Образование дисперсных систем
жүктеу/скачать 3,51 Mb.
|
Formation of disperse systems
- Бұл бет үшін навигация:
- ДИСПЕРГИРОВАНИЕ
ОБРАЗОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМПромежуточное положение высокодисперсных систем между молекулярно-дисперсными гомогенными системами и грубодисперсными гетерогенными определяет два основных способа их образования - диспергирование и конденсацию. Эти два противоположных друг другу способа получения приводят к одной цели. Диспергирование - это измельчение, дробление, а конденсация - это ассоциация молекул в агрегаты из истинных растворов. Диспергирование, например, происходит при сжигании топлива, в аппаратах массообмена, а конденсация самопроизвольно имеет место при кристаллизации, образовании тумана, выпаривании, в ректификационных колоннах. Различные вещества специально переводят в дисперсное состояние:
В процессе получения дисперсных систем образуются новые поверхности, которые требуют затрат энергии. В промышленности на получение дисперсных систем тратится около 5 % от общего расхода энергии, а в отдельных случаях до 3/4 всех производственных затрат (например, при производстве цемента). Поэтому энергетике диспергирования и конденсации уделяется особое внимание. ДИСПЕРГИРОВАНИЕ Энергозатраты при диспергировании лишь частично идут на увеличение поверхности и поверхностной энергии. В общем случае работа диспергирования состоит из двух частей: работы объемного деформирования тела WД и работы образования новой поверхности Wn: W= WД + Wn, (1) Уравнение (1) называется уравнением Ребиндера. Работа деформирования пропорциональна объему тела V: WД=KV, (2) где К - коэффициент пропорциональности; V - объем тела. Работа образования поверхности пропорциональна увеличению поверхности ∆S с коэффициентом пропорциональности, равному энергии образования 1 ед. поверхности σ: Wn= σ∆S (3) В то же время, объем тела пропорционален кубу линейных размеров тела l: V~l3; а ∆S~l2 - линейным размерам тела l в квадрате. С учетом (2) и (3), полную работу диспергирования можно записать как W = Kll3 + K2σl2 (4) или W = l2(Kll + K2σ). (5) При больших l можно пренебречь работой образования поверхности, и тогда полная работа W=WД~Kll3 (6) Полная работа определяется только работой деформирования (дробления) тела, т. е. бесполезной работой, поскольку энергия при деформировании теряется безвозвратно. При малых l можно пренебречь работой объемного деформирования, и полная работа будет определяться только работой образования новой поверхности и называется работой измельчения (полезной работой): Wп~K2 σ l2. (7) При дроблении и измельчении материалы разрушаются по местам прочностных дефектов (трещин). Поэтому при измельчении прочность частиц возрастает, что используется для получения более прочных материалов. В связи с этим можно привести высказывание П. А. Ребиндера: "Путь к прочности материала лежит через его разрушение". Для облегчения диспергирования материалов и снижения энергозатрат обычно используют специальные добавки, называемые понизителями прочности, составляющие ~ 0,1 % от массы измельчаемых веществ. Эффект снижения прочности твердых тел в присутствии понизителей прочности называется эффектом Ребиндера. С помощью этого эффекта можно снизить энергозатраты на получение дисперсных систем примерно наполовину. Действие добавок, представляющих из себя чаще всего поверхностно-активные вещества (ПАВ), сводится, прежде всего, к снижению поверхностного натяжения и уменьшению работы измельчения Wn. Кроме того, добавки, смачивая материал, помогают среде проникнуть в места дефектов твердого тела и, с помощью капиллярных сил, облегчают его разрушение. Рис.1. Вертикальный разрез симметричной трещины, заполненной молекулами ПАВ: а - до разрушения; б - начало разрушения Представим на рис. 1 симметричную трещину, в которой молекулы ПАВ в силу своих размеров не доходят до вершины. В вершине энергия σ02 повышена (рис.2), и она будет стремиться самопроизвольно уменьшиться до σ12 при движения ПАВ к вершине. При этом возникает расклинивающее давление π = - dσ/dу, где dy - увеличение трещины, а dσ - снижение поверхностного натяжения. Общая энергия системы при этом уменьшается, оставаясь высокой в глубине трещины. Рис. 2. Зависимость поверхностной энергии от глубины свободной (а) и заполненной (б) трещины Добавки помогают не только разрушить материал, но и стабилизируют систему в дисперсном состоянии, так как, адсорбируясь на поверхности частиц, мешают их обратному слипанию. Действие понизителей прочности специфично, то есть для определенных поверхностей подходят одни и не подходят другие вещества. Например, для разрушения твердых металлов используют жидкие металлы, для монокристаллов - органические вещества, для твердых солей - расплавы солей, растворы ПАВ, воду и т. д. Минимальный размер частиц, который можно получить методом диспергирования, соответствует микрогетерогенным системам. Для получения ультрамикрогетерогенных систем пользуются методом конденсации. Эффект адсорбционного понижения прочности материалов был открыт П. А. Ребиндером и называется его именем. Он состоит в том, что разрушение тел идет по микротрещинам (дефектам), которые имеются в слабых местах кристаллической решетки, а развитие микротрещины под действием силы идет легче при адсорбции различных веществ из среды. Общее снижение работы диспергирования зависит, не только от степени снижения σ, но и от наличия дефектов в теле и условий проведения процесса. Сама по себе среда не разрушает поверхность тел, а лишь помогает разрушению. В этом отличие этого процесса от коррозии, которая разрушает тело без нагрузки. Эффект Ребиндера широко используется в промышленности. Например, измельчение руды всегда проводят в водной среде в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ). Качество обработки деталей на станках в присутствии эмульсии ПАВ резко повышается, увеличивается срок службы металлорежущего инструмента и снижаются энергозатраты на проведение процесса. В 1928 году он открыл эффект адсорбционного понижения прочности твёрдых тел, получившего в советской научной литературе наименование «Эффекта Ребиндера». Это открытие положило начало новой области знания — физико-химической механике. Им было введено в науку понятие о поверхностной активности, как о строгой термодинамической характеристике поверхностно-активных веществ. В годы Великой Отечественной войны П. А. Ребиндер разработал рецептуру самовоспламеняющейся жидкости, применявшейся для борьбы с танками противника. Он также руководил группой учёных, разработавших машинную смазку для бронетехники, которая не затвердевала и не густела на морозе. жүктеу/скачать 3,51 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|