Лако-красочные материалы — производство

С. С. Духин

Институт коллоидной химии и воды АН УССР Киев

Развивается теория адсорбционного слоя на подвижной поверхности всплы­вающего пузырька, базирующаяся на совместном решении уравнения кон­вективной диффузии, описывающего формирование диффузионного погранич­ного слоя пузырька под влиянием процессов адсорбции и десорбции и движе­ния поверхности, и уравнений гидродинамики, осложненных учетом влияния динамического адсорбционного слоя на движение поверхности пузырька.

Обсуждается распределение ПАВ вдоль подвижной поверхности пузырька, сильное и слабое торможение ими движения поверхности. Показано, что возрастание адсорбции ПАВ в направлении движения поверхности приводит к возникновению перепада адсорбции и вдоль межфазной пленки, формирую­щейся между некоторым участком поверхности пузырька и приближающейся к нему частицей.

Так как сопряженный с динамическим адсорбционным слоем перепад поверхностного натяжения вдоль межфазной пленки препятствует ее утонь — шению, это явление следует рассматривать как аналог эффекта Марангони— Гиббса. Излагается количественная теория стабилизации межфазной пленки динамическим адсорбционным слоем пузырька.

ВВЕДЕНИЕ

Движение границы раздела жидких фаз обычно вызывает деформации растяжения и сжатия. Например, при перемеще­нии пузырька или капли одна половина поверхности сокра­щается, другая — растягивается. Возникающие новые участки поверхности заполняются адсорбированным веществом, при сокращении поверхности вещество десорбируется. Непрерывно протекающие процессы адсорбции — десорбции поддержи­ваются диффузионными потоками из объема к расширившимся

Участкам поверхности и от сокращающихся — в объем. Не только движение поверхности влияет на формирование адсорб­ционного слоя, но также происходит и Обратное влияние ди­намического адсорбционного слоя. В направлении движения жидкости адсорбция растет, а поверхностное натяжение а уменьшается, что приводит к возникновению сил, направлен­ных навстречу потоку жидкости и тормозящих движение по­верхности. Таким образом, теория динамического адсорб­ционного слоя должна базироваться на совместном решении уравнения диффузии, осложненного учетом влияния движения поверхности на процессы адсорбции — десорбции, и уравнений гидродинамики, осложненных влиянием динамического адсорб­ционного слоя на движение границ раздела жидких фаз.

Теория динамического адсорбционного слоя и диффузион­ного пограничного слоя сферических частиц, во-первых, пред­ставляет значительный методический интерес, так как в данном простейшем случае удается представить результаты в обозри­мом виде и раскрыть их физический смысл, и во-вторых, эта задача имеет непосредственное отношение к решению ряда технологических вопросов.

Приняв за основу представления Фрумкина о механизме влияния растворимых поверхностно-активных веществ на дви­жение границ раздела жидкость—жидкость, жидкость—газ и метод математического описания процесса формирования динамического адсорбционного слоя и диффузионного погра­ничного слоя, мы рассмотрели сформулированную им проблему в более общем виде, отказавшись от ряда ограничений и упро­щающих предположений 11 ].

Использованные в теории Фрумкина упрощающие предпо­ложения о слабом изменении адсорбции, возможности аппрокси­мации ее угловой зависимости с помощью cos 9, возможности описания влияния поверхностно-активных веществ на движе­ние поверхности капли с помощью коэффициента торможения подтверждаются в следующих предельных случаях: при малом значении числа Пекле Ре aUJD (а — радиус пузырька, U — его скорость; D — коэффициент диффузии поверхностно — активного вещества); при Ре > 1, Re < 1; Re = aU/v (v — кинематическая вязкость жидкости), сильном торможении по­верхности и умеренной поверхностной активности; при Ре 1, Re 1, если несмотря на относительно быстрое установление адсорбционного равновесия динамический адсорбционный слой формируется под влиянием кинетики адсорбции, что возможно лишь при очень низкой поверхностной активности. При Ре ^ > 1, Re 1, слабом торможении и низкой поверхностной активности относительное изменение адсорбции невелико, но eFO угловая зависимость не может быть выражена с помощью cos 9.

Теория Фрумкина описывает простейшие режимы почти равномерного распределения адсорбции на подвижной поверх­ности капли (пузырька) и почти равномерного торможения поверхности. При высокой поверхностной активности реагента или же при очень низкой скорости адсорбции поверхностно- активное вещество распределяется на подвижной поверхности очень неравномерно, что обусловливает и неравномерное тор­можение поверхности. При неравномерности торможения по­верхности и распределения адсорбции резко возрастают мате­матические трудности теории.

Совместный учет влияния гидродинамики на распределение адсорбции и объемной концентрации и влияния динамической адсорбции на поле скоростей при Ре > 1, Re < 1 и Re > 1 удалось осуществить в предельных случаях слабой заторможен­ности основной части поверхности [2, 3] и сильной затормо­женности всей поверхности [4]. При этом распределения адсорбции и скорости-поверхности характеризуются сложными угловыми зависимостями.

Применительно к режиму слабой заторможенности основ­ной части поверхности показана принципиальная возможность совместного учета влияния конвективной диффузии и кине­тики адсорбции на формирование динамического адсорбцион­ного слоя на основе совместного решения двух полученных уравнений, одно из которых является интегральным, другое — дифференциальным [1 ]. Обоснованы условия, при которых можно не учитывать влияние на формирование адсорбционного слоя либо кинетики адсорбции, либо объемной диффузии. В этом последнем случае получено весьма общее решение; пригодное при Re 1, при любом числе Пекле и любой по­верхностной активности.

Имеющиеся в литературе экспериментальные данные о ми­нимальных концентрациях поверхностно-активных веществ, обеспечивающих заметное торможение скорости всплывания пузырька, удовлетворительно согласуются с выведенной фор­мулой [1 ]. Выводы экспериментальных исследований, посвя­щенных влиянию поверхностно-активных веществ на движение капель, проведенных Гриффитом [5], удовлетворительно согла­суются с нашими выводами для случая высокой поверхностной активности.

Полученные результаты не только необходимы для конкре­тизации формул конвективно-диффузионного потенциала [2, 3], вторичного двойного слоя [6] и эффекта Дорна [7, 8], но представляют самостоятельный интерес, поскольку знание рас­пределения адсорбции на поверхности движущегося пузырька (капли) и закономерностей массообмена поверхностно-активных веществ необходимо для флотации, экстракции поверхностно — активных веществ флотационным методом, разрушения эмуль­сий, для выяснения механизма влияния поверхностно-активных веществ на самопроизвольное дробление падающих капель, дробление их ультразвуком и турбулентностью.