Адгезия жидкости и смачивание проявляются многопланово (табл.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.2. Остановимся на процессе флотации, непос­редственно связанным с адгезией жидкости и смачиванием.

Особенности адгезии жидкости и смачивания в некоторых процессах

Таблица 2.

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.2, а). В противоположность этому адгезия газовой (воздушной) среды, обрамленной жидкостью, будет минимальной, и газовая фаза свертывается в пузырек (см. рис.2, в). Применительно к капле воды на гидрофобной поверхности наблюдаются процесс ее свертывания (см. рис.2, б) и минимальная адгезия. Адгезия в отношении газовой среды на гидрофобной поверхности максимальна (см. рис.2, 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_а=s_жг(1-cosq)                 (18)

Формула (18) по структуре напоминает формулу (7), но отличается от нее тем, что величина cosq отрицательна. Это означает, что на гидрофобной поверхности (см. рис.2, г), когда q >90° и cosq<0, равновесная работа адгезии частиц к пузырьку будет максимальной. На гидрофобной поверхности (см. рис.2, 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.

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 (18), к росту адгезии частиц к пузырьку.

Кроме того, введение ПАВ способствует пенообразованию, 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.

Для одних и тех же твердых тел, когда значения поверхнос­тных натяжений s_тг и s_тж практически не изменя­ются, адгезия жидкости и смачивание определяются зависимос­тью равновесной работы адгезии W_а и краевого угла q от поверхностного натяжения s_тж. Эта зависимость устанавливается при помощи закона Юнга. 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.

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 40-65⁰.

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 s_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 - 100⁰. 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, при рассмотрении 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.

Инверсия смачивания заключается в качественном ее изменении за счет адсорбции ПАВ на твердой поверхности. Путем добавления ПАВ удается гидрофилизировать гидрофобные поверхности, и вызвать их смачивание водой и другими полярными жидкостями либо придавать гидрофобные свойства первоначально гидрофильной поверхности и делать ее плохо смачивающейся водой. Адсорбция ПАВ на твердой поверхности влияет не только на величину, но и знак cosq. Зависимость cosq от концентрации поверхностно-активного называется изотермой смачивания (рис. 3). Кривая пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей такой концентрации ПАВ, при которой cosq=0. Точку А пересечения изотермы смачивания с осью концентраций ПАВ называют точкой инверсии смачивания.

Рис. 3. Изотерма смачивания поверхности стекла растворами ПАВ разных концентраций.

    Механизм инверсии смачивания связан с определенной ориентацией молекул ПАВ в адсорбционном слое. Если твердая поверхность первоначально гидрофильна, то адсорбированные молекулы взаимодействуют своими полярными группами с поверхностью, а неполярными цепями обращаются наружу, вследствие чего твердая поверхность становится гидрофобной. Например, при погружении стеклянной пластинки в раствор стеариновой кислоты в октане или бензоле на поверхности пластинки образуется монослой стеариновой кислоты. Адсорбированные молекулы кислоты на пластинке ориентируются неполярными цепями наружу, придавая поверхности гидрофобные свойства.

    В противоположном случае, когда твердая поверхность гидрофобна, адсорбированные на ней молекулы ПАВ обращаются к твердому материалу своими углеводородными цепями, а полярными группами - наружу. Поверхность становится гидрофильной.

    Об изменении характера взаимодействия твердой поверхности со смачивающей жидкостью в результате адсорбции ПАВ можно судить по работе смачивания W_см. Работа смачивания определяется как разность s_тг - s_тж. Поскольку достаточно надежных методов измерения поверхностного натяжения на границе с твердыми телами нет, для расчета W_см удобнее использовать следующее уравнение:

    W_см= s_жг cosθ                    (19)

    Нетрудно заметить, что работа смачивания в зависимости от знака косинуса краевого угла может быть либо положительной, либо отрицательной. Отсюда следует, что в зависимости от ориентации молекул ПАВ на межфазной поверхности при адсорбции может измениться не только абсолютная величина работы смачивания, но и ее знак.  

    ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

    Примечание. При исследовании смачивания большое значение имеет чистота пластинок, пипеток, шприцов, а также посуды, с помощью которой готовят растворы. Даже небольшое загрязнение может существенно повлиять на результаты измерений. Поэтому пластинки следует брать аккуратно только за угол или ребро, а шприцы при смене раствора необходимо каждый раз тщательно промывать.