Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса исследования 11-33
1.1. Состояние воздушной среды участка по обработке закладных деталей стройиндустрии 11 -19
1.2. Характеристика основных свойств пыли 19-2 і
1.3. Анализ механизмов процессов гидрообеспыливания 21 -23
1.4. Существующие методы снижения капельного уноса из электрохимических ванн 23-24
1.5. Формирование и физико-химические свойства барботажного аэрозоля 25-29
1.6. Краевой угол смачивания как важный фактор состояния поверхности твердого тела 3()-32
1.7. Макроскопический краевой угол 32-33
ГЛАВА 2 Исследование влияния капель барботажного аэрозоля на эффективность гидрообеспы ливания воздуха 34-41
2.1. Влияние барботажного аэрозоля на эффективность гидрообеспыливания воздуха 34-38
2.2. Исследование влияние растекания жидкости по твердой поверхности при гидроорошении воздуха 38-40
ГЛАВА 3 Исследование барботажного аэрозоля гальванических цехов 41-51
3.1. Исследование влияние глубины погружения подвесок на капельный унос, возникающий в процессе хромирования в гальваническом цехе 41-45
3.2 Снижение уноса с поверхности хромового электролита «методом заглубления» подвесок в гальванической ванне 46-49
3.3 Расчет экономического эффекта по борьбе с капельным уносом за счет заглубления подвесок ванн хромирования 50-51
ГЛАВА 4 Исследования физико-химических особенностей барботажного аэрозоля . 52-100
4.1. Образование и отбор капель барботажного аэрозоля 52-54
4.2. О форме капель на твердой поверхности 54-65
4.3. Методика вычисления равновесного краевого угла смачивания капли, лежащей на твердой поверхности, по данным макроскопических измерений 65-73
4.4. Вычисление равновесных краевых углоэ смачивания капель барботажного аэрЬзоля 74-75
4.5. Исследование рН капель барботажного аэрозоля растворов электролитов в сравнении с объемной фазой 76-79
4.6. Исследование поверхностного натяжения барботажного аэрозоля 79-83
4.7. Кинетика испарения малых капель барботажного аэрозоля с твердых подложек 83-89
4.8. Вычисление концентрации солей капель жидкости барботажного аэрозоля 90-93
4.9. Вычисление адсорбции в водно-солевых системах барботажного аэрозоля 94-100
ГЛАВА 5 Анализ исследования влияния барботажного аэрозоля на процесс гидрообеспыливания и улучшения условия труда рабочих при обработке элементов строительной конструкции 101-108
5.1 Результат внедрения капель жидкости барботажного аэрозоля на процесс пылеподавления в производственных условиях 101-104
5.2 Применение способа «удлинения подвесок» в гальваническом цехе предприятия «Электросигнал» 105-107
5.3 Расчет экономического эффекта процесса снижения запыленности на предприятии ПСМО ДАТ.СТРОИ 108-109
Заключение : 110-112
Список использованной литературы
- Характеристика основных свойств пыли
- Исследование влияние растекания жидкости по твердой поверхности при гидроорошении воздуха
- Снижение уноса с поверхности хромового электролита «методом заглубления» подвесок в гальванической ванне
- Методика вычисления равновесного краевого угла смачивания капли, лежащей на твердой поверхности, по данным макроскопических измерений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Улучшение условий труда работающего персонала на участке гальванической обработки поверхностей закладных изделий строииндустрии и снижение содержания вредных ядовитых веществ в воздухе рабочей зоны чрезвычайно актуально. Современное гальваническое производство занимает одно из лидирующих мест среди загрязнителей воздуха рабочей зоны. Профессиональные заболевания (астма, аллергия, язва внутренних органов, слепота и утрата обоняния), получаемые обслуживающим персоналом в этих цехах, в значительной мере связаны с воздействием на человека вредных производственных факторов на производстве. Основное воздействие на здоровье человека оказывают жидкостные, газообразные и пылевые аэрозоли в воздухе рабочей зоны. При этом значительно снижается производительность труда работников и ухудшается качество выпускаемой продукции.
В технологическом оборудовании гальванических цехов предприятий строииндустрии образуется высокодисперсный жидкостный аэрозоль, который попадает в воздух рабочей зоны и оказывает вредное влияние на здоровье человека.
Другой проблемой, связанной с охраной труда, является высокая запыленность воздуха рабочих зон. В строительстве и промышленности строительных материалов для борьбы с пылевыми выбросами используются процессы гидрообеспыливания с различными способами введения диспергированной жидкости в пылевой поток. Эффективность процесса гидрообеспыливания определяется физико-химическими свойствами жидкости и особенно смачиванием пылевых частиц.
В этой связи особый интерес представляло изучение влияния капель аэрозоля на процесс смачивания и улавливания пылевых частиц.
В силу важности этих проблем для защиты воздуха рабочей зоны, а также для других теоретических проблем представлялось целесообразным изучение физико-химических свойств жидкостного аэрозоля.
Область исследования. Изучение физико-химических процессов, определяющих условия труда в гальванических цехах и на участке изготовления бетонных плит предприятий стройиндустрии.
Цель работы. Улучшение условий труда работников участков обработки металлических элементов строительных конструкций предприятий стройиндустрии, путем оптимизации технологических решений и новых свойств жидкостного аэрозоля для интенсификации процесса гидроообеспыливания.
Основная идея работы. Заключается в использовании новых данных о физико-химических свойствах жидкостного аэрозоля для разработки технических решений, обеспечивающих улучшения условий труда при обработке поверхностей закладных изделий стройиндустрии и повышения эффективности процессов гидрообеспыливния.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов; разработанные автором методы: контроля выброса жидкостного аэрозоля с поверхности гальванической ванны, краевого угла смачивания, измерения поверхностного натяжения, рН, кинетики испарения и концентрации солей малых капель жидкостного аэрозоля; использование статистической обработки экспериментальных данных. Научная новизна работы:
Впервые установлены закономерности изменения физико-химических свойств жидкой фазы аэрозоля в условиях его распространения в воздухе рабочей зоны (поверхностного натяжения, краевого угла смачивания, концентрации электролита, кинетических параметров процесса испарения); установлена новая зависимость для определения краевого угла смачивания, основанная на рассмотрении гидростатического равновесия на периметре смачивания в условиях действия силы тяжести, учитывающая влияние объема капли на краевой угол смачивания, используемая в оценке эффективности процессов гидрообеспыливания.
Впервые установлено явление взрывного характера испарения аэрозоля с гидрофильной поверхности (потеря массы), связанное с разба . лансом ионов в капле, приводящие к изменению дисперсного состава жидкостного аэрозоля, что необходимо учитывать при оценке эффективности процессов удаления вредных веществ из воздуха рабочей зоны; выявлены закономерности снижения концентрации жидкостного аэрозоля в воздухе рабочей зоны с увеличением глубины всплывания пу зыря, позволяющее повысить эффективность снижения вредных выделе ний в воздух рабочей зоны для технологического процесса обработки по верхностей закладных изделий на предприятиях стройиндустрии;
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена применением в опытах реактивов марки «ХЧ», «ЧДА» и «Ч», не содержащих следов поверхностно-активных веществ; приготовлением растворов на бидистиллированной воде; использованием разработанных методов исследования физико-химических свойств растворов электролитов; статистического анализа для большого массива экспериментальных данных (пакет Statistica); относительная погрешность экспериментов находилась в пределах 5% при доверительной вероятности 0,95 и получении прогнозируемого эффекта в практическом использовании.
Практическая ценность работы: предложены и реализованы технологические мероприятия по снижению выделений жидкостного аэрозоля из гальванических ванн уча стка гальванической обработки поверхностей закладных изделий стройин дустрии, заключающиеся в оптимизации глубины погружения подвесок; по данным макроскопических измерений разработана методика определения равновесного краевого угла смачивания Эе как важнейшего параметра эффективности процесса гидрообеспыливания; разработано математическое обеспечение для вычисления краевого угла смачивания 9е; предложен способ измерения поверхностного натяжения для капель жидкостного аэрозоля, параметра, влияющего на процесс гидрообеспыливания; разработаны рекомендаций по повышению эффективности гидрообеспыливания на основе учета свойств жидкостного аэрозоля. Реализация результатов работы: разработанный технологический способ уменьшения выделения жидкостного аэрозоля из гальванических ванн, улучшающий условия труда, внедрен на заводе «Электросигнал» (г. Дербент); методика измерения равновесных краевых углов смачивания жидкостью поверхности твердого тела используется при выполнении научных исследований и лабораторных работ на кафедре общей и неорганической химии ЮРГТУ (НПИ); методика опубликована: «Химические основы технологических процессов. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу химии». Новочеркасск, 1989; «Лабораторный практикум по общей и неорганической химии. Ч. 1.» Новочеркасск, 1999; разработанный способ измерения поверхностного натяжения для капель аэрозоля использован при проведении научных исследований на кафедре общей и неорганической химии ЮРГТУ (НПИ) (рационализаторское предложение внедрено в 1986 г. в Новочеркасском политехническом институте); разработаны и внедрены рекомендации по гидрообеспыливанию жидкостного аэрозоля, снизившие содержание пылевых частиц в воздухе рабочей зоны на участке изготовления бетонных плит предприятии ПСМО ДАГСТРОЙ. Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту: предложенная методика определения равновесного краевого угла смачивания 6е, по данным макроскопических измерений позволяет по форме реальной капли определить равновесный краевой угол Дюпре-Юнга; методика определения концентрации солей в каплях жидкостного аэрозоля обеспечивает возможность оптимизации процесса гидрообеспыливания; методика определения влияния капель жидкостного аэрозоля, объемом 10"6 л, позволяющая повысить эффективность пылеулавливания; методика определения поверхностного натяжения капель жидкостного аэрозоля объемом Ю-6 л, обеспечивающая возможность оптимизации процесса гидрообеспыливания; разработанный автором способ снижения выделения жидкостно го аэрозоля с поверхности электролита позволяет снизить концентрацию вредных веществ в рабочей зоне до уровня ниже ПДК.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (г. Ташкент, 1984 г.), Всесоюзной конференции по пенам (г. Пенза, 1985 г.), Всесоюзной конференции по аэродисперсным системам (г. Одесса, 1988 г.), на Ребиндеровских чтениях в МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва, 1989, 1990 г.г.), Европейской аэрозольной конференции (Цюрих, Швейцария, 1990 г.), Европейской аэрозольной конференции (Кар-лсруе, Германия, 1991 г), на семинарах в ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 126 страницах машинописного текста и содержит 14 таблиц, 26 рисунков и 112 библиографических описании
Характеристика основных свойств пыли
Пыль представляет собой аэрозоли с твердыми частицами дисперсной фазы. Пыль образуется при измельчении твердых тел, при пересыпании, транспортировке сыпучих материалов. В этих случаях мелкие частицы материала захватываются и уносятся потоком воздуха на большие расстояния. Пыль также образуется в процессе обжига или нагрева материала, приводящего к растрескиванию и измельчению твердого тела. Повышение температуры при некоторых процессах может способствовать пылеобразованшо вследствие уменьшения сцепления между отдельными частицами сыпучих материалов или в результате значительного увеличения скорости их движения.
Аэрозоли, образованные в результате механических процессов, содержат частицы размерами не более 5-Ю мкм. Аэрозоли, образованные в промышленных условиях, обычно в большинстве случаев полидисперсные. Многие аэрозоли неустойчивы. Со временем число и масса частиц в единице объема газа меняются. При столкновении частиц образуются крупные агрегаты, т.е. имеет место укрупнение частиц.
К основным свойствам пылевых частиц можно отнести: 1. Химический состав - характерен для данного производства. 2. Токсичность - опасны высокодисперсные пыли высокой концентрации. 3. Воспламеняемость и взрывоопасность. 4. Дисперсность частиц. 5. Плотность частиц. 6. Удельное электрическое сопротивление. 7. Заряд частицы. 8. Слипаемость. 9. Краевой угол смачивания.
Пыль оказывает вредное влияние на здоровье человека. Уже давно отмечена связь легочных расстройств с вдыханием пыли. В Структуре профессиональной патологии, выявленной в 2001 году, основную долю составляют заболевания, обусловленные вредным воздействием пыли (39 % всех заболеваний). Экономические потери от этого составляют более 50 % всего ущерба от профзаболеваний. Угольная и цементная пыль имеют способность медленно накапливаться в легких человека, растягивать их, сдавливать мельчайшие кровеносные сосуды, что, в конце концов, ведет к утрате дыхательной функции, к профессиональным заболеванием - пневмокониозам.
Необходимо отметить, что пылеобразование является не только опасным фактором для человека и окружающей среды, но и сопровождается для производства потерей ценных веществ. Так, в металлургическом производстве многие ценные элементы (уран, ванадий, цинк, цирконий и т.д.) бесследно рассеиваются в атмосфере, загрязняя и отравляя окружающую среду. Основной подход, обеспечивающий сохранность окружающей среды, комплексное использование сырья и побочных продуктов производства, - это создание новых безотходных технологий, замкнутых производственных циклов.
Важнейшей частью любого промышленного производства являются специальные системы пылеулавливания выбросов вредных химических ядовитых ве ществ. Эти системы имеют первостепенное санитарно-гигиеническое и экономическое значение.
Известно, что существующие в настоящее время способы борьбы с пылью на производстве не обеспечивают снижения запыленности воздуха до уровня ПДК. Эффективность комплекса необходимых мероприятий, обеспечивающих снижение запыленности воздуха до санитарных норм, определяет безопасность производства. Решение этой проблемы является сложной инженерной задачей. Поэтому для достижения высокой эффективности пылеулавливания на производстве проблема обеспыливания решается комплексно. Для этого в шахтах, горных выработках, в производственных помещениях предприятий и для открытых пылящих поверхностей обычно применяют, чаще всего, гидрообеспыливание.
Известны разнообразные способы гидрообеспыливания. Это низко и высоконапорное орошение [22-23], предварительное увлажнение пылящего материала [24], пневмогидроорошение [27], пенный способ борьбы с пылью [26], обеспыливание с использованием туманообразователей и пара [28]. Все эти способы гидрообеспыливания основаны на применении воды в качестве средства пылесвязыва-ния и отличаются друг от друга техническим решением (способом диспергирования рабочей жидкости и ее физико-химическими свойствами). Выбор способа гидрообеспыливания обусловлен в основном природой источника пылеобразова-ния. Эффективность различных способов гидрообеспыливания определяется источниками пылеобразования, конструктивными решениями системы, расходом орошающей жидкости, ее давлением и химическим составом.
Исследование влияние растекания жидкости по твердой поверхности при гидроорошении воздуха
Исследованию были подвергнуты следующие твердые поверхности: кварц, уголь марки 1 и графит - материалы различной гидрофильности. Вычисленные равновесные краевые углы воды на этих поверхностях соответственно составили: для кварца - 40, угля - 76, графита - 82 градуса. Равновесные краевые углы вычисляли по данным макроскопических измерений, используя уравнение (28).
Известно, что для полного растекания жидкости по поверхности твердого тела необходимо выполнение условия W W (т.е. работа адгезии (Л К должна быть больше, чем работа когезии) или 5=0. Для достижения этих условий снижали поверхностное натяжение воды путем добавки смачивателя марки ДБ (производство ОАО «Синтез», г. Дзержинск).
Проведенные опыты показали, что при краевых углах 19 градусов и менее раствор жидкости полностью растекается по поверхности угля. Коэффициент растекания S был рассчитан по формуле S = Wa-WK. В табл. 4 приведены результаты расчета коэффициента растекания раствора S по поверхности угля.
Работа гальванических ванн (хромирование, никелирование, цинкование и др.) всегда сопровождается выделением джрулева тепла и электролизом воды. При электролизе во всех применяемых гальванических ваннах на поверхности катода в большем или меньшем количестве выделяется водород. За исключением процесса осаждения меди из кислого электролита, для которого поляризационная кривая находится вне области потенциалов разложения водных растворов.
Процесс выделения водорода на катоде состоит из нескольких стадий:
1. Гидратированный ион водорода, приближаясь к поверхности катода, дигидрируется и в результате освобождается от гидратной оболочки: Н30+ ЬГ+НгО
2. Ионы водорода на поверхности катода разряжаются, нейтрализуясь электроном, и переходят в атомарное соединение: Н+ + е"- Н
3. На последнем этапе два атома водорода объединяются в молекулу. Мо лекулярный водород насыщает раствор и выделяется в виде пузырьков газов.
Н + Н = Н2 Все это приводит к образованию в растворе газовых пузырей, которые всплывают на поверхность электролита и разрываются. Из образовавшейся полости происходит выброс кумулятивной струи, которая, теряя устойчивость, и дробится на капли. Объем капель обычно не превышает КГ6 л. Из таких капель в гальванических цехах образуется устойчивый туман, который потоком воздуха может переноситься на большие расстояния. В некоторых
гальванических цехах содержание локальных концентраций вредных веществ в воздушном пространстве в 3-10 раз превышает ПДК. Из наиболее вредных электролитов следует отметить хромовую кислоту - электролит весьма распространенных гальванических ванн хромирования. С капельным уносом с поверхности электролита теряется до 30-40 % хромовой кислоты [7] от общего ее расхода. В результате требуется проведение частых корректировок электролита. В настоящее время для борьбы с выбросами из гальванических ванн применяют главным образом бортовые отсосы. Унос капель хромовой кислоты бортовыми отсосами при электрохимическом хромировании с поверхности ванны сопровождается последующим выбросом их в окружающую среду с дальнейшим оседанием хрома и его соединений на поверхности почвы. Особенно опасно для окружающей среды соединение хрома G1O3, которое при растворении в воде образует смесь полихромовых кислот. С поверхности почвы хром и его соединения вместе с дождевыми потоками попадают в открытые водоемы, а оставшаяся часть просачивается в почву, загрязняя подземные воды. Предотвращение уноса электролита с поверхности ванны с помощью препарата «хромин» нецелесообразно из-за того, что оказывает неблагоприятное влияние на свойства покрытий (повышение внутренних напряжений, снижение износостойкости и т.д.) [74]. Аналогичный препарат «хромоксан», вводимый в электролит с целью уменьшения уноса из ванны хромирования, приводит к быстрому загрязнению электролита. Это связано с тем, что применяемый для процесса хромирования хромовый ангидрид в электролите образует смесь полихромовых кислот, которые в свою очередь являются сильнейшими окислителями [74]. Применение поплавков в виде шариков или цилиндров из полиэтилена, полистирола, полипропилена или других материалов с целью снижения уноса является неэффективным в связи с тем, что они затрудняют работу при загрузке ванны, а при выгрузке подвесок часть поплавков в месте с деталями выносятся с поверхности электролита. При процессе электролиза эти поплавки скапливают ся по краям ванны и практически не дают никого эффекта, загрязняют электролит органическими соединениями. В результате все это отражается на качестве покрытия.
Таким образом, применение пенообразователей и пластмассовых поплавков при процессе электрохимического хромирования не только затрудняет работу во время загрузки и выгрузки деталей из ванны, а также выходит из строя электролит из-за поступления в ванну органических загрязнений.
Исследования в области процессов барботажа и кипения, выполнявшиеся под руководством д.х.н. профессора Хентова В.Я. и его сотрудников на протяжении длительного времени в РИИЖТе и НПИ, привели автора к разработке оптимального режима работы гальванической ванны.
Для исследования уноса из гальванической ванны был использован электролит хромирования, содержащий хромовый ангидрид (350 г/л.), серную кислоту (2 г/л.), сахарозу (1,5 г/л.) [7]. На ваннах электрохимического хромирования до 90 % всего пропускаемого количество электрического тока на электролиз уходит на выделение водорода на катоде. Это связано с тем, что осаждение хрома в гальванических ваннах протекает при отрицательном потенциале, а водородное перенапряжение на хроме небольшое, поэтому процесс электролиза сопровождается обильным выделением водорода из раствора в виде пузырьков газа на поверхности электролита, которые служат причиной выноса электролита из ванны в воздушно-газовую среду. Максимальное значение выхода хрома по току достигается при определенном соотношении между концентрацией F GrC и постороннего аниона, каковым чаще всего является SO4 ", близко к соотношению 100:1. При этом максимальный выход хрома по току из электролита, содержащего сульфат, не превышает 12-13 %. Остальной пропускаемый электрический ток расходуется на процесс неполного восстановления H GrC (Gr6+ — Gr3+) и выделение водорода.
Снижение уноса с поверхности хромового электролита «методом заглубления» подвесок в гальванической ванне
Таким образом, при погружении подвесок в ванну в процессе электрохимического нанесения антикоррозионных покрытия на глубину 180-280 мм происходит двукратное уменьшение капельного уноса с поверхности хромового электролита и устанавливается постоянная частота генерации капель из гальванической ванны. При этом размеры крупных капель электролита уменьшаются быстрее по сравнению мелкими каплями.
Предложенный метод позволяет уменьшить потери с капельным уносом из гальванических ванн ценных химических продуктов, уменьшить количество корректировок гальванической ванны, снизить энергозатраты и улучшить экологическую обстановку в гальваническом цехе.
Метод «заглубления подвесок в гальванических ваннах» был внедрен в гальваническом цехе завода «Электросигнал» (г. Дербент). Акты внедрения приведены в Приложении.
Расчет выполнен для средней нормы загрузки стационарной ванны электрохимического хромирования гальванического цеха завода «Электросигнал» г. Дербента.
С капельным уносом при хромировании в атмосферу цеха за одну минуту уносится от 3100-3200 капель объемом 10"6 л. При гальваническом покрытии изделий площадью 1 м2 унос с поверхности электролита составляет 0,338 л. Годовая программа цеха на покрытие изделий хромом составляет 1370 м . За рабочую смену общий унос с поверхности электролита каплями из ванны хромирования составил 1,512 л. Цены на химические материалы в 2002 г.: Хромовый ангидрид 145 руб./кг Серная кислота 45 руб./кг Сахароза 22 руб./кг Применение метода «заглубления подвесок» ванны электрохимического хромирования на предприятии снижает проведение корректировок электролита в 15-20 раз за год.
Завод «Электросигнал» находится в центре города. Через бортовые отсосы ежедневно происходит выброс вредных веществ в атмосферу города. Так за 2002 г. завод выплатил около 80 тыс. рублей в государственный бюджет за нанесение экологического вреда окружающей среде города. На основании этих данных был произведен расчет экономического эффекта. 1. Экономический эффект от сбережения химических реактивов составил 31370 руб./год. 2. Экономический эффект для предприятия от выплат экологического вреда в окружающую среду города составил 7700 руб./год. 3. Экономический эффект от частых корректировок ванны хромирования составил 21000 руб./год.
Итого, экономический эффект от внедрения метода заглубления подвесок в процессе электрохимического хромирования составляет для завода 60070 руб./год.
Целью исследования являлось изучение физических свойств жидких капель барботажного аэрозоля, полученных при разрыве газового пузыря на границе раздела жидкость - газ. Методом ускоренной киносъемки многими исследователями [1-5] изучался процесс формирования капель барботажного аэрозоля. На рис. 12 автором работы [5] показан момент всплывания и разрыва пузыря.
В начале, как видно из рисунка, газовый пузырь, всплывающий на поверхность, некоторое время находится в устойчивом состоянии. Затем про исходит разрыв полусферического купола пузыря в наиболее тонкой верхней части, разбрызгиваясь на множество мелких капель, разлетающихся вдоль поверхности раздела фаз. В результате на поверхности жидкости образуется полость, из центра которой происходит выброс вертикально вверх кумулятивной струи. Струя через некоторое время теряет устойчивость и распадается на несколько капель. Верхняя капля, имеющая меньшую массу, летит вертикально вверх на высоту до нескольких десятков сантиметров. Остальные капли, имеющие большую массу, поднимаются на меньшую высоту. На рис. 13 приведена схема измерения высоты взлета капель и отбора проб капельножидкой фазы.
Методика вычисления равновесного краевого угла смачивания капли, лежащей на твердой поверхности, по данным макроскопических измерений
Краевой угол смачивания является важной физико-химической характеристикой состояния поверхности твердого тела. В связи с тем, что размеры капли оказывают влияние на ее растекание [58] и краевой угол смачивания [59], существуют методические трудности в определении краевого угла смачивания, соответствующего уравнению Юнга (1). В справочной литературе обычно не указываются размеры капель и имеются случаи, когда для одного и того же материала приводятся несовпадающие данные [59-65] по краевым угла смачивания. Однако ряд авторов отрицает влияние силы тяжести на краевой углам смачивания [58, 59, 61]. Так, в работе [62] функционал свободной энергии капли анализируется методами вариационного исчисления, в результате опускается ряд промежуточных выкладок, без которых нельзя оценить корректность выводов. С другой стороны, получено дифференциальное уравнение, описывающее форму огибающей поверхности капли X = f(y) с учетом силы тяжести. При функции X = f(y) задача определения краевого угла смачивания может сводиться к вычислению производной данной функции.
Очевидно, что профили огибающих с учетом силы тяжести и без учета будут различны, поэтому соответственно будут получены разные решения уравнений. Нами был поставлен специальный эксперимент по определению краевых углов смачивания поверхности фторопласта-4. Поверхность фторо-пласта-4 предварительно очищали кипячением в свежеприготовленной хромовой смеси в течение одного часа, многократно промывали в дистиллированной воде, выдерживали в кипящем дистилляте в течение одного часа, а затем сушили в замкнутом объеме при комнатной температуре. Капли различного объема с помощью микрошприца наносили на поверхность твердого тела и фотографировали, а затем с фотопленки изображение капель проецировали на экран с таким увеличением, чтобы размеры изображения всегда были одинаковы. В результате удалось построить семейство огибающих вблизи линии трехфазного контакта. Эксперимент показал, что при возрастании объема капель наблюдается увеличение краевого угла для гидрофобных поверхностей и уменьшение для гидрофильных [66]. Такой анализ показывает, что краевой угол 6е смачивания зависит от силы тяжести, что противоречит выводу работы [63].
Авторы работы [61], утверждая независимость краевого угла от силы тяжести, предлагают уравнения равновесия поверхностных и гравитационных сил в полярной системе координат с использованием математического понятия кривизны. Полученные решения в предельных случаях для сильно растекающейся капли и малой капли приводят к различному виду профиля огибающей, утверждая, что значение краевого угла будет зависеть от силы тяжести. В связи с вышеизложенным представляется интересным установление зависимости краевого угла смачивания от объема капли с целью получе 67 ния равновесного краевого угла 0е смачивания Юнга, определяемого только межфазными поверхностными натяжениями соприкасающихся поверхностей. При выводе уравнения использовали принцип механического равновесия сил на межфазной границе, который приводит к понятию краевых углов смачивания [82]. Силы рассматривались в проекции на горизонтальную плоскость, при этом к силам поверхностного натяжения в горизонтальном направлении добавляли силу тяжести, так как давление в жидкостях передается во всех направлениях одинаково (закон Паскаля). Давление испытывает тонкий слой жидкости, находящийся на межфазной границе. Исходя из модели тонкого слоя, испытывающего гидростатическое давление на межфазной границе, получим величину силы F=EfSt, (22) где р- плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, v- объем капли, s - площадь основания, І- периметр смачивания, 8 - толщина слоя, на поверхности которого проявляется боковое давление.
Необходимо отметить, что здесь важным является вопрос о значении 3, то есть о минимальном размере, который может быть определен в реальном эксперименте по определению геометрических параметров капли. Поэтому совершенно справедливо утверждение американского профессора Адамсона [61] о том, что уравнение Юнга [1] дает на самом деле краевой угол 0е на трехфазной границе, но только в микроскопическом масштабе, тогда как макроскопический краевой угол О зависит от геометрических параметров капли, определяемых силами тяжести [58]. В большинстве экспериментальных работ речь идет о макроскопических краевых углах [58, 59, 60, 61, 62, 63]. По физической природе существует минимальный размер, ко 68 торый можно определить экспериментально [81]. Используя формулы (3) работы [82], были вычислены геометрические размеры капель с точностью 10 3-1(Г4 см, а представляемые краевые углы определены как макроскопические. Затем с учетом силы тяжести были получены уравнения баланса сил, действующих на линии трехфазного контакта:
Предложенное уравнение справедливо до тех пор, пока можно пренебречь влиянием кривизны малых капель на поверхностное натяжение границы жидкость-газ, т.е. влияние размерных эффектов на поверхностное натяжение [83-86]. Анализ уравнения (25) показывает, что при любом значении площади основания капли S(z) и очень малой высоте h по сравнению с размерами основания капли измеренного значения краевого угла и полученного из уравнения Юнга (1), совпадают [66]. Это означает, что любая массивная капля, растекающаяся в виде пленки на поверхности, будет иметь краевой угол смачивания, близкий к краевому углу из уравнения Юнга. Данный вывод согласуется с результатами работы [65], полученными из рассмотрения строгих соотношений дифференциальной геометрии, физический смысл которого состоит в том, что при малой высоте капли величина бокового гидростатического давления на линии трехфазного контакта становится значительно меньше результирующего капиллярного давления. В этих условиях значение краевого угла смачивания практически совпадает со значением угла, определяемого уравнением Юнга.
