхности а, или за счет уменьшения величины поверхности частиц дисперсной фазы S. Уменьшение суммарной площади поверхности тонкодисперсных частиц ведет к самоукрупнению частиц. Уменьшение σ может про­исходить за счет притяжения (адсорбции) к поверхности молекул дисперсионной среды или растворенных в ней веществ.