РОЗДІЛ 2
ОБ'ЄКТИ, МЕТОДИ ТА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ І ОБРОБКИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДАНИХ
2.1. Об'єкти досліджень
Об'єктом дослідження даної роботи є процес адсорбції ПАР різної природи на границі поділу фаз рідина -газ.
Неіонні ПАР представлені гомологічним рядом низькомолекулярних одноатомних насичених спиртів (1-пентанол - С5Н11ОН; 1- гексанол - С6Н13ОН; 1-гептанол - С7Н15ОН; 1-октанол - С8Н17ОН), вміст основної речовини в яких - 99,5%. Ступінь чистоти спиртів перевіряли за експериментально визначеними величинами поверхневого натягу, порівнюючи їх з довідниковими та літературними даними. Результати досліджень будуть описані в третьому розділі роботи. Водні розчини цих спиртів виконували роль модельних систем, на яких досліджували адсорбцію та інтегральні характеристики процесу адсорбції НПАР на границі поділу фаз рідина - газ. Крім розчинів індивідуальних спиртів дослідження проводили також і на їх двокомпонентних розчинах. Це - системи: 1-гексанол - 1-пентанол, 1-гептанол - 1- пентанол, 1-октанол - 1-пентанол, концентрація С5Н11ОН в яких - постійна.
Серед іонних ПАР вибрали аніонну ПАР - натрій додецилсульфат (NaDDS) - С12Н25ОSО3Na, колоїдно чистий препарат виробництва "Синтез ПАР", що містить, відповідно до паспортних даних, 98,5±1,0% основної речовини та дві катіонні ПАР: бромід гексадецилтриметиламонію (цетилтриметиламонію - ЦТАБ) - C19H42NBr, колоїдно чистий препарат фірми Мерк (Німеччина) з вмістом 99,9% основної речовини і хлорид цетилпиридінію (ХЦП) - C21H38NCl, колоїдно чистий препарат виробництва "Синтез ПАР", який по паспортним даним містить, 98,5±1,0% основної речовини.
Для підтвердження ступеня чистоти ІПАР визначали критичну концентрацію міцелоутворення (ККМ) цих речовин на основі ізотерм поверхневого натягу. Одержані результати будуть представлені в третьому розділі.
Також досліджували молібденове скло у двох видах: макроскопічні зразки у вигляді циліндричних капілярів діаметром близько 2 мм - для дослідження явищ змочування та водні силікатні суспензії, в присутності різних концентрацій катіонної ПАР, з діаметром частинок скла < 2,5 мкм, на яких вивчали процеси коагуляції та флотації; водні розчини грунтової витяжки як модельну систему природної води з барвністю 78? Барвн. і мутністю 5,82 мг/дм3 та водні емульсії вазелінового масла з середнім розміром крапель 2 - 4 мкм як модельну систему стічної води, забрудненої нафтопродуктами.
Щодо методів проведення досліджень і обробки експериментальних даних, то одним з основних методів роботи є створений нами метод вимірювання поверхневого натягу рідин, які характеризуються повільним встановленням адсорбційної рівноваги та відмінним від нуля крайовим кутом змочування, який детально буде описаний у наступному розділі. Всі інші методи та методики, що використовуються в роботі, представлені у даному розділі.
2.2. Метод обчислення адсорбції та інтегральних харак-теристик індивідуальних НПАР на границі поділу фаз рідина - газ
2.2.1. О б ч и с л е н н я а д с о р б ц і ї т а і н т е г р а л ь н и х х а р а к т е р и с т и к з а м о д е л л ю н е л о к а л і з о в а н о ї м о н о- ш а р о в о ї а д с о р б ц і ї.
Метод обчислення адсорбції та інтегральних характеристик індивідуальних НПАР на границі поділу фаз рідина - газ, розроблений Побережним В.Я. [116], використовує одержані експериментальним шляхом дані поверхневого натягу. Для оптимізації ізотерм поверхневого натягу і розрахунку параметрів адсорбції застосовується система рівнянь (1.18) і (1.19), на якій базується описана вище (пункт 1.2.4.1.) модель нелокалізованої моношарової адсорбції.
Припустимо, що є експериментальна ізотерма поверхневого натягу - ?і в залежності від Сі?, визначена в N точках (і = 1, 2, ..., N). Для реалізації ефективної процедури оптимізації в систему рівнянь (1.18) і (1.19) введемо безрозмірні величини: концентрацію С = С? / Сm? і поверхневий тиск ? = ?0 -? /?m , де Сm? - максимальне числове значення Сі?, а ?m - максимальне числове значення ?0 -?і . Тоді рівняння (1.18) і (1.19) можна записати у вигляді:
; ( 2.1 )
, ( 2.2 )
де K = exp ; Bd = ; ; ; ? ; Г - поверхнева густина ПАР в адсорбційному моношарі; Гm - поверхнева густина ПАР в гранично-насиченому моношарі; ?m - товщина адсорбційного моношару; ?2 - стала взаємодії адсорбат-адсорбат; W - робота адсорбції.
У відповідності до загальних принципів методу найменьших квадратів [117], для обчислення невідомих параметрів K, Bd, за експериментальними значеннями поверхневого тиску ?і (експ.) шукаємо мінімум функціоналу:
F = . ( 2.3 )
Приймаючи до уваги, що, відповідно рівнянням (2.1) і (2.2),
?і = ? (Сі , K, Bd, ), ( 2.4 )
?і = ? ( ?і, Bd, ), ( 2.5 )
де ?і і ?і - теоретичні (розрахункові) значення відносної адсорбції і поверхневого тиску в точці, яка відповідає концентрації Сі. Обчислюємо нев'язки:
( 2.6 )
( 2.7 )
( 2.8 )
Відповідні похідні для співвідношень (2.6) - (2.8) знаходимо із рівнянь (2.1) і (2.2):
, ( 2.9 )
, ( 2.10 )
, ( 2.11 )
, ( 2.12 )
, ( 2.13 )
. ( 2.14 )