Построение термодинамической оценки эффекта Ребиндера при двухкомпонентной адсорбции на твердой поверхности с учетом ее деформации и электрического заряда на ней

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

В рамках термодинамической теории равновесной двухкомпонентной адсорбции из жидкости на плоской твердой поверхности с учетом ее деформации и наличия на ней электрического заряда при малых деформациях твердой фазы выводится аналитически для модели поверхностного слоя Фрумкина выражение приращения поверхностного натяжения межфазного слоя как функции четырех параметров состояния равновесной системы: двух плотностей адсорбции обоих компонентов, электрического потенциала и деформации твердой поверхности.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Открытый П.А. Ребиндером еще в начале ХХ века [1] эффект действия различных поверхностно активных веществ (ПАВ) в жидкости, омывающей твердую поверхность (от простых электролитов до очень химически сложных с невыясненной химической формулой) на характеристики разнообразных технических процессов (например, при бурении геологических пород [2] – скорость бурения , и другие их физические и механические свойства [3], а также деформационные характеристики металлов [4]) привел с одной стороны к многочисленным и разнообразным исследованиям этого воздействия [5]. Но с другой стороны затянулось отсутствие убедительных теорий этого эффекта, получившего название эффекта Ребиндера. Что вынудило технологов промышленных процессов ограничиваться экспериментальным их тестированием, весьма обременительным из-за большого числа и разнообразия актуальных физических факторов, и привело к монополии “эмпиризма” [6]. Последствия такого дефицита побуждают некоторых “пессимистов” даже отрицать практическую применимость эффекта Ребиндера [7].

Построенная ранее [8–9] термодинамическая теория однокомпонентной адсорбции из жидкого раствора на твердой поверхности позволила выразить аналитически приращение Δσrσr(ϕ,Г,ϑ)σr(ϕ,0,ϑ) безразмерного поверхностного натяжения σr тонкого межфазного слоя границы раствор/твердая поверхность, содержащего добавку ПАВ с его безразмерной объемной концентрацией в жидкости с и с учетом деформации твердой поверхности ϑ и безразмерной поверхностной плотности электрического заряда q. Вошедшая в эту зависимость функция, эквивалентная уравнению изотермы адсорбции ПАВ на недеформированной и не заряженной поверхности, вносит ясность в вопрос о том, на чем базируется определение величины Δσr, как функции от ñ. Знак величины Δσr является согласно Ребиндеру критерием качества эффекта: при Δσr< 0 должно происходить разупрочнение твердой поверхности либо облегчение ее деформации при тех же силовых нагрузках, а при Δσr> 0 должно быть упрочнение твердой поверхности или затруднение ее деформации при тех же силовых нагрузках.

Выражение величины Δ¯σrΔσr для однокомпонентной адсорбции в случае линейной зависимости заряда q от безразмерной плотности Г адсорбата, т.е. по модели Фрумкина [10] , впервые получено в [11] при малых ϑ. Без ограничения малых ϑ, т.е. для конечных ϑ, в [12] выведено эквивалентное выражение

Δσσr(ϕ,0,ϑ)σr(ϕ,Г,ϑ)=0ГГlnAГdГzГ

Δσσr(ϕ,0,ϑ)σr(ϕ,Г,ϑ)=0ГГlnAГdГzГ (1)

где функция А(Г) строится по изотерме адсорбции актуального адсорбата на не заряженной и не деформированной твердой поверхности, ϕ-безразмерное значение электрического потенциала твердой фазы, параметр z введен в последующих работах

z(1+ϑ)[g(ϕ)+k0]] (1а)

и связан линейно (1а) с параметрами g(ϕ) и k0 интегрирования дифференциальных уравнений по теории [12], а функция γϑГ(ϕ,ñ,ϑ)ϑ, одна из определяемых уравнениями совместности в [12], при конечных ϑ предполагается от ϑ не зависящей,

γϑГ(ϕ,с,ϑ)ϑγϑ(Г,ϕ) (1в)

что приводит к равенству [12]

γϑ=À(g+k0)A'À'ÀГ (1с)

Как следует из примера (1) величина Δσr может зависеть не только от функции А(Г), т.е. от величины адсорбции в точке Г, но также и от интегрального оператора I(Г) по функции А(Г), как, например, в (1)

I=0ÃÃlnAГdà(2)

что делает зависимость приращения Δσr от функции А(Г) более сложной

Вывод далее функции Δσr с учетом наличия в растворе и на поверхности второго ПАВ приведет к дополнительным интегральным операторам, усложняющим анализ функции Δσr. Но при этом появляющиеся дополнительные параметры могут облегчить задачу оптимизации, трудно решаемую при однокомпонентной адсорбции.

ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Для поставленной задачи вывода функции Δσr выпишем систему уравнений совместности, выведенных из равновесных уравнений термодинамики в [13] для случая двухкомпонентной адсорбции

2qГ12=Raφ, (3a)

2qГ2Г1=fφ, (4a)

2qГ1ϑ=Yaφ, (5a)

RaГ2=fГ1, (6a)

Raϑ=YaГ1, (7a)

YaГ2=fϑ, (8a)

2qГ22=Rbφ, (3b)

2qГ1Г2=fφ, (4b)

2qГ2ϑ=Ybφ, (5b)

RbГ1=fГ2, (6b)

Rbϑ=YbГ2, (7b)

YbГ1=fϑ. (8в)

где величины Ra,  Rb,  Ya,   Yb

RaD11(σrГ1D2f), (9a)

RbD21(σrГ2D1f), (9b)

YaγaRa+γbf, (10a)

YbγbRb+γaf, (10b)

D1Г1+(1+ϑ)γa, (11a)

D2Г2+(1+ϑ)γb. (11b)

а уравнения изотерм адсорбции для компонент “а” и “в” строятся в форме

с1=exp(w1), (12a)

c2=exp(w2) (12b)

и функция f в уравнениях (3а)–(8в) определяется равенствами

f=w1Г2=w2Г1, (13)

которые используют условие

dW1Г1W2Г2W2Г1W1Г20 (13а)

Краевым условием при решении уравнений совместности (3а)–(8в) служат уравнения изотерм адсорбции для каждой компоненты “а” и “в”, в которые входят функции А1(Г1,  Г2)  А2(Г1,Г2), задаваемые либо экспериментально либо феноменологически для незаряженной и не деформированной твердой поверхности

B1c1ϑ=0φ=φ0= А11, Г2), (14a)

B2c2ϑ=0φ=φ0= А21, Г2), (14b)

где φ0 – заданное значение электрического потенциала, при котором выполнены условия отсутствия заряда на твердой поверхности и ее деформации.

Для замкнутости уравнений совместности, т.е. для существования их решения, необходимо ввести уравнение поверхностного слоя – выражение функции q(φ, Г1,  Г2,ϑ) – , которое здесь будем рассматривать в модели Фрумкина [10], c обобщением зависимости q от ϑ[13]

q=ε0(φ,ϑ)+ε1a(φ)Г1+ε1b(φ)Г2+(Г1g'1+Г2g'2)ϑ, (15)

g'1dg1dφ,  g'2dg2dφ

Равенство (15) соответствует модели Фрумкина [10] и ситуации, когда в твердой поверхности имеется имманентный механизм образования при ее деформации новых центров адсорбции [14].

ВЫВОД ВЕЛИЧИНЫ Δσr ПРИ МАЛЫХ ϑ ИЗ УРАВНЕНИЙ СОВМЕСТНОСТИ

Из уравнения (15) прежде всего следуют равенства

2qГ1Г2=2qГ2Г1=0. (16)

Из (3а), (3в), (4а), (4в), (5а), (5в), (16) имеем

fφ=0, (17)

Raφ=0, (18)

Rbφ=0, (19)

Yaφ=g'1, (20)

Ybφ=g'2. (21)

Далее будем полагать

ϑ<<1 (22)

и для всех функций от ϑ ограничиваться с учетом (22) нулевым порядком точности, т.е. полагать ϑ=0. Из (17) тогда имеем

ffϑ=0f0(Г1,Г2). (23)

Из определения функции f в (13) и равенства (23) получим

f0=lnA1Г2=lnA2Г1. (24)

Выразим теперь производные

σrГ1ϑ=0и   σrГ2ϑ=0

из равенств (9а) и (9в) через функции Ra,  Rb при ϑ=0,  

σrГ1ϑ=0  =(Г1+γ0а)R0a+(Г2+γ0в)f0, (25а)

σrГ2ϑ=0=(Г2+γ0b)R0b+(Г1+γ0a)f0, (25в)

где

γ0aγaϑ=0,  γ0bγbϑ=0,  R0aRaϑ=0,  R0bRbϑ=0. (26)

Проинтегрируем теперь равенство (25а) по Г1 от 0 до Г1, а равенство (25в) по Г2 от 0 до Г2

0Г1σrГ1ϑ=0ϕ=ϕ0dГ1=σr(φ,Г1,Г2,  0)σr(φ,0,Г2,  0)==0Г1(Г1+γ0а)R0adГ1+0Г1(Г2+γ0в)f0dГ1, (27а)

0Г2σrГ2ϑ=0dГ2=σr(φ,Г1,Г2,  0)σr(φ,Г1,0,  0)==0Г2(Г2+γ0в)R0вdГ2+0Г2(Г1+γ0а)f0dГ2. (27в)

Выразим теперь два представления функции σr(φ,Г1,Г2,  0), получаемые из (27а) и из (27в)

σr(φ,Г1,Г2,  0)=σr(φ,0,Г2,  0)++0Г1(Г1+γ0а)R0adГ1+0Г1(Г2+γ0в)f0dГ1, (28а)

σr(φ,Г1,Г2,  0)=σr(φ,Г1,0,  0)+0Г2(Г2+ γ0в)R0вdГ2+0Г2(Г1+ γ0а)f0dГ2. (28в)

Приравнивая (28а) и (28в), получим связь величин σr(φ,0,Г2,  0) и σr(φ,Г1,0,  0)

σr(φ,  0,Г2,0)=σr(φ,Г1,0,  0)0Г1(Г1+γ0а)R0adГ10Г1(Г2+γ0в)f0dГ1++0Г2(Г2+γ0в)R0вdГ2+0Г2(Г1+γ0а)f0dГ2. (29)

Подставляя σr(φ,  0,Г2,0) из (29) в (28а), найдем

σr(φ,Г1,Г2,  0)=σr(φ,Г1,0,  0)+0Г2(Г2+γ0в)R0вdГ2+0Г2(Г1+γ0а)f0dГ2. (30)

Чтобы вывести приращение Δσrσr(φ,Г1,Г2,  0)σr(φ,0,0,  0) далее представим его в виде

Δσr=Δ1+Δ2. (31)

где с учетом (30)

Δ1σr(φ,Г1,Г2,0)σr(φ,Г1,0,0)=0Г2(Г2+γ0в)R0вdГ2+0Г2(Г1+γ0а)f0dГ2), (32)

Δ2σr(ϕ,Г1,0,  0)σr(ϕ,0,0,  0). (33)

Приращение величины Δ2 в (33) по аргументу Г1 выполняется при Г2 = 0, т.е. в отсутствие адсорбции частиц “в”, что сильно облегчает вывод величины Δ2 для частных моделей адсорбционного слоя . Для вывода  Δ2 далее примем условие (1в) при однокомпонентной адсорбции частиц “а”, т.е. при Г2 = 0. Это условие позволяет воспользоваться представлением величины Δ2 при ϑ=0 согласно [12] в виде

Δ2ϑ=0σr(φ,Г1,0,0)σr(φ,0,0,0)=0Г1Г1lnA1(Г1,0)Г1dГ1+zaГ1, (34)

где za – функция-параметр, соответствующий случаю Г2=0 по теории [12] и при ϑ=0 равен выражению (1а), а функция А1 в (34) задается в (14а) и может быть определена экспериментально по изотерме индивидуальной адсорбции частиц “а” на недеформированной и электронейтральной твердой поверхности. Либо построена феноменологически.

Для семантического удобства в [16] был введен критерий эффекта Ребиндера в виде

Δ¯σΔσr, (35)

который имеет положительное (Δ¯σ> 0) значение, если вследствие адсорбции происходит разупрочнение твердой поверхности или облегчение ее деформации при тех же силовых нагрузках. А при Δ¯σ< 0 имеет место ,наоборот-упрочнение твердой поверхности разрушаемого тела после адсорбции, что может приводить к повышению износа инструментов разрушения твердой поверхности.

Используя обозначение Δ¯σ (35) из (31)–(33) найдем

Δ¯σϑ=0Δ1ϑ=0Δ2ϑ=0=σr(ϕ,Г1,0,0)σr(φ,Г1,Г2,0)+σr(φ,0,0,0) σr(φ,Г1,0,0)=0Г2(Г2+γ0b)R0bdГ20Г2(Г1+γ0a)f0dГ2+0Г1Ã1lnA1(Г1,0)Г1dГ1zaГ1. (36)

Формула величины Δ¯σ в (36) может быть уточнена, применяя в ней равенство для функции R0a, выведенное в принятых условиях в [13],

R0a=lnA1(Г1,Г2)Г1,   (37)

а для функции f0 формулу (24), параметр za при этом определяется в (1а)

Чтобы реализовать в (31) предельный переход к случаю однокомпонентной адсорбции , например, компонента “а”, достаточно положить в (31) Г2 = 0. Тогда первые два интегральные операторы очевидно обратятся в нуль, а третий от Г2 не зависит по определению

С учетом (36), (32), (33) из (31) найдем

Δ¯σГ2=0ϑ=00Г1Г1ln(Г1,0)Г1dГ1  zaГ1, (38)

что совпадает со значением величины Δ¯σϑ=0 при однокомпонентной адсорбции частиц “a”, получаемой из (1) и впервые выведенной в [12] также при условии (1в) и при конечных ϑ.

Построение функции Δ¯σϑ=0 в зависимости от с1 или с2 неизбежно будет использовать уравнения изотерм компонент “a” и “в” [3]

B1c1exp{φ0φε1adφ}=A1(Г1  ,Г2),B2c2exp{φ0φε1bdφ}=А2(Г1,Г2). (39)

Из (39) следует, что наиболее эффективными, т.е. влияющими, являются параметры B1,B2,ε1a,ε1b.

Наличие у функции (36) дополнительных параметров, прибавляемых изотермой адсорбции частиц “b” (14b), позволяет ставить в будущем вопрос о поиске условий, при которых оценка Δ¯σϑ=0 (36) может значительно прирасти даже для малых значений Г2. Что позволит подвинуть по оси концентрации с1 точку максимального или экстремального значения области избирательности эффекта Ребиндера малыми добавками второго компонента адсорбции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованием уравнений совместности при термодинамическом описании двухкомпонентной равновесной адсорбции из жидкости на твердой поверхности в случае модели Фрумкина поверхностного слоя выведено аналитически выражение термодинамической оценки приращения поверхностного натяжения межфазного слоя как функции четырех параметров равновесного состояния: двух поверхностных плотностей адсорбций обоих компонентов (частиц “а” и частиц “в”), потенциала электрического поля в тонком межфазном слое твердая поверхность/жидкость, и малая величина деформации этой поверхности.

×

About the authors

Э. М. Подгаецкий

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики РАН

Author for correspondence.
Email: podgaetsky@mail.ru
Russian Federation, Ленинградский просп., 7, стр. 1, Москва, 119991

References

  1. Ребиндер П.А. Сборник докладов на VI cъезде физиков. М.: ОГИЗ. 1928 г. C. 29.
  2. Ребиндер П.А., Шрейнер Л.А., Жигач К.Д. Понизители твердости в бурении. М., Л.: АН СССР. 1944. 199 с.
  3. Попов С.М. // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2015. № 8. C. 49.
  4. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. // Успехи физических наук. 1972. Т. 108. Вып. 1. C. 3.
  5. Михайлов Н.Н., Попов С.Н. // Вестник ЦКР Роснедра. 2015. № 3. C. 17.
  6. Латышев О.Г. Разрушение горных пород. М.: Теплотехника. 2007. 672 с.
  7. Евсеев В.Д. // Бурение и нефть. 2010. № 9. C. 16.
  8. Подгаецкий Э.М. // Электрохимия. 1999. Т. 35. C. 528.
  9. Подгаецкий Э.М. // Электрохимия. 2005. Т. 41. C. 20.
  10. Фрумкин А.Н. // Тр. хим. ин-та им. Л. Я. Карпова. Т. 4. C. 56. Т. 5. C. 3.
  11. Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. Т. 49. C. 155.
  12. Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2014. Т. 50. № 4. C. 339.
  13. Подгаецкий Э. М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2023. Т. 59. C. 353.
  14. Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. C. 237.
  15. Боярская Ю.С., Грабко Д.З., Кац М.С. Физика процессов микроиндентирования. Кишинев. 1986. Изд. Штиница, 293 с.
  16. Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2017. Т. 53. C. 572.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».