液體表面張力測(cè)試方法ppt課件

.,液體表面張力的測(cè)試方法,紡織化學(xué)與染整工程,.,前言,液體表面區(qū)的分子由于受力不平衡產(chǎn)生的向內(nèi)收縮的單位長(zhǎng)度的力,即表面張力。它分為靜態(tài)表面張力和動(dòng)態(tài)表面張力。通常液體的表面張力,自其液體表面形成之后,隨著時(shí)間的推移而有所變化。在新的液體表面形成的瞬間,經(jīng)過約1s以上時(shí)的表面張力,稱作靜態(tài)表面張力;在1s以下的表面張力稱作動(dòng)態(tài)表面張力。表面張力是多相系統(tǒng)的重要界面性質(zhì),對(duì)于泡沫分離、蒸餾、萃取、乳化、吸附、潤濕等過程存在重要影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,動(dòng)態(tài)表面張力更有意義,因?yàn)樗从吵鰝髻|(zhì)過程以及吸附、粘附、鋪展等過程的有關(guān)信息,這對(duì)于化工過程的設(shè)計(jì)與研究是非常有意義的。現(xiàn)有的表面張力測(cè)定95%都是常壓或沸點(diǎn)條件下進(jìn)行的,現(xiàn)在越來越需要考察不同溫度和壓力條件下表面張力的測(cè)定。,.,液體表面張力的測(cè)定方法分靜力學(xué)法和動(dòng)力學(xué)法。靜力學(xué)法有毛細(xì)管上升法、duNoy環(huán)法、Wilhelmy盤法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法;動(dòng)力學(xué)法有震蕩射流法、毛細(xì)管波法。其中毛細(xì)管上升法和最大氣泡壓力法不能用來測(cè)液-液界面張力。Wilhelmy盤法,最大氣泡壓力法,震蕩射流法,毛細(xì)管波法可以用來測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力。由于動(dòng)力學(xué)法本身較復(fù)雜,測(cè)試精度不高,而先前的數(shù)據(jù)采集與處理手段都不夠先進(jìn),致使此類測(cè)定方法成功應(yīng)用的實(shí)例很少。因此,迄今為止,實(shí)際生產(chǎn)中多采用靜力學(xué)測(cè)定方法。,.,1典型的靜力學(xué)法,1.1毛細(xì)管上升法1.1.1測(cè)定原理將一支毛細(xì)管插入液體中,液體將沿毛細(xì)管上升,升到一定高度后,毛細(xì)管內(nèi)外液體將達(dá)到平衡狀態(tài),液體就不再上升了。此時(shí),液面對(duì)液體所施加的向上的拉力與液體總向下的力相等。則=1/2(l-g)ghrcos(1)(1)式中為表面張力,r為毛細(xì)管的半徑,h為毛細(xì)管中液面上升的高度,l為測(cè)量液體的密度,g為氣體的密度(空氣和蒸氣),g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?為液體與管壁的接觸角。若毛細(xì)管管徑很小,而且=0時(shí),則上式(1)可簡(jiǎn)化為=1/2ghr(2）,.,1.1.2優(yōu)點(diǎn)本法是用來直接測(cè)定液體表面張力的最為準(zhǔn)確的絕對(duì)方法之一,也是應(yīng)用最多的方法之一。由于它不僅理論完整,而且實(shí)驗(yàn)條件可以嚴(yán)格控制,是一種重要的測(cè)定方法。隨著技術(shù)的發(fā)展,毛細(xì)管上升技術(shù)也可以用來測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力。此方法還曾被用于高溫高壓條件下表面張力的測(cè)定，但溫度一般不超過100,壓強(qiáng)不超過13.8MPa,.,1.1.3缺點(diǎn)(1)不易選得內(nèi)徑均勻的毛細(xì)管和準(zhǔn)確測(cè)定內(nèi)徑值;(2)液體與管壁的接觸角不易測(cè)量;(3)溶液的純度會(huì)對(duì)表面張力的測(cè)量造成不同程度的影響。(4)需要較多液體才能獲得水平基準(zhǔn)面(一般認(rèn)為直徑在10cm以上液面才能看作平面)，所以基準(zhǔn)液面的確定可能產(chǎn)生誤差。,.,1.2Wilhelmy盤法1.2.1測(cè)定原理用鉑片、云母片或顯微鏡蓋玻片掛在扭力天平或鏈?zhǔn)教炱缴?測(cè)定當(dāng)片的底邊平行面剛好接觸液面時(shí)的壓力,由此得表面張力,公式為:W總-W片=2lcos式中,W總為薄片與液面拉脫時(shí)的最大拉力,W片為薄片的重力,l為薄片的寬度,薄片與液體的接觸的周長(zhǎng)近似為2l,為薄片與液體的接觸角。,.,1.2.2方法特點(diǎn)它具有完全平衡的特點(diǎn)。這是常用的實(shí)驗(yàn)方法之一,且簡(jiǎn)單,操作方便,不需要密度數(shù)據(jù),直觀可靠,不僅可用于測(cè)定氣-液表面張力,也可用于測(cè)定液-液界面張力。精確度可達(dá)到0.11mNm-1。但存在的缺點(diǎn)是:(1)要求是液體必須很好地濕潤薄片,保持接觸角為零;(2)需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校正浮力;(3)測(cè)定容器需要足夠大;(4)不適合高溫高壓和深顏色液體的測(cè)定;(5)清潔程序復(fù)雜;(6)測(cè)定時(shí)穩(wěn)定慢,不適合及時(shí)測(cè)量。,.,1.3懸滴法1.3.1測(cè)定原理懸滴法是根據(jù)在水平面上自然形成的液滴形狀計(jì)算表面張力。在一定平面上,液滴形狀與液體表面張力和密度有直接關(guān)系。由Laplace公式,描述在任意的一點(diǎn)P曲面內(nèi)外壓差為式中R1,R2為液滴的主曲率半徑;z為以液滴頂點(diǎn)O為原點(diǎn),液滴表面上P的垂直坐標(biāo);P0為頂點(diǎn)O處的靜壓力。定義S=ds/de式中de為懸滴的最大直徑,ds為離頂點(diǎn)距離為de處懸滴截面的直徑再定義H=(de/b)2則得=(l-g)gde2/H,.,式中b為液滴頂點(diǎn)O處的曲率半徑。若相對(duì)應(yīng)與懸滴的S值得到的1/H為已知,即可求出表(界)面張力。即可算出作為S的函數(shù)的1/H值。因?yàn)榭刹捎枚ㄆ跀z影或測(cè)量ds/de數(shù)值隨時(shí)間的變化,懸滴法可方便地用于測(cè)定表(界)面張力。,.,1.3.2優(yōu)點(diǎn)除了它對(duì)樣品的濕潤性無嚴(yán)格要求,不受接觸角影響外,還有測(cè)定范圍廣(不僅可測(cè)定液體的靜態(tài),還可測(cè)定液體的動(dòng)態(tài)表面張力)的特點(diǎn)。這是一種液體用量少而且應(yīng)用廣泛的方法,也比較適用于高溫高壓條件下液體表面張力和低表面張力的測(cè)定,可以用來測(cè)定200和81.7MPa條件下的液體表面張力。1.3.3缺點(diǎn)(1)設(shè)備復(fù)雜,操作麻煩;(2)數(shù)據(jù)處理也復(fù)雜;(3)待測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)需要事先準(zhǔn)確知道。,.,1.4滴體積法1.4.1測(cè)定原理當(dāng)一滴液體從毛細(xì)管滴頭滴下時(shí),液滴的重力與液滴的表面張力以及滴頭的大小有關(guān)。表示液滴重力(mg)的簡(jiǎn)單關(guān)系式:mg=2r實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,實(shí)際體積小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3),則更精確的表面張力可以表示為:=mg/2rf(r/v1/3)其中m為液滴的質(zhì)量,V為液滴體積,f為校正因子。只要測(cè)出數(shù)滴液體的體積,就可計(jì)算出該液體的表面張力。,.,1.4.2方法特點(diǎn)此法是一種相對(duì)精確而又可能是最方便的方法之一,它的樣品制備簡(jiǎn)單,溫度時(shí)間間隔長(zhǎng),只用簡(jiǎn)單的溫度控制即可,可用來測(cè)定氣-液和液-液界面,且樣品的用量少。但存在的缺點(diǎn)是:(1)至今只能算是一種經(jīng)驗(yàn)方法;(2)不能用來測(cè)定達(dá)到平衡較慢的表面張力,同時(shí)該法也不能達(dá)到完全的平衡;(3)存在準(zhǔn)確測(cè)定液體體積和很好地控制液滴滴落速度等問題。,.,1.5最大氣泡壓力法1.5.1測(cè)定原理若在密度為的液體中,插入一個(gè)半徑為r的毛細(xì)管,深度為t,經(jīng)毛細(xì)管吹入一極小的氣泡,其半徑恰好與毛細(xì)管半徑相等。此刻,氣泡內(nèi)壓力最大。根據(jù)拉普拉斯公式,氣泡最大壓力為,.,1.5.2優(yōu)點(diǎn)此種方法設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,不需要完全濕潤,它既是相對(duì)的方法,也是絕對(duì)的方法。可以測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的表面張力,測(cè)量的有效時(shí)間范圍大,溫度范圍寬。1.5.3缺點(diǎn)(1)氣泡不斷生成可能會(huì)擾動(dòng)液面平衡,改變液體表面溫度,因此不易控制氣泡形成速度;(2)要求在氣泡逸出瞬間讀取氣泡的最大壓力,因此此值很難測(cè)準(zhǔn);(3)毛細(xì)管的半徑不易準(zhǔn)確測(cè)定;(4)此法中,最大壓差為大氣壓與系統(tǒng)壓力的差值,因此,當(dāng)室內(nèi)氣流流動(dòng)時(shí),會(huì)造成大氣壓的變化,使實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定誤差;(5)為了消除溶液靜壓對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,測(cè)定時(shí)要求測(cè)量的毛細(xì)管插入液體中的深度為0,但要調(diào)整毛細(xì)管尖端與被測(cè)液面相切有一定的難度。,.,1.5.5差分最大氣泡壓力法1.5.5.1測(cè)定原理差分最大氣泡壓力法原理是:兩個(gè)同質(zhì)異徑的毛細(xì)管插入被測(cè)液體中,氣泡從毛細(xì)管中通過后到達(dá)液體中,測(cè)量?jī)蓚€(gè)毛細(xì)管中氣泡的最大壓力p1和p2,表面張力是壓差的函數(shù),計(jì)算公式為式中p為兩毛細(xì)管的壓差,t為兩管插入液面的高度差。,