Построение термодинамической оценки эффекта Ребиндера при двухкомпонентной адсорбции на твердой поверхности с учетом ее деформации и электрического заряда на ней
- Authors: Подгаецкий Э.М.1
-
Affiliations:
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики РАН
- Issue: Vol 60, No 5 (2024)
- Pages: 481-486
- Section: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ
- URL: https://journals.rcsi.science/0044-1856/article/view/277782
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044185624050037
- EDN: https://elibrary.ru/MUBLDK
- ID: 277782
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 безразмерного поверхностного натяжения тонкого межфазного слоя границы раствор/твердая поверхность, содержащего добавку ПАВ с его безразмерной объемной концентрацией в жидкости с и с учетом деформации твердой поверхности и безразмерной поверхностной плотности электрического заряда . 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 , как функции от . Знак величины является согласно Ребиндеру критерием качества эффекта: при < 0 должно происходить разупрочнение твердой поверхности либо облегчение ее деформации при тех же силовых нагрузках, а при > 0 должно быть упрочнение твердой поверхности или затруднение ее деформации при тех же силовых нагрузках.
Выражение величины 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 . Без ограничения малых , т.е. для конечных , в [12] выведено эквивалентное выражение
(1)
где функция А(Г) строится по изотерме адсорбции актуального адсорбата на не заряженной и не деформированной твердой поверхности, -безразмерное значение электрического потенциала твердой фазы, параметр z введен в последующих работах
] (1а)
и связан линейно (1а) с параметрами и интегрирования дифференциальных уравнений по теории [12], а функция , одна из определяемых уравнениями совместности в [12], при конечных предполагается от не зависящей,
(1в)
что приводит к равенству [12]
(1с)
Как следует из примера (1) величина 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)
(2)
что делает зависимость приращения от функции А(Г) более сложной
Вывод далее функции с учетом наличия в растворе и на поверхности второго ПАВ приведет к дополнительным интегральным операторам, усложняющим анализ функции . Но при этом появляющиеся дополнительные параметры могут облегчить задачу оптимизации, трудно решаемую при однокомпонентной адсорбции.
ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Для поставленной задачи вывода функции выпишем систему уравнений совместности, выведенных из равновесных уравнений термодинамики в [13] для случая двухкомпонентной адсорбции
, (3a)
, (4a)
, (5a)
, (6a)
, (7a)
, (8a)
, (3b)
, (4b)
, (5b)
, (6b)
, (7b)
. (8в)
где величины
, (9a)
, (9b)
, (10a)
, (10b)
, (11a)
. (11b)
а уравнения изотерм адсорбции для компонент “а” и “в” строятся в форме
, (12a)
(12b)
и функция f в уравнениях (3а)–(8в) определяется равенствами
, (13)
которые используют условие
(13а)
Краевым условием при решении уравнений совместности (3а)–(8в) служат уравнения изотерм адсорбции для каждой компоненты “а” и “в”, в которые входят функции , задаваемые либо экспериментально либо феноменологически для незаряженной и не деформированной твердой поверхности
А1(Г1, Г2), (14a)
А2(Г1, Г2), (14b)
где – 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 – , которое здесь будем рассматривать в модели Фрумкина [10], c обобщением зависимости q от [13]
, (15)
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 ПРИ МАЛЫХ ИЗ УРАВНЕНИЙ СОВМЕСТНОСТИ
Из уравнения (15) прежде всего следуют равенства
. (16)
Из (3а), (3в), (4а), (4в), (5а), (5в), (16) имеем
, (17)
, (18)
, (19)
, (20)
. (21)
Далее будем полагать
(22)
и для всех функций от ограничиваться с учетом (22) нулевым порядком точности, т.е. полагать . Из (17) тогда имеем
. (23)
Из определения функции f в (13) и равенства (23) получим
. (24)
Выразим теперь производные
из равенств (9а) и (9в) через функции при
, (25а)
, (25в)
где
(26)
Проинтегрируем теперь равенство (25а) по от 0 до , а равенство (25в) по Г2 от 0 до Г2
, (27а)
. (27в)
Выразим теперь два представления функции , получаемые из (27а) и из (27в)
, (28а)
. (28в)
Приравнивая (28а) и (28в), получим связь величин и
. (29)
Подставляя из (29) в (28а), найдем
. (30)
Чтобы вывести приращение далее представим его в виде
. (31)
где с учетом (30)
, (32)
. (33)
Приращение величины в (33) по аргументу Г1 выполняется при Г2 = 0, т.е. в отсутствие адсорбции частиц “в”, что сильно облегчает вывод величины для частных моделей адсорбционного слоя . Для вывода далее примем условие (1в) при однокомпонентной адсорбции частиц “а”, т.е. при Г2 = 0. Это условие позволяет воспользоваться представлением величины при согласно [12] в виде
, (34)
где za – функция-параметр, соответствующий случаю Г2=0 по теории [12] и при 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
, (35)
который имеет положительное (> 0) значение, если вследствие адсорбции происходит разупрочнение твердой поверхности или облегчение ее деформации при тех же силовых нагрузках. А при < 0 имеет место ,наоборот-упрочнение твердой поверхности разрушаемого тела после адсорбции, что может приводить к повышению износа инструментов разрушения твердой поверхности.
Используя обозначение (35) из (31)–(33) найдем
. (36)
Формула величины в (36) может быть уточнена, применяя в ней равенство для функции , выведенное в принятых условиях в [13],
(37)
а для функции 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
, (38)
что совпадает со значением величины при однокомпонентной адсорбции частиц “a”, получаемой из (1) и впервые выведенной в [12] также при условии (1в) и при конечных .
Построение функции в зависимости от с1 или с2 неизбежно будет использовать уравнения изотерм компонент “a” и “в” [3]
(39)
Из (39) следует, что наиболее эффективными, т.е. влияющими, являются параметры .
Наличие у функции (36) дополнительных параметров, прибавляемых изотермой адсорбции частиц “b” (14b), позволяет ставить в будущем вопрос о поиске условий, при которых оценка (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
- Ребиндер П.А. Сборник докладов на VI cъезде физиков. М.: ОГИЗ. 1928 г. C. 29.
- Ребиндер П.А., Шрейнер Л.А., Жигач К.Д. Понизители твердости в бурении. М., Л.: АН СССР. 1944. 199 с.
- Попов С.М. // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2015. № 8. C. 49.
- Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. // Успехи физических наук. 1972. Т. 108. Вып. 1. C. 3.
- Михайлов Н.Н., Попов С.Н. // Вестник ЦКР Роснедра. 2015. № 3. C. 17.
- Латышев О.Г. Разрушение горных пород. М.: Теплотехника. 2007. 672 с.
- Евсеев В.Д. // Бурение и нефть. 2010. № 9. C. 16.
- Подгаецкий Э.М. // Электрохимия. 1999. Т. 35. C. 528.
- Подгаецкий Э.М. // Электрохимия. 2005. Т. 41. C. 20.
- Фрумкин А.Н. // Тр. хим. ин-та им. Л. Я. Карпова. Т. 4. C. 56. Т. 5. C. 3.
- Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. Т. 49. C. 155.
- Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2014. Т. 50. № 4. C. 339.
- Подгаецкий Э. М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2023. Т. 59. C. 353.
- Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. C. 237.
- Боярская Ю.С., Грабко Д.З., Кац М.С. Физика процессов микроиндентирования. Кишинев. 1986. Изд. Штиница, 293 с.
- Подгаецкий Э.М. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2017. Т. 53. C. 572.
Supplementary files
