5.3. Адсорбция в эмульсиях и аэрированных промывочных жидкостях

В эмульсиях и аэрированных промывочных жидкостях образуется поверхность раздела между жидкой дисперсионной средой и жидкой или газовой дисперсной фазой. В отличие от адсорбции на твердой поверхности адсорбция на границах жидкость-жидкость и жидкость-газ характеризуется следующим:

- равноценность всех участков жидкой поверхности исключает адсорбцию в строго определенных местах;

- молекулы адсорбтива находятся в тепловом движении и имеют возможность свободно перемещаться по поверхности.

Если пренебречь силовым полем дисперсной фазы, то состав поверхностного слоя чистой жидкости и состав ее в объеме будет одинаков. Поэтому при растворении какого-либо вещества в жидкости поверхностное натяжение ее может или увеличиваться, или уменьшаться. Связь между поверхностным натяжением а, концен­трацией растворенного вещества С и избытком его в поверхностном слое, т.е. адсорбцией Г, была установлена Гиббсом и описана формулой

Г = -

где R - универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная тем­пература.

Анализ этого уравнения показывает, что адсорбция будет по­ложительной (Г>0) при dσ/dc<O т.е. при снижении σ с повыше­нием в жидкости концентрации растворенных веществ. Это воз­можно при использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ), т. е. веществ менее полярных, чем растворитель. В случае водных растворов поверхностно-активными является большинство раство­римых в воде органических соединений, в том числе неионогенных и ионогенных высокомолекулярных веществ.

Вещества, повышающие σ при увеличении их концентрации в растворе, называются поверхностно-инактивными. Поверхностно-инактивные вещества полярнее растворителя (для воды - неорга­нические соли), для них dσ/dC>0 и поэтому Г<0 (отрицательная адсорбция).

С позиций полярности, как меры интенсивности молекулярного силового поля механизм рассмотренных процессов выглядит сле­дующим образом. При положительной адсорбции молекула орга­нического химического реагента, находящаяся на поверхности, втя­гивается в глубину объемной фазы слабее, чем молекула воды (по­скольку взаимодействие вода-вода сильнее, чем вода-химреа­гент). Это приводит к обогащению поверхностного слоя молекула­ми ПАВ. И, наоборот, при отрицательной адсорбции ионы, напри­мер Na⁺ и С1^-, будут втягиваться в объемную фазу сильнее, чем молекула воды, поскольку силы взаимодействия Na⁺ - вода боль­ше, чем вода-вода, К этому добавляются еще силы кулоновского взаимодействия Na⁺ и С1^-. В результате поверхностный слой обед­няется электролитом.

5.4. Смачивание твердых тел

Изменение концентрации жидкости при взаимодействии с твер­дой фазой вблизи границы раздела фаз невелико вследствие ма­лой сжимаемости. Однако даже эти незначительные изменения приводят к особым свойствам связанной полем твердой частицы жидкости. В промывочных жидкостях дисперсионная среда редко бывает «чистой». Она состоит из собственной жидкости, а также растворенных в ней ионов и молекул, адсорбирующихся одновре­менно с растворителем. Поэтому при анализе явлений на границах раздела твердое - жидкость рассмат­ривают отдельно смачивание и адсорбцию растворенных веществ (нейтральных молекул - молекулярная адсорбция и ионов - адсорбция электролитов).

Смачивание – явление, возникающее при контакте твердых тел с жидкостями в результате молекулярного взаимодействия между ними. Количественно оно характеризуется величиной краевого угла смачивания - .

Смачивание жидкостью твердого тела можно рассматривать как результат действия сил поверхностного натяжения. Способность жидкости смачивать некоторую поверхность количественно выражается формулой

Рис 5.3Различные случаи смачивания твердых тел

Где:  - краевой угол смачивания:

σ_2,3 – поверхностное натяжение на границе воздух – твердое тело;

σ_1,3 - поверхностное натяжение на границе жидкость - твердое тело;

σ_1,2 - поверхностное натяжение на границе воздух – жидкость.

Из рис. 5.3 видно, что если угол  меньше 90°, то капля имеет сравнительно плоскую форму и как бы растекается по твердой поверхности. В предельном случае, при  = 0, сма­чивание - полное, и капля полностью растекается по по­верхности. Напротив, если угол  больше 90°, то капля воды приближается по форме к сферической.

По углу смачивания можно строго разделить все твердые тела на две группы - гидрофильные, лучше смачивающиеся водой, чем углеводородами, и гидрофобные, наоборот, лучше смачивающиеся углеводородами.

Кроме краевого угла, другой мерой гидрофильности по­верхности является теплота смачивания, так как гидрофиль­ные поверхности смачиваются водой с положительным теп­ловым эффектом.

По интенсивности молекулярного взаимодействия частиц и дисперсионной среды коллоидные и грубодисперсные систе­мы делятся на лиофильные и лиофобные. Если дисперсион­ной средой является вода, то системы соответственно назы­вают гидрофильными и гидрофобными.

Лиофильные коллоидные и грубодисперсные системы прочно связывают молекулы дисперсионной среды. Лиофоб­ные системы отличаются слабым взаимодействием твердых частиц с молекулами растворителя.

Глинистые растворы относятся к гидрофильным системам. Глины, сравнительно легко диспергируясь, энергично взаимо­действуют с водой. Элементарные частицы глины за счет сил молекулярного сцепления покрываются адсорбционной плен­кой воды.