влияние поверхностно активных веществ на смачиваемость

ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА
УДК 662.785:669.1
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА СМАЧИВАЕМОСТЬ
СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Шишацкий А.Г., к.т.н.,доц., Пицык Ю.В., асс.
Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара
пр. Гагарина, 72, 49060, г. Днепропетровск, Украина
Е-mail: [email protected]
Исследованы физико-химические свойства растворов поверхностно-активных веществ: поверхностное натяжение и краевой угол смачивания Также была определена оптимальная концентрация ПАВ для улучшения
процессов смачивания и слипаемости. Была выявлена целесообразность применения поверхностно-активных
веществ для пылеподавления и улучшения экологического состояния в целом.
Ключевые слова: поверхностное натяжение, поверхностно-активные вещества, пылеподавление, смачиваемость, слипаемость.
Введение. В настоящее время в общем объеме
газопылевых выбросов в атмосферу наибольшая
доля приходится на пыль, которая представляет значительную опасность для окружающей среды и человека. Одним из основных источников загрязнения
атмосферного воздуха пылью являются предприятия
черной металлургии, горнодобывающей и других
отраслей промышленности. Выбросы промышленных предприятий этих отраслей на сегодняшнем
этапе развития достигли таких масштабов, что в некоторых районах, особенно в крупных промышленных центрах, уровни загрязнения объектов окружающей среды существенно превышают допустимые санитарные нормы, в результате чего заводские
районы некоторых крупных городов становятся непригодными для проживания. Именно поэтому снижение выбросов пыли является одной из важнейших
задач охраны окружающей среды.
Анализ предыдущих исследований. Для предотвращения загрязнения атмосферного воздуха
пылью, выбрасываемой промышленными предприятиями, отходящие газы подвергаются очистке в
пылеулавливающих устройствах. Однако эксплуатируемые системы очистки в большинстве случаев не
обеспечивают достаточной степени улавливания пыли, а их модернизация требует значительных капитальных затрат. Поэтому, как показала практика, пылегазовыделения можно з н а чительно сократить путем их подавления в источнике образования, а также
осуществления ряда мероприятий технологического
и планировочного характера. Одним из методов пылеподавления является улучшения смачиваемости и
слипаемости частиц пыли.
В основном, промышленные пыли являются гидрофобными. При использовании для орошения чистой воды, поверхностное натяжение которой составляет около 72 мДж/м2, происходит недостаточное смачивание пыли, и зачастую эта пыль опять
переходит во взвешенное состояние, загрязняя атмосферный воздух.
Большинство современных методов управления
смачиванием в различных технологических процессах основано на применении растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1,2]. Эти вещества
могут адсорбироваться на поверхности раздела фаз,
значительно снижая поверхностное натяжение. Для
большинства ПАВ присуще линейное строение молекул, в котором длина значительно превышает поперечные размеры. С увеличением углеводородного
радикала возрастает поверхностная активность веществ – свойство ПАВ понижать поверхностное
натяжение на той или иной поверхности раздела
фаз. Один конец таких молекул представляет собой
гидрофобный водородный радикал, характеризующийся слабыми побочными валентными силами, а
другой – гидрофильные или полярные группы, обладающие резко выраженными валентными силами
[3]. Вследствие пленочной адсорбции молекул ПАВ
на границе раздела фаз «жидкость-твердая частица»
происходит снижение поверхностного натяжения,
что, в свою очередь, приведет к уменьшению краевого угла смачивания, а, следовательно, улучшению
и ускорению процесса смачивания дисперсных материалов. При этом за счет увеличения сил адгезии
повышается слипаемость частиц.
Необходимо отметить, что концентрация ПАВ в
адсорбционном слое на несколько порядков выше,
чем в растворе. Поэтому даже незначительное количество ПАВ в растворе приводит к понижению поверхностного натяжения. Безусловно, повышение
концентрации ПАВ в растворе приводит к дальнейшему снижению поверхностного натяжения и
улучшению смачивания. Однако это происходит до
некоторого определенного значения концентрации,
после чего снижения поверхностного натяжения не
наблюдается.
Цель работы. Выполнение комплекса физикохимических исследований растворов ПАВ, а именно
определения поверхностного натяжения, краевого
угла смачивания и оптимальной концентрации ПАВ.
Материал и результаты исследования. В настоящее время существует огромное разнообразие
поверхностно-активных веществ. Для исследований
в данной работе нами было выбрано анионактивное
ПАВ на основе триэтаноламиновых солей (ТЭАС).
Определение вышеназванных характеристик
осуществлялось на растворах ПАВ, приготовленных
на дистиллированной, водопроводной и морской
воде (использовалась вода, отобранная из акватории
Азовского моря). Указанные характеристики определялись как на чистой воде, так и на растворах
ПАВ. Концентрации ПАВ в воде (по массе) состав-
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
117
ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА
ляли от 0,1 до 5%. Данные измерения поверхностного натяжения (мДж/м2) приведены в табл. 1 и на рис.
1.
Таблица 1 – Зависимость величины поверхностного натяжения (мДж/м2) от концентрации
ПАВ в растворах (%)
Величина поверхностного натяжения
(мДж/м2) при концентрациях ПАВ в водных растворах (вес. %)
Вид
воды
1
2
3
0
0,1
0,25
0,5
1
3
5
72
71,9
74,4
70,43
67,88
62,93
66,03
61,93
53,3
61,3
53,3
45,3
52,9
43,5
34,3
37,7
31,7
28,1
33,1
28,4
26,3
1 – дистиллированная; 2 – водопроводная;
3 – морская.
80
Поверхностное натяжение, мДж/м2
70
1
2
60
3
50
40
30
20
0
1
2
3
4
5
6
Концентрация ПАВ, %
Рисунок 1 – Зависимость поверхностного
натяжения от концентрации ПАВ в растворах
1 – дистиллированная; 2 – водопроводная;
3 – морская.
Из приведенных данных видно, что с помощью
добавления даже незначительного количества поверхностно-активного вещества (0,5-2% по массе)
можно добиться снижения поверхностного натяжения с 72 до 30 мДж/м2, что способствует улучшению
смачивания пыли.
Было установлено, что для растворов ТЭАС
уменьшение поверхностного натяжения в 2 раза в
дистиллированной воде наблюдалось при концентрации ПАВ в водном растворе около 3,5%, в водопроводной – при концентрации 2%, а в морской воде – при концентрации 1%.
Как видно из приведенных на рис. 1 результатов
исследования дальнейшее увеличение концентрации
этих растворов ПАВ не приводит к значительному
уменьшению поверхностного натяжения. Это свидетельствует о том, что при указанных концентрациях
ТЭАС происходит практически полное насыщение
адсорбционных слоев молекул этим ПАВ на границе
раздела «жидкость-газ».
Обработка сыпучих материалов растворами ПАВ
может осуществляться как орошением источника
пылеобразования или сыпучих материалов, так обработкой в пенном режиме (пену можно получить с
помощью пеногенератора из водных растворов пенообразователей). Последний способ является более
эффективным и имеет целый ряд преимуществ. Вопервых, с помощью пены можно добиться изоляции
непосредственно источника пылеобразования. Вовторых, за счет более продолжительного (в несколько раз) времени взаимодействия слоя пены с пылью
смачивающие способности растворов ПАВ используются в более полной мере по сравнению с орошением, так как на формирование адсорбционного
слоя молекул ПАВ на поверхности раздела фаз требуется не менее 0,5 с, а капельки раствора ПАВ из
форсунок долетают до зоны взаимодействия с пылью за время 0,1-0,2 с. В-третьих, силы адгезии частиц пыли с пузырьками пены всегда больше, чем с
поверхностью соответствующего раствора ПАВ.
Поэтому частицы пыли, особенно в сыпучем твердом материале, интенсивно переходят в жидкую
фазу, легко слипаются. В зоне контакта частиц пыли
с пеной протекает интенсивное разрушение пузырьков пены, и при этом образованный жидкий раствор
ПАВ затрачивается на смачивание сухой поверхности сыпучего материала и частиц пыли, которые не
вступали во взаимодействие с пузырьками пены.
Тем самым процесс связывания пыли протекает как
во время его взаимодействия с пеной, так и в процессе взаимодействия с освобожденной из пузырьков жидкостью.
Помимо исследования поверхностного натяжения водных растворов ПАВ нами было исследованы
значения краевых углов смачивания данных растворов при различных концентрациях.
Данные измерения краевого угла смачивания
(град.) приведены в табл. 2 и на рис. 2.
Таблица 2 - Зависимость величины краевого
угла смачивания (град.) от концентрации ПАВ в
растворах (%)
Величина краевого угла смачивания (град.)
при концентрациях ПАВ в водных раствоВид
рах (вес. %)
воды
1
2
3
0
0,1
0,25
0,5
1
3
5
68,2
63,1
67,6
65,9
60,8
63,6
63,1
57,3
59
61,3
54,5
53,3
57,9
48,7
44,7
50,4
35,5
32,7
45,9
33,8
28,7
1 – дистиллированная; 2 – водопроводная;
3 – морская.
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
118
ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА
75
70
1
Краевой угол смачивания, град.
65
2
60
3
55
50
45
40
35
30
25
0
1
2
3
4
5
6
Концентрация ПАВ, %
Рисунок 2 – Зависимость краевого угла смачивания
от концентрации ПАВ в растворах
1 – дистиллированная; 2 – водопроводная;
3 – морская.
При использовании чистой воды значение
краевого угла смачивания составляло около 67 град.
При исследовании водных растворов с добавлением
незначительных количеств ПАВ (от 0,1 до 5% по
массе) значение краевого угла смачивания
уменьшается. Причем наибольшее снижение
краевого угла (до 35 град.) наблюдалось при
применении для приготовления растворов ПАВ
морской и водопроводной воды, а при исследовании
растворов, приготовленных на дистиллированной
воде, наблюдалось не столь значительное его
снижение (около 50 град.). Нами было установлено,
что оптимальная концентрация ПАВ для улучшения
процесса смачивания составляет приблизительно
3% (по массе). При дальнейшем увеличении
концентрации
ПАВ
в
дистиллированной,
водопроводной и морской воде уменьшения
краевого угла смачивания не наблюдается.
Выводы. Таким образом, в данной работе нами
была
исследована
возможность
управления
смачиваемостью пылевых частиц с помощью
обработки
сыпучих
дисперсных
материалов
водными растворами ПАВ. В результате ряда
экспериментальных физико-химических исследований растворов ПАВ, а именно определения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, была найдена оптимальная концентрация ПАВ
для улучшения процессов смачивания, которая составила 2-3% по массе. Улучшения смачиваемости и
слипаемости способствуют уменьшению пылеобразования, следовательно, применение пенообразователей является целесообразным для борьбы с пылью
и улучшению экологического состояния крупных
промышленных центров.
ЛІТЕРАТУРА
1. Смачивание пыли и контроль запыленности
воздуха в шахтах / под ред. В.В. Кудряшова. – М.:
Наука, 1979. – 196 с
2. Пат. 200512496 Україна, МПК С22В 5/20
Спосіб виробництва агломерату / С.П. Фомін, В.Т.
Агапова, А.Г. Шишацький та ін. - №15185; заявл.
26.12.2005; опубл.15.06.2006, Бюл.№6.
3. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их
получения и разрушения. – М.: Химия, 1975. – 262 с.
Стаття надійшла 22.04.2010р.
Рекомендовано до друку к.т.н., доц.
Бахарєвим В.С.
ВПЛИВ ПОВЕРХНЕВОАКТИВНИХ РЕЧОВИН НА ЗМОЧУВАНІСТЬ СИПУЧИХ
МАТЕРІАЛІВ
Шишацький А.Г., к.т.н., доц., Піцик Ю.В., ас.
Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара
пр. Гагаріна, 72, 49060 м. Дніпропетровськ, Україна
Е-mail: [email protected]
Досліджено фізико-хімічні властивості розчинів поверхнево-активних речовин: поверхневий натяг і крайовий кут змочування, а також було визначено оптимальну концентрацію ПАР для поліпшення процесів змочування і злипаємості. Було виявлено доцільність застосування поверхнево-активних речовин для знепилення і
поліпшення екологічного стану в цілому.
Ключові слова: поверхневий натяг, поверхнево-активні речовини, знепилення, змочуваність, злипаємість.
INFLUENCE SURFACTANT SPECIE ON WETTABILITY OF BULK SOLIDS
Shishackiy A.G., Cand.Sc.(Tech.), Assoc.Prof.; Picyk J.V., as.
Dnepropetrovsk National University the name of Olesya Gonchara
49060 Dnepropetrovsk Gagarin St., 72, Ukraine
Е-mail: [email protected]
Physical and chemical properties of solutions of surfactant species: surface-tension and regional corner of moistening are investigated in this article; and an optimum concentration of surfactant species for the improvement processes of
moistening and adhesiveness was determined. Expedience of application surfactant species for dust suppression and
improvement of the ecological state on the whole was shown.
Key words: surface-tension, surfactant species, dust suppression, wettability, adhesiveness.
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
119