Адгезія рідини і змочування проявляються багатопланово (табл. 3.2). Ці явища визначають такі процеси як просочення, екстракцію, флотацію, мастило і багато інших. Цей далеко не повний перелік, свідчить про практичну значимість адгезії рідини і змочування.
Розглянемо більш докладно деякі процеси, перераховані в табл. 3.2. Зупинимося на процесі флотації, безпосередньо пов'язаним з адгезію рідини і змочування.
Флотація - це метод збагачення корисних копалин, заснований на різній змочуваності водою цінних мінералів і порожньої породи. Найбільше значення має пінна флотація. Елементарний акт пінної флотації полягає в змочуванні і адгезії частинок до бульбашки.
На гідрофільній поверхні адгезія рідини максимальна і спостерігається розтікання краплі (див. Рис. 3.3, а). На противагу цьому адгезія газової (повітряної) середовища, обрамлена рідиною, буде мінімальною, і газова фаза згортається в пляшечку (див. Рис. 3.3, в). Стосовно до краплі води на гідрофобною поверхні спостерігаються процес її згортання (див. Рис. 3.3, б) і мінімальна адгезія. Адгезія щодо газового середовища на гідрофобною поверхні максимальна (див. Рис. 3.3, г).
Рівноважну роботу адгезії частинок до бульбашки на кордоні розділу тверде тіло - газ можна вивести з тих же міркувань, які були розглянуті в разі адгезії крапель рідини до твердих поверхонь. Величина цієї роботи
Формула (3.20) за структурою нагадує формулу (3.8), але відрізняється від неї тим, що величина cos # 952; негативна. Це означає, що на гідрофобною поверхні (див. Рис. 3.3, г), коли # 952;> 90 ° і cos # 952; <0, равновесная работа адгезии частиц к пузырьку будет максимальной. На гидрофобной поверхности (см. рис. 3.3, б), наоборот, адгезия капель будет минимальной.
Таким чином, необхідною умовою адгезії і закріплення частинок на бульбашках є гідрофобність, т. Е. Незмочування поверхні частинок.
У пінної флотації бульбашки газу виконують кілька функцій. Вони сприяють кращому перемішуванню зважених часток, виступають в ролі носіїв, на поверхні яких закріплюються частки. Ці частинки разом з бульбашками спливають на поверхню і таким чином корисні копалини відокремлюються від порожньої породи.
Широке застосування пінної флотації обумовлено можливістю регулювання властивостей частинок і поділу мінералів, близьких за своїми поверхневих властивостях. Фактично між твердою поверхнею частинки і газовою фазою бульбашки існує прошарок рідини. Саме цей прошарок рідини надає часом вирішальний вплив на адгезію частинок до бульбашки.
Т а б л і ц а 3.2
Особливості адгезії рідини і змочування в деяких процесах
Поверхневий натяг води з урахуванням розчинних в ній речовин
Наявність рідкого середовища між газом (повітрям) і твердою поверхнею дозволяє шляхом введення в воду спеціальних речовин і їх адсорбції змінювати адгезію частинок. Потужним засобом регулювання адгезії є поверхнево-активні речовини - ПАР (див. Гл. 5).
При адсорбції ПАР в прошарку рідини, яка формує оболонку піни або знаходиться на твердій поверхні, гідрофільний радикал молекул ПАР орієнтований в бік водного середовища, а гідрофобний - в сторону твердого тіла. Це призводить до погіршення змочування поверхні частинок і, відповідно до рівняння (3.20), до зростання адгезії частинок до бульбашки.
Крім того, введення ПАР сприяє піноутворення (див. Гл. 16), збільшення часу життя пен і ефективності флотації.
Підбираючи реагенти, змінюючи їх концентрацію, температуру і властивості середовища, рН, можна домогтися вибірковості адгезії частинок, коли на бульбашці будуть закріплюватися частки корисних копалин, а частинки пустої породи будуть накопичуватися в нижній частині флотаційного ємності.
Адгезія частинок до бульбашок грає певну роль в миючому процесі, заснованому на застосуванні колоїдних ПАР (див. Гл. 21).
Для одних і тих же твердих тіл, коли значення поверхневих натягів # 963; ТГ і # 963; ТЖ (див. Рис. 3.3) практично не змінюються, адгезія рідини і змочування визначаються залежністю рівноважної роботи адгезії Wа і крайового кута # 952; від поверхневого натягу # 963; ЖГ. Ця залежність встановлюється за допомогою закону Юнга [см. рівняння (3.5) - (3.7)]. Відповідно до цього закону в міру збільшення поверхневого натягу рівноважна робота адгезії Wа знижується, а крайовий кут зростає; в свою чергу, зростання крайового кута обумовлює зниження рівноважної роботи адгезії.
Таким чином, адгезію рідини і змочування можна змінювати не тільки за рахунок модифікації властивостей твердих поверхонь шляхом їх гідрофобізації або гидрофилизации, але і за рахунок регулювання поверхневого натягу рідини. Ці дві можливості закладені в основу практичного застосування адгезії рідини і змочування в таких процесах, як просочення, екстракція і очищення поверхонь від забруднень (див. Табл. 3.2).
Адгезія і іммерсійне змочування визначають залишкову кількість рідини після спорожнення резервуарів. Це залишкова кількість для деяких соків в разі гидрофильной скляної поверхні становить 43,5-61,1 см3продукта на 1 м2поверхності. На гідрофобному поліетилені залишкова кількість знижується до 30,7-38.5 см3 / м2, тобто більш ніж в 1,5 рази. В даному випадку адгезія знижується за рахунок зміни властивостей твердої поверхні.
Змочування порошків визначає процес просочення. Воно залежить від їх структури - розмірів частинок, упаковки, пористості і інших параметрів. Дослідним шляхом встановлено, що для змочування водою і перекладу сухих молочних напівфабрикатів в розчинний продукт крайової кут повинен становити 40-65 °.
Якщо процес просочення пов'язаний із заповненням рідиною пір, то при екстракції відбувається вилучення однієї рідиною (розчинником) іншої з порового простору. Екстракція олії за допомогою розчинників з порового простору частинок сировини, так само як і просочення, залежить від властивостей матеріалу і рідини.
Повнота вилучення продукту при екстракції залежить від поверхневого натягу # 963; ЖГ. в'язкості і щільності розчинника. Для вилучення оливкової і соєвої олії в якості розчинника ефективнішим, ніж ацетон і гексан, виявився тетрахлорид вуглецю ССl4.
Адгезія рідини і змочування визначають якість лакофарбових покриттів, надійність клейових з'єднань, а також ефективність очищення від забруднень будь-яких поверхонь, в тому числі обладнання і домашніх предметів; крім того, вони визначають ефективність супутніх процесів.
Так, змочування поверхні зерна водою має безпосереднє відношення до очищення зерна від домішок і визначає час перебування продукту в мийних машинах. Змочування зерна водою залежить від сорту зерна, структури і кривизни його поверхні, особливостей попередньої обробки зерна, природи забруднень і інших чинників. Для різних сортів пшениці крайової кут складає 65-100 °. Подібні значення крайових кутів свідчать про те, що поверхня зерна є близькою до гидрофобной або гідрофобною і погано змочується водою.
Супутніми є процеси, пов'язані з утворенням бульбашок. Подібні процеси мають місце в бродильном виробництві, при отриманні цукру з цукрових сиропів і у всіх інших випадках, коли в рідині, що представляє собою суспензію або золь, утворюються бульбашки газу або повітря.
Таким чином, закінчуючи розгляд питань адгезії, можна переконатися, що в тому чи іншому вигляді адгезія проявляється по відношенню до багатьох об'єктах і супроводжує технологічних процесів в різних галузях промисловості.
Для 0,1% -го розчину ефірів сахарози, поверхневий натяг якого становить 30 мДж / м 2. визначити рівноважну роботу когезії і адгезії, роботу адгезії до бульбашки, якщо крайової кут змочування до твердої поверхні дорівнює 15 °.
Відповідно до формули (3.3) визначаємо рівноважну роботу когезії:
Рівноважна робота адгезії за формулою (3.8)
Wа = # 963; ЖГ (1 + cos # 952;) = 30 (1 + cos15 °) = 59 мДж / м2.
Для розрахунку роботи адгезії частинок до бульбашки скористаємося формулою (3.20):
Wа = # 963; ЖГ (1 - cos # 952;) = 30 (1-cos15 °) = 1,02 мДж / м2.