Влияние подвижности границы раздела водный раствор-неполярный флюид на закономерности фильтрационного и электрокинетического движения в капилляре тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТК/ДОЕОГО КРАСНОГО

зшш государствш^Л таврсятьт

Ка правах рукописи

КОХОГИНА Ольга Вениаминовна

УДК 541.133 + 537.36 + 532.685

БЧИЖ® ГОДБИаНОСТИ ГРАЖЦЦ РАЗДШ Б0Д1Ш РАСТВОР -НЕПОЛЯРККИ СЛН1Д НА ЗАКОНСМЖООТ Ф/ЛЬТРАЦКОККОГО И ЭЛ1К1 РОХИНЕ1ЙЧЕСКОГО ДКСШй В КАПИЛЛЯРЕ

Специальность 02.СО.II - коллоидная а !/к;бранная хккяя

•АБТОРЗФЕРАТ

диссертации га соискание ученой степей! кандидата химических наук

Ленинград - 1951

Работа выполнена на :ш*едре коллоидной химка Ленинградского ордена Ленина п ордена' Трудового Красного Знамени государственного университета

Научный руководитель -доктор химических наук, профессор Тиоколом К.П.

Официальные оппоненте:

доктор хпу.пче.ских наук,

ведущий научшй сотрудник Сум-: Б.Д.

кандидат технических мук,

старгшй ¡аучны»; сотрудник Петрову 3.1.1.

Ведущая организация.^ Леначгрэдсш'Я технологический институт имени Ленсовета.

Защита диссертации состоится "<?() " 1931 г.

в 1Ъ час. на заседания специализированного совета Д-063.57.06 по защитам диссертаций на сскск8ние учено:: степени доктора хпг'лчесхпх наук при Ленинградском государственно:.: университете по адресу: 125004, Ленинград, Средний пр., 41/43.

С диссертацией котсно ознакомиться в НаучноЛ библиотеке И1.'.е:ш А.П.Горького Ленинградского государственниго уннаеоситета,

Автореферат разослан " ¡6 " сО<Х'.'л_ I £21 г.

Учены!! секретарь слециалпзпрэгашгого совета, доктор хп;.'.ических изук

А.Л.Еелтетин

-1 окая ХЛРАКТЖГСГЛКА РЛБОИ

Актуальность теми диссертации. Изучение закономерностей совместного движения з капиллярно-пористом теле двух нес:.:е":-.заю!ц:!Х-ся между собой £лшдов (газ - идасость, дикость - гаккость), •вызванного наложением кэ весь капилляр гая перепздз давления (АР*), так л постоянного электрического поля (ЛН)( предстоаля-ет больной интерес с научной п с практической точтп зрения. Первый вариант дкненга далее называется "фильтрационнам" (ОД), второй - "электрокинетическим" (ЭД).

В природе а в различи:-:* производствах весьма часто имеет место течение эмульсий. Выявление количественных связей ме'хду характеристиками силоекх поле;;, свойствами ме^зпных слоев и ос-ноенйд параметрами дадпенпя кахдого флюида эмульсин з отдельности я их суммарного потока оказывается настолько трудны'., что основной целью многочисленных исследовательских работ являлось получение качественных эмпирических сведений, относятася к конкретным системам. Капилляр, заполненной хндксстью с частицей флюида - простейшая модель капиллярно-пористого тела, насыщенного эмульсией. Теоретические решения задач как ОД, так и ЗД з данной модельной системе достаточно сломы. В опубликованных к насгоясему времени работах о>-. выполнена только для сильно идеализированных систем. Явно недостаточны знания о влиянии на закономерности ОД и ЭД структурно-механических свойств (СХ) граничных слоев.

Цель работы заключалась: - в определении взаимосвязей величин Д^а йН со скорость» движения капли неполярного флюида в гидрофильном капилляре, заполнение:.! водным раствором, а такие с толщиной водной пленка меяду стенками капилляра я боковой поверхностью кашга ( ), природой .¡йвада, сгруктурчо-кехзжчес-К/П.щ свойствам! слоев у поверхности раздела вода - неполяршй <уднид путем получения экспериментального материала г.о данным зависимостям, анализа существующих и предложения своих представлений о механизмах движения с получение:; количественных решений, сопоставления теоретических и опытных результатов; - получении сведений о структурно-механических свойствах поверхностей раздела двух флюидов с помощь» кодифицированного метода закручивания диска. • •

Каучнзя новизна. I. На основе экспериментального систематического комплексного исследования Епервые получен большой коше-

репы!: материал о зависимостях от дР~и АН скоростей ОД и Зд части' пеполярнкх глюлдов 2 капилляре, заполненной еодни/. растворе:.; Л/аС£ в отсутствие к з присутствии ПАВ (лаурпловый старт и доде:г.:лсуль{ат натрия в различных концентрациях). 2. С использование:.: £-уя»кентальшх уравнений гидромеханика выведена ^оркулг., отрз-гаг-хая Егажоомзь параметров при ФД частиц с ка-ло:1 подвижноетьи поверхностного слсл. 3. На основе бундакента-льиых урап.чек/.Г; гидродинамики а электройтатика получе:а форг/.у-ла для расчета ^ -потенциалов на подвижных границах :: с ее использование:.: из экспериментальных данных были вычислены величины ^ -потенциалов на поверхностях раздела флюидов во всех изученных с!!стс:дх. 4. Откечеио существенное повышение скорости ЗД при помещении в капилляр стслбика нополярного пди;да. 5. Получена новзя экспериментальная информация о характере закручивания иска, помещенного на поверхность раздела двух флюидов, под деЛстьцем вращения этой поверхности; показано, что в случае неструктурированных или слабо структурированных мекйаз-ных слоев даек находится в репейке периодических незатухающих -колебании, амплитуда которых зависит от струнтурно-кеханаческих свойств поверхности.

Практическая значимость. Результата цогут послушать основой для решетя технологических задач, связанных с движением эмульсий в капиллярно-пористых смсте.'.^х. Получение инфор;.сацхи о значениях -потевдилов и структурно-механических свойствах из границе раздела двух фдшдов необходимо для прогнозирования устойчивости эмульсий. Установленный нага факт увеличена» скорости движения жидкости через капилляр под действие:; электрического поля при введении в него частицы неполярного длвида может бить использован для ускорения пропитки пористых систем.

Полевения. гшиос::мие на ззглгу: - представления о механизмах «"ильтрациоляого движения в зависимости от поверхностных свойств границы вода - неполярный флюид, с количественна; выгодой для одного из двух предельных случаев; оценка на основе экспериментальных данных областей пракеникости моделей, известных из работ других авторов и предлагаемо:: нами; формула для расчета -потенциалов на подвижных границах; дякт сильного ускорения ЭД при введении в капилляр частица непроводящего (глю-ида; возкикковекие режима периодических колебаний при примеке-

или кетодз закручивания диска; связь :.:сжду аг-ллитудеп этих колебаний и CMC ме^озных слоев.

Пубгпчац:::!. По материалам диссертации оьубликонэно 5 печатник робот.

Апробация оаботн. Результаты работы был:: представлены га конференции колодах учета химического алкультзти '.ТУ (Москва, январь 1239 ), ХУ1 кеу.вузовско!: конференции ¡..олодых ученых "Ьашя л физика твердого тела" (Ленинград, 1289).

Сб".г", ,ч структура тоссертпщ'и. Диссертация изложена па 149 страницах, включаю;:;« 95 страниц гл^поппсного текста, 50 рисункоз, 12 таблиц, список литературы, содеретый 70 наименована, приложение - 4 страницы. Основной текст состоит из введения, трех глав и выводов.

С0Д5.РLiAIHb РАБОТЫ

Во зтоодснни обоснован выбор те:.а и определена цель работы.

В пер-of! глзге проведен анализ сувдствукях в литературе представлений о фильтрации в кодельной системе, состпяце" из капилляра, заполненного скачяЕакаце« жидкостью с частице;: неполярного блкида. Сделан критически!; обзор робот, посвященных ЭД в капиллярах и определению С -потенциалов границ раздела двух флюидов.

Втооая глава вклвчает оь.сакке объектов исследования, принты выбора методик проведения экспериментов; приводятся те расчетные ;;орг.:улы, которые не является решениями, выполненшд.и! в данной работе.

Обмыта иссле.доБзния. Работа проводилась ia стеклянных капиллярах (стекло "Пирскс"), содерззпдх частицу нсполярного флю-пда (воздух; октан; раствор 5-10"^ Ы лауриловсго спирта в октане; тркдека.ч) длиной 0,5 см в водном растворе, содержащем 0,1 М NqCH и натрий додецилсульТат (5Э5). Концентрация последнего изменялась от 0 до 7-I0"4 М. Водные растворы_ готовились на Сядастшкяте. Размеры капилляра ( tH = 1-10"^ сг.-:,

¿к = 19,5 си) соответствовали обычно используема/, на кафедре коллоидной химии ЛГУ в работах данного направления. Выбор неорганического электролита обусловливался использованию.! в работе электродов, обрита/ах к иону СЛ. я те:.:, что он содержит одноикенннй ион с S3S .

С псмояьи ПАЗ варьировали ЕС поверхности раздала водный раст-Еор - ног.оляр:йл: флхпд.

^етоду_вкс1|ЬК:ментоБ. Основным методом исследования ОД и ■ ЭД в зависимости от съоистз 1.:е;:;сазных слоев было одновременное изиераке скоростей движения частицы неголгрного флюида б заполнением зодни.; раствором капилляре ( Ус ) и электрических характеристик рабочей системы: электропроводности (& ) на переменно:.; токе в опытах по ОД и сели тока ( ^ ) в опнтах по ЭД. "з значений 3 и & рассчитывались с учетом поверхностной про-еоднмости товдкы водных пленок ( ), отделяющих боковую поверхность частицы от стенок капилляра. Величины ЛР в данной работе ле:«алн в интервале 50 + 870 Па, значения Л1-1 - 20 + 450 В (рис.1).

¡¿егфазное натяжение измерялось методами отражения света от мениска и взвепквзния капель. Электрические потенциалы по- ' верхкости, разделяющей флюида, ( ) рассчитывались из данных по адсорбции с помощью уравнения Гул.

Структурно-механические свойства на границе двух флюидов исследовались методом закручивания диска (ЗД) с использованием более тонкой, чем описано б опубликованных другими исследователям: работах, вольфрамовой нити.

В третье?: главе приводятся результата предварительных экспериментов (§ I), исследования ФД (§ 2), ЭД (§ 3) и полученные методом ЗД,

Результат_п£едварительннх_ опатоз. Получены значения / для изучаемых систем. Показано, что изменение концентрации ¿"2)3 ( Сзгз ) от 0 до 7,4-10"^ М не оказывает существенного влияния на объемные свойства водной фазы, ^ -потенциалы границы водный раствор - стекло заметно не изменяются в интервале £от О до 1,4 10"'^ М. Дани диаграмма распределения, опытов по значени-яи , установившимся через полчаса после заполнения капилляра. На их основе проведено сравнение кинетики установления равновесного в отсутствии внеаних полей состояния в зависимости от состава частицы и округашего ее раствор.

Процесс £ильтрации.г.-Во всех исследованных системах (0,1 М . Hc.CZ- воздух; 0,1 М ЫаК. _ октан, 0,1 Ы Ыо(Х. - октан +ЬОН 0,1 М №<Х+ 1-КГ& - октан; 0,1 М А<аСС + 1,4-10"4М ¿Х-И -

октан; 0,1 11 ЫаС1 + 7,4.Ю"4 М - октан) движение было не-

стационарным. Изменение Ыс цри ОД сопровождалось изменением

Рлс.1. Схем установки для опытов по ОД ¡1 ЭД (масштабы реальных соотношений толсти пленки, радиусов капилляра и частицы не соблпдены):

1 - амперметр 37-21,

2 - мост переменного ¿оке Е.1-484,

3 - вольтметр цифровой Щ-1413,' .

4 - клич (в опытах по сгильтрацп разомкнут),

5 - ключ (в опытах по эле-ктроосмосу разомкнут),

6 - намазные хлорееребряные электрода,

7 - внешне кагилляра,

8 - частица и.^люида,

9 - пленка воды,

10 - рабочий капилляр,

11 - краны

. Основные особенности ФД суммированы в трех таблицах к ил-ластрпровакь! графиками.

Получено решение для ОД, когда внутри частицы нет движения Ллкда и изменение.: полей скоростей к давлений в облает:: торцов мочно пренебречь. В качестве исходной использована система уравнений, ссствящад из уравнений неразрывности для обоих флкадов ( I - индекс фазы) к Кавье-Стокса, с учетом принятой модели имеющая вид:

о/"? + ± ф^.-С- -г )

у И)

Граничные условия:

и, - О % ~)

и<т--и»о -г --Х.-*« С (2)

II, - х-состаияямгая скорости,уИ - вязкость, Р - давление, индексы указывают, что величина относится к заполняющей капилляр жидкости - "среде" (т ) или к £азе масла ( О ). Конечная формула:

.к 8(и~ис ¿р) £е

^ (3)

где Сс - длина частицы.

Подоконные в основу решения допущения справедливы, если вязкость всей частицы или ее поверхностного слоя очень велика. В |о:.'.:'.:')Х предложенной нами модели скорости двпкенпя г смачивао-с.еГ пленке наибольшие из всех возможных вариантов, поэтому она' долее'называется моделью полного .течения плеши (1ГГО).

Полученные в диссертации экспериментально данные пэкгза-ли, что зависимости Ие = в системах 0,1 М ИаСС -

воздух очень близки к рассчитанным, из теории сколккошя (ТС), предложенной Ерезеотоком для движения пузырька воздуха, а в системах ОД Ы ЫШ + 1,<-10"4 К SZJ - октан - к ГГГП, в осталышх - находятся меаду шя, Мы полагаем, что чем ближе дьчдение к описываемому формулой (3), тем более вязким являет-

ся поверхностный слой (рлс.2-4).

В системах 0,1 :.'. /VаСС + 7,4-10~' S%¡S _ октан имело место сильное растяжение частица (вплоть до двухкратного увеличения ее длины). Несоответствие рассчитанных Т} к удлинения, а такие визуально наблздаемая очень сильная волнистость частицы свидетельствовали о неприменимости для о тих систем приближений, использук.'лх при ре счете

Злсктрокчкетичезкое дизение^. Представлена результаты исследования ЭД в системах 0,1 !,; А/аС£ + - октан при

С SZS - 5-Ю"5 1.1; 1,4-Ю"4 М; 3,0-Ю"4 М; 7,4'10"4 ";; 0,1 М л6С£ + - гездух при С ^ = 0; 1,4-Ю"4 М; 7,4-10~'5 !.!; 0,1 М г/аСг + октан + ЬОН ; 0,1 М ЫМ + 7,4-Ю~')М 52Х - трпдекан. Установлено, что системы 0,1 М Уай? _ октан неустойчивы в электрическом поле. Ео всех системах ис были много ввие, чем скорости движения водного раствор в отсутствии частицы.

Колебания Не во время экспериментов был:', меньпе, чем прл';Д и не коррелировала с изменениями Т. В отсутствие ПАВ и е системах с 1С И движение было катодшг, в присутствии 5" 2)6' - анодкмм. При 5-10"° г? Суг5 ^ З-Ю"4 величины У* мало различались метлу собой, а при С^ = 7,4 •Ю"'1 1.1 - были немного нк;:<е.

Ка основе тех ме лредпой.ясенпй, что приняты при выводе ПТП с учетом отсутствия зарядов внутри кеполлрного (Тль'пдп была получена формула взаимосвязи характеристических величин при ЭД. Исходным для ое вывода являлось уравнение Кэвье-Стокса, которое в данном случае имеет гид:

У* # «>

где Ь - диэлектрическая проницаемость, £* - х-составля:лг,пя напряженности электрического поля," ^ - переменная - состэв-ляыгая электрического потенциала поверхности, обусловленная наличием ДЗС. Оно записывалось отдельно для каждой Лазы и для каждой области капилляра с частицей ( I = .И) и без частицы ( } = I).

Граничные условия: а) в области _Г

- s -

Условные обозначения:

• - ЛРЯ= 100 Па; - - ЛРИ я ^00 Па;

А - 3S0 Па; о - аР* = 590 Па; F - = 780 Па.

i

Рис. 3. Зависимости Ue=í&¡) в системах

0,1 M МаСе + 2-Ю"6M SOS - октак. Условные обозначения:

• - Л/»*= 100 Ш; * - 190 Па;

А - лР*= 290 Па; иг - дР"= 590 Па; а - &Р"= 780 Па; о - &РМ= 870 Па

| цс *10гсл/с

Рис. 4. Баяисжостк и*в системах

0,1 М ЫяС2 + 1,4-Ю"4 М 535"- октан. Условные обозначения: Г- ЛР* = 130 Па; • - йР*^ 2£0 Па; А - дР* = 590 Па; О - ДР* = 690 Па; X - ДР* = 870 Па

г = т.

1 --О

i ит = 0

\ clt U

/ 4У-: О V. Ó'l

б) в области П:

( - координа-

та гранит раздата флюидов)

г = i*

■г - О

Ш'-о

г О

fuj,

■tí

cluo

* и: - <

- о

z О

- условие строении ДОС

- прилипание п::дксс:и

симметрия картины

- согласно принятой модели

- отсутствие зарядов в фазе неполярнего флюида

- условие неразрывности

- прилипание жидкости

симметрия картины

Конечная íop-ула пг/.еет вид

w« - Щплихщг^)^¿i-) * - IJ (v

где € - диэлектрическая проницаемость? индекс укЕзыгяеи,

что величина относится к границе Еода - стекло, a w/o - юдл -нег.олярнык флюид ("гасло").

3 результате проведенных по фО]х:уле (4) расчетов показано, что при "?( 5- 2-10" с;.: влияние на Uc прсиебретсжо

[.:ало ip;ic.5). В опытах , как правило, лежали в этой области.

С использование.*.: (4) из экспериментальных данных вычислены значения íf --потенциалов. В интервалах O.Sc^-í" 4 ^ S см,

= ICO + 200 ííkm, í.0 В < АН ^ 450 В рассчитанные ^ не зависели от Сс , г, и ¿W , что свидетельствовало в пользу достоверности првдлоаепноЕ фор.'.ули. Полу^епг.ке значения данной величины для растворов с SS)S сопоставлены с рассчлтвнььг.'л

по теории Гун нз адсорбции значения:« пие когсду ними является разукнж.

(табл.1), соотноси-

Рис. 5. Зависимости = рассчитанные по

формуле ( V ). Значения ^^ указаны около кривых, Л И = 80 В, = 0,5 см, Т* = 1-Ю-2 см, -¿'«"й-

Таблица I. Значения ^ л на границе водный распор

SЗS - октан в присутствии 0,1 !.! Масг.

. "_5_. "В

МО-6 -29+9 - 68

-104 + 4 -103 + 6 -107 + 2

- 68 -135 -147 -151 -157

Из2чекие_!.!ехснлческих свойств.поверхности гиядога зт)£С_; ¡¿лпидог методом закр^чигащя_^ис£<з.. Полученные зависимости величины угла закручивания диска ( $ ) от времени при 5-ти скоростях вращения поверхности раздела двух флгадоэ принципиально отличаются от известных по опубликованным работам других авторов, в которых изучались сукяственно более прочные поверхностные слои. Наиболее характерной особенностью в изученных нагл скстем-'ах является периодичность изменений -Ь - (*) . Б большинстве опытов колебания были незатухающими. Амплитуда колебаний зов"-' села от природы и состава соприкасавшихся ¿газ» Наблюдались уме-нызенле амплитуды с уменьшением подвияности поверхностных слое;..

Соруководителем данной диссертационной работы по ессм лл;и;г ям ео выполнения является Возкая З.В.

X. Изучены закономерности Фильтрационного и электрокияет;:-ческого движения в тонком стеклянном капилляре, заполненном водки,: растюром с частицей неполярного голюида, при вариации сил внешних полей, прг-родн флюида, а такае природы и концентрации

2. Предложена модель механизма ймьтрационкого двийсння флюидов при малой подвижности разделяющего их грзнпчного слоя. Выведена Формула, отратлкдая взаимосвязь скорости дгкэт.чня с перепадом давления на концах капилляра, толщиной пленки и радиусом капилляра.

3. Показано, что окспериментально полученные зависимости скорости движения от толщины пленки близки к рассчитанным по

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫЗОЛУ

ПАВ

теории сксльге.члк Ерезертонз б случае очень подвижной поверхности (пузырек воздуха без ПАВ) л го предложенной в данной дис-сертгг;:;-, (Формуле в случае мало подвижно!, поверхности (достаточно большая концентрация ПАВ).

4. Установлено, что кинетика изменения толщины водных пленок во внешних палях и в их отсутствие, значения скоростей ([пльтрЕтокиого движения и их зависимости от толщины пленок, а тзю-5 данные, полученные методом закручивания диска позволяют пргдг.5ло~::ть супсотденноо изменение структурно-механических свойств поверхностей в присутствии ПАВ дате с относительно неболь::.:": молекулярным г.есо:.: ( S2>S l ОН ).

6. На основе предложенного решения задачи ЗД выведена формула для расчетов -потенциалов на подкгашх границах. С ее помощи вычислены С? -пстещиалы в 10 системах. Независимость рассчитанных значений -поге!:ц::злов от радиуса капилляров, кзг.рпт.енпя олектркчссгого поля, длины частицы полярного флюида, а так/.е их хорогая корреляция со значения.'.^ электрических потенциалов поверхности, вычисленных из адсорбции ПАВ, свидетель-стхувт о правомочности формулы.

6. Установлен факт значительного ускорения электрокинетического движения при введении в капилляр непроводящей частицы Ф.нада.

7. Исследована зависимость угла закручиваки диска от времени. Обнаружено, что в случае подвижных граничных слоев эта зависимость качественно отличалась от известных из литературы, полученных для прочных ме:;:фаз;;ь!х слоев и поэтому требует иной метод интерпретации результатов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

I. Искорнна О.З., Возная Э.Е., Кудрявец T.JI. Едпяние свойств границы раздела вола/1,асло на фильтрацию двух несмеш'.ваншх-ся гддкостей// Хакия и физика твердого тела. Тезисы докладов ОТ Межвузовской конференции молодых ученых.-Л..1£'39.-С.45-

46.

Кскорина О.В., Возная Э.Е. Влияние ПАВ на электрокпнетиче-ское движение модели эмульсии в цилиндрическом капилляре// Материалы конференции молодых ученых хим.фак.МГУ.Москва. 24-26 января 1£89.-Деп. в ВИКИТИ.-8.08.1989.-й 5357-889. '