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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章固液界面,Chapter 6 The solid-liquid interface,6-1,接触角和润湿,Contact angles and wetting,6-2,矿物浮选,Ore flotation,6-3,洗涤作用,Detergency,6-4,自溶液中吸附,Adsorption from solution,6-1,接触角和润湿,润湿剂,影响接触角和润湿作用的因素,接触角的测量,拒水性,铺展,润湿 粘润,浸润,接触角与润湿方程,液体在固体外表上形成的液滴，它可以是扁平的，也可以是圆球状，这主要是由各种界面张力的大小来打算。,一、接触角与润湿方程,当系统达平衡时，在气、液、固三相交界点，,气,-,液,与,固,-,液界面之间的夹角,称为,接触角,，通常用,q,表示,。,接触角与润湿方程,实际上是,气,-,液,与,固,-,液界面张力之间的夹角,。,固,气,液,气,液,固,O,O,平衡时有以下关系：,也可写作：,接触角与润湿方程,上式是由T.YoungT.杨提出来的，故称为杨氏润湿方程。,1如，则，完全润湿。,2如0，则0 1，,能够润湿。,3如，则0，不能润湿。,争论：,从接触角的数值可看出液体对固体润湿的程度。,二、润湿,在一块固体的外表上滴上少许液体，在未滴液体的固体是和气体接触的，滴上液滴后取代了局部固气界面，产生了新的固液界面。这一过程称之为润湿过程。,通常所说的“润湿”是总称。实际上视具体状况的不同，可分为三类：,1铺展(spreading),2粘润(adhesion),3浸润(immersion),铺展,当液体滴到固体外表上后，新生的固液界面在取代固气界面的同时，液气界面也扩大了同样的面积，这一过程称为铺展。,固,液,气,b,液体在固体外表上的铺展,铺展,在恒温恒压下，可逆铺展一单位面积时，系统,Gibbs,自由能的变化值为：,式中S 称为铺展系数实为铺展功。,当S0，液体可以在固体外表自动铺展。,S 越大，铺展力量越大。,固,液,气,固,液,气,固,液,气,固,液,气,固,液,气,固,液,气,固,液,气,固,液,气,固,液,气,固,液,气,液体在固体外表上的铺展,铺展,粘润,粘润是指液体与固体从不接触到接触，使局部液气界面和固气界面转变成新的固液界面的过程。,固,液,粘润,在等温等压条件下，设各相界面都是单位面积，该过程的,Gibbs,自由能变化值为：,为粘润功粘附功，它是在等温等压条件下单位液面对单位固体外表粘附时对外所做的最大功。它是液体能否润湿固体的一种量度。,愈大，液体愈简洁粘润固体，界面粘得愈坚固。,液,固,液体在固体外表潮湿过程的示意图,粘润,浸润,在恒温恒压可逆状况下，将具有单位外表积的固体浸入,液体中，固气界面转变为固液界面的过程称为浸润过程。,固,气,液,固,气,液,浸润,为浸润功，它是在等温等压条件下，将具有单位外表积,的固体可逆地浸入液体中所做的最大功。它是液体在固体外表上取代气体力量的一种量度。,该过程的,Gibbs,自由能变化值为：,是液体浸润固体的条件。,固体浸湿过程示意图,气,液,固,固体浸湿过程示意图,气,液,固体浸湿过程示意图,气,液,固体浸湿过程示意图,气,液,固体浸湿过程示意图,气,液,固体浸湿过程示意图,气,液,固体浸湿过程示意图,气,液,固,浸润,润湿过程判据,假设将杨氏润湿方程式代入各类功的公式中，且假定这些润湿过程都能自发进展，即各形式的功均为正值。,据此，如以接触角的大小作为种类润湿过程能否进展的判据。,判据,铺展是润湿的最高标准，凡能铺展，必能浸润，更能粘润。,亲液与憎液固体,能被液体所润湿的固体，称为,亲液性的固体,，不能被液体所润湿的固体，则称为,憎液性的固体,。,固体外表的润湿性能与其构造有关。,常见的液体是水，所以,极性,固体皆为,亲水性,，而,非极性,固体大多数为,憎水性,。,常见的亲水性固体有石英、硫酸盐等，憎水性固体有石蜡、某些植物的茎叶及石墨等。,接触角的大小可以用试验测量，也可以用公式计算。,1假设具备一个面积不大的固体平面，则可直接通过,液体停滴的投影来测定接触角；,2也可用斜板法，板的角度可以调整至与固体接触的,液面能够保持水平为止；,3朗格谬尔和舍费尔方案，利用点光源发出的光线被,液滴外表反射，然后通过观看其与固体平面接触处的反射角,来测定；,4巴特尔方法；,5同测定液体通过填塞在玻璃管中的粉末的穿透速度,来求得的。,三、接触角的测量,但测量接触角的简单性与被测体系的本身有关，且包括以下方面：,1液体中的杂质常常影响接触角；,2固体外表不同液体外表，即使经过认真地抛光，它也表现出有很大程度的不均匀性；,3实际上，接触角很少是单值，但对一给定的体系，存在着肯定范围的亚稳接触角。,接触角的测量,上述三种类型的润湿，可用以下式子概括：,四、影响接触角和润湿作用的因素,的削减能促进全部润湿过程，但的削减却不完全如此。,1在玻璃上吸附象脂肪酸这样的油脂性物质时，其吸附数量即使比单分子层还少，但玻璃和水之间的接触角仍旧增大很大。,2添加外表活性剂，对憎水性固体外表被水介质润湿有很大帮助，可使增大且减小，这两个因素都可使接触角减小。,3固体外表的粗糙程度能使接触角进一步偏离。,如，固液接触角减小；如，接触角将增加。,影响接触角和润湿作用的因素,影响接触角和润湿作用的因素,4制备固体外表的方法不同也能影响接触角。如某物质与水接触结晶比在空气中结晶时的接触角更小。,5碳氟化合物外表有典型的低临界外表张力，因而常用于制备“无粘性”外表。对碳氟化合物外表来说，更小而更大。,6润湿硬性固体如玻璃、金属和软性固体如针织品外表的最主要区分是：前者很快能够建立固液平衡，而后者受动力学的影响很大。,五、润湿剂,外表活性物质在很多场合中都用作润湿剂。,润湿剂除了降低外，还可能降低，这一点特别重要，所以必需选择适合于固体外表特性的外表活性剂。,拒水的目的是为了使接触角尽可能大。,六、拒水性,织物通过长链阳离子外表活性剂如氯化软脂酸胺甲基吡啶的处理，可变成拒水的。,经处理后的外表获得一种负毛细作用，水通过织物所需的压力与外表张力有关，并随纤维间的增加而削减。,6-2,矿物浮选,固体悬浮在液面上，则围绕固粒的固、液、气三相交界,的向上拉力必与固粒的表观重力相平衡，固体颗粒能否悬浮,在液面，取决于接触角的大小。,通过参加外表活性剂，可掌握固体浮游的条件。,矿物浮选,浮选法选矿,首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在水池中参加捕集剂和起泡剂等外表活性剂。捕集剂选择吸附在有用矿石粒子的外表上，使它变为憎水性。,搅拌并从池底鼓气起泡剂产生的气泡，带有有用矿石粒子的气泡聚拢外表，上升到液面，收集并灭泡和浓缩，从而到达了富集的目的。不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时去除。,矿石粒子要能漂移，其接触角至少应在，而固体外表只要有5被捕集掩盖，就能到达这个要求。,矿物浮选,浮游选矿的原理图,选择适宜的捕集剂，,使它的亲水基团只吸在,矿物的外表，憎水基朝,向水。,当矿物外表有5%,被捕集剂掩盖时，就,使外表产生憎水性，,它会附在气泡上一起,升到液面，便于收集。,利用浮选原理，,提高矿石品位。,6-3,洗涤作用,洗涤作用是指脏物通过外表化学方法从固体外表除去的过程，它涉及到大局部外表活性剂的用途。,一、洗涤机理,一种抱负的洗涤剂应具有以下性质：,1应有很好的润湿力量；,2应有驱除或帮助驱除污垢，进入体相溶液的力量。,3应有溶解或分散被除掉的污垢的力量，并防止污垢在洗净的外表上再沉淀或形成浮垢。,洗涤作用,二、润湿,最好的润湿剂不肯定就是最好的洗涤剂，反之亦然。,如在织物清洗过程中，外表活性剂分子的集中起了很大的作用，快速集中要求烃链长度较小，但为了取得较好的去污效果和分散作用，烃链长度又以较长为好。因此，在选择外表活性剂时应综合考虑。,对于烷基硫酸盐和芳烷基磺酸盐来说，其链长为12个碳原子时，通常能获得最好的综合效果。,洗涤作用,三、去污,固体污垢的除去可从转变有关外表张力的角度考虑。,去污过程可看作是带有污垢D的固体，浸入水中，在洗涤剂的作用下，降低和，从而使污垢与固体外表的粘附功削减，搅拌污垢脱落到达去污的目的。,6-3,洗涤作用,流体油或脂污垢的除去可从接触角的变化来考虑。,洗涤剂的参加降低了固油水三相界面处的接触角。,假设,，则油将自动脱离固体外表。,假设,假设,，则可用机械方法使油完全脱离基体。,，则用机械方法仅使油局部脱离基体，,而其余局部仍附着在基体上，需用不同的方法去除。,一般将温度升至45左右时，洗涤剂的效果将显著增加，再上升温度至沸点以下，洗涤剂的效果就不再增加。,6-3,洗涤作用,油污在固体外表上的除去,1在纯水中的基体与油污的体系；2洗涤剂使接触角降低的状况；,3和4用机械力或水力去除油污的状况。,洗涤作用,四、污垢的再沉积,洗涤剂分子吸附在洁净的外表和污垢颗粒上，使外表带电或水化，形成屏障，就能防止污垢的再沉积。,洗涤作用,五、洗涤添加剂,在合成洗涤剂中往往除了加某些起泡剂、乳化剂等外表活性物质外，还要参加一些诸如硅酸盐、焦磷酸盐与三聚磷酸盐之类的“助洗剂”，它们本身并不是外表活性剂，但能增加去污力量，同时也可防止清洁固体外表重新被污垢沉积，促进洗涤效果。,由于焦磷酸盐随废水排入江湖中会引起藻类疯长，破坏水质，危及鱼虾生命，现已制止使用含磷洗涤剂。,6-4,自溶液中吸附,在很多实际应用中，溶液中的吸附是很重要的。有些状况下，主要考虑的是改善固体的外表，有时还需要从溶液中除去杂质。,一、溶液吸附等温线,试验方法：将体积的溶液和质量的固体吸附剂在肯定温度下摇动，直到上层清液中的浓度不再转变为止。,试验结果通常用表观吸附等温线来表示，即给定温度下，单位质量的吸附剂所吸附的溶质的量。,自溶液中吸附,自溶液中吸附，通常是依据固体与溶液中各组分的极性与非极性作出定性的预料。,极性吸附剂对极性吸附质的吸附力量较强，而对非极性吸附质的吸附力量较弱；反之亦然。,此外，极性吸附剂可从非极性溶剂中猛烈地吸附极性溶质低溶解度，而从极性溶剂中只能微弱地吸附极性溶质高溶解度；反之亦然。,自溶液中吸附,在溶液中，物理吸附比化学吸附更为常见。,通常溶质的吸附是单层的。,二、等温方程式，外表积,等温方程式,及,式中，,x,是质量为,m,的固体所吸附的溶质的量，,c,是平衡时溶液的量，,a,k,和,n,是常数。,自溶液中吸附,假设单分子层的吸附量可以确定或直接依据实际的等温线，或间接依据方程式求得，假设每一吸附分子所占的面积，则可求出固体的比外表积。,外表积,作业,1.氧化铝瓷件上需要涂银，当加热至1273K时，试用计算,接触角的方法推断液态银能否润湿氧化铝外表？该温度,下固体Al2O3(s)的外表张力1.0Nm-1，液态银外表张力,0.88Nm-1，液态银与固体Al2O3(s)的界面张力,1.77Nm-1。,作业,2.水石墨系统的下述数据：在298K时，水的外表张力0.072，水与石墨的接触角测得为90度，求水与石墨的粘润功，浸润功和铺展系数。,Nm,-1,
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