ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Поверхностные явления

В основе смачиваемости, капиллярности, гетерогенного катализа лежат те или иные свойства поверхности, отличные от объемных свойств тела. Отличие обусловлено тем, что молекулы внутри фазы испытывают в среднем одинаковое притяжение со всех сторон, молекулы же поверхност­ного слоя подвергаются неравному притяжению со стороны внутренних слоев вещества и со стороны окружающей среды. Так, на границе раздела «жидкость - воздух» молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, испытывают большее притяжение со стороны соседних молекул внутренних слоев жидкости, чем со стороны молекул газа. Это обусловли­вает избыток свободной (нескомпенсированной) энергии в поверхностном слое жидкости. Очевидно, что подобное наблюдается и на поверхности твердой фазы. В этих и аналогичных случаях наличие избытка энергии в поверхностном слое определяет в конечном счете основные особенности последнего.

Если поверхность сравнительно невелика, то ее влияние проявляется слабо. Однако по мере увеличения поверхности, например, при измельче­нии вещества, влияние поверхностных свойств проявляется все сильнее (в степени пропорциональной квадрату уменьшения линейных размеров час­тиц). Поверхность некоторых веществ (адсорбентов, катализаторов) мо­жет достигать нескольких сотен квадратных метров на один грамм их мас­сы.

Из поверхностных явлений наибольшее практическое значение имеют поверхностное натяжение и адсорбция.

Для увеличения поверхности конденсированных веществ требуется разорвать связи, существующие между их частицами, т. е. произвести оп­ределенную работу. Величина этой работы, отнесенная к единице площа­ди, получила название поверхностного натяжения. Единицей его измере­ния является Дж/м. Избыток поверхностной энергии (поверхностное на­тяжение) приводит к тому, что возникают силы, стремящиеся сократить поверхность, чтобы минимизировать ее энергетический уровень. Они на­правлены по касательной к поверхности и имеют размерность Н/м, выте­кающую из размерности работы 1 Дж/м по образованию свободной по­верхности с учетом того, что 1 Дж = 1 Нм.

Поверхностное натяжение различных веществ неодинаково. Для жид­костей, в частности для ряда водных растворов солей, углеводородов,

22 спиртов, оно при 20°С составляет 15.30 мДж/м, для воды 72 мДж/м , для

Расплавов и шлаков изменяется от нескольких сотен до тысячи и более мДж/м.

Определено, что с повышением температуры поверхностное натяже­ние жидкости линейно уменьшается. Д. И.Менделеев (1860 г.) установил существование такой температуры, при которой поверхностное натяжение становится равным нулю, т. е. исчезает различие между жидкостью и па­ром. Выше этой температуры вещество уже не может находиться в жидком состоянии (критическая температура).

Поверхностное натяжение растворов может сильно отличаться от по­верхностных свойств чистых жидкостей. В растворе самопроизвольно про­текает процесс перехода в поверхностный слой и увеличение концентра­ции того компонента, от прибавления которого поверхностное натяжение жидкости уменьшается, т. е. снижается избыточная поверхностная энергия. Обычно таким компонентом является тот, который в чистом состоянии об­ладает меньшим поверхностным натяжением. Вещества, сильно снижаю­щие поверхностное натяжение жидкости, называют поверхностно - активными веществами (ПАВ).

На границе раздела двух несмешивающихся жидкостей также имеется избыточная энергия, которая называется межфазным натяжением. В про­стейшем случае, когда одна жидкость полностью растекается по поверхно­сти другой, соблюдается правило Антонова:

^1,2 = СТ1 - СТ2, (113)

Где а12 - межфазное натяжение на границе фаз 1-2; а1 и а2 - поверхностное натяжение этих фаз.

Отклонения от правила Антонова, связанные с неполной взаимной смачиваемостью жидкости, составляют обычно 3.5%.

При отрыве одной фазы от другой, например жидкости от твердого тела, выполняется работа W, называемая адгезией. Показано, что на грани­це фаз 1-2:

Ww = а +а2 - CTu. (1.14)

Отрыв одного слоя вещества от другого слоя этого же вещества по­требует работы, называемой когезией. Работа когезии

W^ = 2а. (1.15)

Поверхностные свойства веществ играют важную роль в таких явле­ниях, как смачиваемость поверхности, капиллярные явления и гетероген­ный катализ. Процессы адсорбции широко используют для поглощения вредных примесей, рекуперации, в коллоидной химии и в ряде других слу­чаев.

Для поглощения примесей применяют активированный уголь. Его чрезвычайно развитая поверхность лишь в несколько раз меньше макси­мально возможной, которую можно получить при условии, что все атомы углерода будут расположены в один, так называемый мономолекулярный слой. В частности, активированный уголь прекрасно поглощает органиче­ские вещества из окружающей среды при весьма малых их концентрациях. Это свойство активированного угля используют в противогазах, созданных Н. Д.Зелинским (1912 г.). На поглощении примесей основаны и многие про­цессы очистки и сушки различных газов в промышленности, способы ос­ветления и обесцвечивания растворов в производстве сахара, глюкозы, нефтепродуктов, фармацевтических препаратов.

При рекуперации явления адсорбции используют для извлечения цен­ных веществ из отходов. Так, воздух, содержащий пары бензола, ацетона и других летучих растворителей, пропускают через слой активированного угля или силикагеля, адсорбирующих их. Путем последующего нагревания адсорбента или продувки его водяным паром растворители можно выде­лить в чистом виде.

Большую роль играет адсорбция в красильной промышленности. Так, при крашении шерсти вначале происходит адсорбция красителя, за кото­рой следует химическая реакция в адсорбционном слое.

В значительной степени поверхностными явлениями, в частности ве­личиной поверхностного натяжения, определяются процессы перехода примесей из одной фазы в другую (системы металл - шлак в металлургии) и кристаллизации (литейное производство).

Академик П. А.Ребиндер создал новую научную дисциплину (физико - химическую механику грунтов), связанную с эффектом адсорбционного понижения прочности ряда веществ (горных пород, строительных мате­риалов и др.) с помощью небольших добавок ПАВ. Это дает возможность в ряде случаев интенсифицировать процесс механической обработки.