Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Уменьшение поверхностного натяжения жидкости при адсорбции ПАВ в соответствии с уравнением Юнга приводит к росту величины (о,„— о, )/о = сов 0 (рис. П1-6, кривые 1, 1 '), т. е. улучшению смачивания только фильной по отношению к используемой жидкости поверхности.
Такие вещества„адсорбирующиеся на границе раздела жидкость — пар, играют, следовательно„роль слабых смачивателей; чаще всего их применяют для улучшения смачивания полярных поверхностей водой. По механизму действия они относятся к первой группе ПАВ в соответствии с классификацией ПАВ, предложенной Ребиндером (см. П.4). Более радикальное изменение свойств поверхности происходит при введении в жидкую фазу ПАВ трех других групп, способных энергично адсорбироваться на межфазной поверхности твердое тело— жидкость.
Если происходит физическая адсорбция ПАВ, отвечающая правилу уравнивания полярностей, то смачивание поверхностей резко улучшается — вплоть до перехода от несмачивания к смачиванию и растеканию (рис. П1-6, кривая 2). Значение концентрации, которому отвечает переход от несмачивания к смачиванию (сов 8 = О), называется точкой инверсии смачивания с,. Так, поверхности гидрофобных материалов могут смачиваться водой при добавлении в воду самых 132 -.е 133 разнообразных ПАВ, способных к атг-атж адсорбции на межфазной поверх- ожг ности вода — масло. Особенно важное значение в Растекание технике имеет гидрофобизация по- 2 лярных поверхностей при адсорбции из водымолекул ПАВ, способ- 1 ных к хемосорбционному взаимо- О действию с поверхностью твердого 3 тела. В частности, специфическая хемосорбция ПАВ на поверхности минералов лежит в основе применения флотореагентов при флота- Рис.
111-6. и»стерны тидрофиднаапии ции(см. с. 136). Существенной осо- (криаые б 1' и к3 и гидрофовиааиии бенностью хемосорбции молекул (криаые 3 и д3 таердык поверхностей ПАВ является необратимость процесса. Другой важной особенностью процесса взаимодействия хемосорбирующегося ПАВ с гидрофильной поверхностью, которую надоучитывать при использовании подобных ПАВ, является возможность «перемасливания» поверхности при высоких концентрациях ПАВ (см. П?.1). В этом случае на изотерме смачивания возникают две точки инверсии смачивания (рис. 1П-б, кривая 3) — с увеличением концентрации поверхность сначала гидрофобизируется, а затем гидрофилизируется из-за образования второго слоя молекул ПАВ.
При управлении избирательным смачиванием ПАВ могут вводиться как в водную (водорастворимые), так и в масляную (маслорастворимые) фазу. В зависимости от природы ПАВ здесь могут осуществляться как гидрофилнзация, так и гидрофобизация поверхности. При этом (рис.
П1-6, кривая 4) маслорастворимые ПАВ способны только к олеофилизации поверхности за счет их физической адсорбции или хемосорбции на полярной поверхности (напомним, что при избирательном смачивании угол В отсчитывают в более полярной фазе — воде). При избирательном смачивании гидрофобной поверхности маслорастворимые ПАВ способны к адсорбции только на поверхности вода — масло, в этом случае они увеличивают краевой угол. При гидрофобизации поверхности величина (ао,а — ати,)/ати,ит может стать меньше — 1; этому отвечает растекание масляной фазы по границе твердого тела с водой и полное оттеснение последней. Аналогично при полной гидрофилизации поверхности водная фаза оттесняет масляную. Для всех случаев, когда ПАВ вводится непосредственно в жидкую фазу, контактирующую с твердой поверхностью, характерен резко выраженный гистерезис смачивания, так как уменьшение (или увеличение при хемосорбции) краевого угла происходит постепенно, по мере того как на новых поверхностях, покрываемых жидкой фазой, успевает происходить адсорбция ПАВ.
Особенно существенна роль кинетики адсорбции и диффузии ПАВ при управлении капиллярной пропиткой; в этом случае, по данным Чураева, впитывающийся в капилляры раствор быстро обедняется ПАВ из-за адсорбции на стенках капилляров, так что скорость процесса пропитки может лимитироваться диффузионным подводом ПАВ из объема раствора к менискам в порах. Модификация поверхности твердой фазы при предварительном нанесении адсорбционного слоя может производиться различными способами в зависимости от природы ПАВ и характера его взаимодействия с тверлой поверхностью.
Так, можно растворить ПАВ в жидкости, противоположной по полярности данному твердому телу; тогда, в соответствии с правилом уравнивания полярностей, произойдет адсорбция ПАВ на межфазной поверхности. Таким образом может быть проведена гидрофилизация неполярных поверхностей обработкой их водными растворами ПАВ или, наоборот, гидрофобизация полярных поверхностей при адсорбции ПАВ из раствора в углеводороде. Однако более удобным способом гидрофобизации полярных поверхностей является применение ПАВ, способных к хемосорбции на таких поверхностях и из водного раствора.
Это позволяет избежать использования огнеопасных и токсичных углеводородных растворителей. Применение хемосорбирующихся ПАВ позволяет достичь высокой прочности закрепления адсорбционного слоя на поверхности твердого тела. При этом важно, однако, не «перемаслить» поверхность. Высокая прочность закрепления адсорбционного слоя достигается также при использовании необратимо адсорбирующихся высокомолекулярных ПАВ.
Все перечисленные способы применения ПАВ для управления смачиванием и избирательным смачиванием и для модификации поверхности широко используют в технике. Прежде всего следует отметить использование ПАВ в качестве так называемых «текстильных вспомогательных веществ» (ТВВ) на большинстве стадий переработки всех натуральных и синтетических волокон. Сюда входят отмывка сырой шерсти, «замасливание» (гидрофобизация волокон с целью предохранения их поверхности от повреждений и уменьшения сцепления волокон); «мягчение» (адсорбционное модифицирование ткани), применение ПАВ в процессах 134 крашения тканей и печатания на них рисунка, а также такие специальные виды обработки тканей, как нанесение антистатических (препятствующих электризации) и пщрофобизирующих («водооттапкивающих») покрытий.
Модифицирование поверхности твердых тел широко применяют для регулирования поверхностных свойств наполнителей резин, синтетических полимеров и других материалов (см. гл. 1Х). Нанесение гидрофобизирующих адсорбционных слоев, модифицирующих поверхность, используют для предотвращения слеживания гигроскопичных порошков (удобрений), защиты металлов от коррозии и в других процессах. Введение ПАВ в воду, водные растворы и эмульсии для улучшения смачивания различных поверхностей широко применяют при обработке растений ядохимикатами. Это связано с тем, что поверхность листьев растений гидрофобна и для лучшего прилипания капель ядохимикатов необходима гидрофилизация листьев. ПАВ вводятся и в состав клеев на водной основе, в частности эмульсионных.
Добавки ПАВ улучшают смачивание поверхностей водой при тушении пожаров, особенно торфяных, поскольку поверхность высохшего торфа гидрофобна и вода без ПАВ не впитывается в него. Водные растворы смачивателей используют и с целью уменьшения пылеобразования в угольных шахтах.
Гидрофилизация поверхностей необходима также при нанесении светочувствительного слоя на кинофотоматериалы. Управление избирательным смачиванием с помощью водо- и маслорастворимых ПАВ лежит в основе многих технологических процессов; среди них одним из самых важных является д о б ы ч а н е ф т и. Нефть — сложная по составу смесь веществ, среди которых имеются природные высокомолекулярные ПА — залегает в гидрофильных породах совместно с сильно засоленной водой.
Адсорбция поверхностно-активных компонентов нефти на породах приводит к их олеофилизации и избирательному смачиванию нефтью, причем участки гидрофобизованных пород перемежаются с контактирующими с водой гидрофильными участками. После бурения скважины, как правило, бывает необходимо облегчить доступ к ней нефти — «вскрыть коллектор», по выражению нефтяников.
Этому может помочь закачка в скважину раствора хемосорбирующегося ПАВ, гидрофобизующего гидрофильные участки пород и тем самым облегчающего поступление нефти по трещинам и капиллярам к скважине. При последующей эксплуатации скважины самым важным является обеспечение как можно более полного извлечения нефти из пласта; к сожалению, даже в самых лучших усло- 135 виях удается извлекать не более 50 — 70 % нефти, а часто всего 30— 40 % и менее. Для повышения степени извлечения нефти из пород применяют так называемое законтурное заводнение: в ряд вспомогательных скважин, окружающих центральную промысловую, закачивают воду, растворы ПАВ или сложные композиции, называемые «мицеллярными растворами» (см.
гл. У1), которые улучшают избирательное смачивание водой и тем самым содействуют оттеснению нефти к промысловой скважине. На управлении избирательным смачиванием основаны процессы отмывания — удаления неполярных загрязнений с полярных поверхностей (см. гл. 'Л1). Среди других примеров регулирования избирательного смачивания можно назвать офсетную печать, в которой используется различие в смачиваемости краской печатающих элементов и пробелов. Печатающие элементы на форме, несущей изображение, гидрофобизуются, тогда как пробелы между ними остаются гидрофильными.
Краска на углеводородной основе, не затрагивая пробелов, избирательно смачивает печатающие элементы и затем переносится с них на бумагу. На использовании хемосорбции водорастворимых ПАВ для гидрофобизации поверхности гидрофильных порошков основано изготовление пигментов для масляных красок. Высокодисперсные пигменты получают в водной фазе, затем в раствор вводят водорастворимое хемосорбирующееся ПАВ, гидрофобизующее поверхность пигмента. Это позволяет перевести пигмент в масляную фазу. Одним из самых крупномасштабных технологических процессов, основанных на использовании смачивания, является флотационное обогащение и разделение минералов. Различают пенную, масляную и пленочную флотацию. В основе всех видов флотации лежит различие в смачивании жидкой фазой частиц пустой породы и ценного извлекаемого минерала.
В пенной и пленочной флотации обычно ценная порода, плохо смачиваемая водой, концентрируется на границе вода — воздух, а хорошо смачиваемая пустая порода переходит в воду. При пенной флотации измельченная порода интенсивно перемешивается в воде, через которую барботируется воздух. Частицы ценного минерала (относительно маленькие по размеру) захватываются пузырьками воздуха, которые выносятся в виде пены на поверхность воды, откуда эта пена затем механически удаляется и поступает на дальнейшую переработку. В пленочной флотации частицы измельченной породы высыпаются на поверхность текущей воды: при этом частицы ценной породы остаются на поверхности воды, а частицы пустой породы тонут.
Реже 136 Рнс. Ш-7. Расположение гидрофобной сферической частицы на поверхности воды без учета (1) и с учетом (11) действия силы тяжести используют масляную флотацию, в которой для выноса частиц пенной породы используют капельки масла, т. е. образование пены заменено образованием эмульсии. Рассмотрим более подробно основы флотации на примере пенной флотации'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
