表面張力的微分最大氣泡壓力法測量

表面張力的微分最大氣泡壓力法測量摘要：采用微分最大氣泡壓力法來測量表面張力。對于微分最大氣泡壓力法的主要原理、實驗裝置和實驗步驟給出了有條理的介紹，并且分析了這種方法的適用范圍和優(yōu)缺點，該方法的非正常狀況與排除方法，并給出應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞：微分最大氣泡壓力法；表面張力；應(yīng)用實例Abstract：Differentialmaximumbubblepressuremethodfor

measuringsurfacetensionAbstract：Thedifferentialmaximumbubblepressuremethodisemployedtomeasurethesurfacetension.Describesthedifferentialmaximumbubblepressuremethodofthemainprinciples,experimentalapparatusandexperimentalprocedure.Analysisofthescopeofapplicationofthismethodandtheadvantagesanddisadvantages.Toillustratetheexclusionofnon-normalconditionsandmethods,andgivesexamples.Keywords:Differentialmaximumbubblepressuremethod;Surfacetension;Application針對液體張力測定中的最大氣泡法存在一些缺點：不斷生成的氣泡可能擾動液面平衡，改變液體表面溫度，另外不易控制氣泡形成速度，在氣泡逸出瞬間氣泡的最大壓力是最關(guān)鍵的數(shù)值，此值很難被準(zhǔn)確測量，毛細(xì)管的半徑不易測定等等這些缺點將影響測量［1］。因此，基于以上原因，采用微分最大氣泡壓力法［2］。該方法于1921年由Sugden提出的，本文中基于毛細(xì)管位置布局的微分最大氣泡壓力法可以在缺少密度數(shù)據(jù)的條件下，就能測定出較準(zhǔn)確的結(jié)果。一、微分最大氣泡壓力法的主要原理微分最大氣泡法(DMBPM)是最大氣泡壓力法(MBPM)的變形。微分最大氣泡壓力同表面張力的關(guān)系源于單管的最大氣泡壓力原理。把一個半徑為r的毛細(xì)管插入在密度為p的液體中，深度為t,經(jīng)毛細(xì)管吹入一極小的半徑恰好與毛細(xì)管半徑相等的氣泡。在這種情況下，氣泡內(nèi)壓力最大。根據(jù)拉普拉斯公式，氣泡最大壓力Pm為m2sP=rgt+m r (1)c=0.5x［r(P-pgt)］m兩個不同內(nèi)徑同質(zhì)的毛細(xì)管插入被測液體中，讓氣泡從毛細(xì)管中通過到液體中，不斷測定兩只毛細(xì)管中氣泡最大壓力pl和p2,得知表面張力是壓差的函數(shù),如圖1所示，圖中兩毛細(xì)管尖端插入的深度d和d+Ad。圖l.毛細(xì)管布局示意圖若將兩個毛細(xì)管分別標(biāo)注為管1、管2,則厶pi,2表示兩個管中的微分最大壓力。由密度不同引起的表面張力測定的誤差可以通過調(diào)整毛細(xì)管布局來消除。Cuny等［3］提出了當(dāng)兩根毛細(xì)管插入的深度不同時最大氣泡壓力同表面張力的關(guān)聯(lián)方程即Ap/2+(p-p)g［(r—r)/3-Ad/2］+g(r3-r3)(p-p)2/(24p)12122 12 112 (2)1/r-1/r12式中的d就是圖1中所示的毛細(xì)管插入液面的深度差。在實際測定中,若令(r2-r1)/3=^d/2,則有Ap/2+g(r3-r3)(p-p)2/(24p)C二12 2 1 1 2 ——(3)1/r-1/r1若允許誤差04%,則式(2)中的第二項可以省去。這樣就可在缺少密度數(shù)據(jù)的情況下也能得到準(zhǔn)確的表面張力數(shù)值［45］。本文采用了該簡化，即Ap12 ----(4)2(1/r—1/r)1二、實驗裝置與實驗步驟微分最大氣泡壓力法實驗裝置［4］，如圖2，整個裝置由壓力測定和采集、試樣管、溫度控制、毛細(xì)管插入深度的測量、流速控制等幾部分構(gòu)成。壓力采用美國Honeywell公司的STD120全智能微差壓變送器測定，精度0.075%，量程選擇是-250?750Pa,分辨率為0.75Pa；控溫采用德國Huber恒溫水浴控溫頭Polystatccl,溫度可以穩(wěn)定在土0.02r；毛細(xì)管插入液面的深度通過上海光學(xué)儀器廠的35J型垂高儀測定，測定精度可以達(dá)到0.001mm。在原來最大氣泡法的基礎(chǔ)上做了以下改進(jìn)：1） 壓力的測定：全智能微差壓變送器通過AD數(shù)模轉(zhuǎn)換卡同計算機相連,通過自編程序,不僅實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的保存,還可以在在線顯示壓力值的同時顯示壓力的變化曲線,方便確定停止數(shù)據(jù)采集的時間和數(shù)據(jù)點的好壞。2） 深度的測量：毛細(xì)管插入液面的深度對液體表面張力的測定是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為此本文通過兩個試管測定,一個作為測量管,另一個作為液面調(diào)節(jié)管。3） 流速的調(diào)節(jié)：對于靜態(tài)表面張力的測定,要在恒定的流速下進(jìn)行,而且兩管的出泡速度應(yīng)保持一致,加了兩個緩沖瓶實現(xiàn)對流速的準(zhǔn)確控制和調(diào)節(jié),可以達(dá)到15個泡/min；為保證兩個毛細(xì)管在同樣的流速下測定，在計算機毫秒級采集的同時,還采用精度為0.01s的電子數(shù)字秒表讀取氣泡產(chǎn)生的時間。10n1(}3089—f10n1(}3089—f卜-LFEF. tF~-圖2.微分最大氣泡壓力法的裝置圖1.氮氣瓶2.高壓緩沖器3.顯微針指示閥4.壓力表5.低壓緩沖器6.恒溫控制器7.小毛細(xì)管8.觀察窗9.大毛細(xì)管10.微分壓力計11.計算機12.高差計實驗操作程序按以下步驟來［5］：1） 儀器的清洗。將表面張力測定儀中的壓力釜、粗、細(xì)毛細(xì)管用洗液沖洗幾次后,用自來水及酒精沖洗干凈,烘干后用待測液潤洗,要在不銹鋼面上留有待測液,使毛細(xì)管有很好的濕潤性。2） 安裝實驗裝置并檢漏?；旌弦翰捎萌萘科糠Q重法配置。純試劑和混合液在使用前均采用超聲波脫氣。潤洗后將一定量的待測液倒入壓力釜中,安裝壓力釜時，按照對稱的順序均勻地施力，保證壓力釜密封良好。依照裝置圖安裝儀器，開啟氮氣鋼瓶，檢查各個閥門和端口是否漏氣。連接好加熱電路及溫度控制電路。從鋼瓶出口的閥門開始依次打開閥門，閥門開度依次降低，每次壓力表的示數(shù)要保持一致。觀察釜內(nèi)壓力，升到一定值后，開啟加熱電源，設(shè)定實驗溫度，用可控硅調(diào)節(jié)系統(tǒng)使油浴溫度保持在實驗溫度，同時繼續(xù)加壓到所測壓力。等到釜內(nèi)溫度達(dá)到所測溫度后，繼續(xù)穩(wěn)定一段時間。溫度和壓力數(shù)值可由數(shù)字顯示表讀出。關(guān)閉一根毛細(xì)管上的截止閥，調(diào)節(jié)氣泡，用精度0.01秒的電子秒表測量出泡速度，氣泡穩(wěn)定后，打開計算機上的測定程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和保存。一根毛細(xì)管的壓力測定完畢后，關(guān)閉這根管路上的截止閥，依據(jù)上述步驟做另一根毛細(xì)管的壓力值。測量時務(wù)必保持兩根毛細(xì)管的出泡速度一致。每次測量完成后數(shù)據(jù)在線采集完成后，直接保存到Excel文檔里。然后繼續(xù)升溫，依據(jù)過程4繼續(xù)測量下個溫度的表面張力數(shù)據(jù)。測量完成以后，先關(guān)閉加熱電源，然后關(guān)閉氮氣鋼瓶，等待測液體冷卻至沸點以下，打開排氣口閥門，排氣管口插在裝有酒精的容器內(nèi)。表面張力的計算。打開兩根毛細(xì)管測定時保存數(shù)據(jù)的Excel文檔，分別對時間和壓力差作圖，求出最大壓力差的平均值A(chǔ)pl和Ap2,Apl,Ap2分別為兩個毛細(xì)管的最大壓差的平均值。計算壓力差A(yù)p=Ap1-Apl，Ap為兩根毛細(xì)管的最大壓差，帶入式中進(jìn)行計算表面張力。拆開壓力釜，對壓力釜和毛細(xì)管進(jìn)行清洗。如果是同種物系的不同濃度，可以從濃度依次增大測量，每次更換不同濃度的溶液時需用待測溶液清洗毛細(xì)管3次，再進(jìn)行測量。三、微分最大壓力氣泡法的適用范圍和優(yōu)缺點微分最大氣泡壓力法優(yōu)點［6］：通過調(diào)整毛細(xì)管的插入深度來降低測量和計算的復(fù)雜程度；現(xiàn)在的技術(shù)可用來測絕對表面張力也可用來測相對表面張力；通過選擇合適的毛細(xì)管，大范圍的氣泡生成周期是可以達(dá)到的，從十分之一秒到幾分鐘，而且可用來測動態(tài)表面張力；此種方法比微分毛細(xì)管上升法有更好的重復(fù)性。微分最大氣泡壓力法缺點：氣泡不斷生成可能會擾動液面平衡，改變液體表面溫度，因此不易控制氣泡形成速度；要求在氣泡逸出瞬間讀取氣泡的最大壓力，因此此值很難測準(zhǔn)；毛細(xì)管的半徑不易準(zhǔn)確測定；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)氣流流動時，會造成大氣壓的變化，使實驗測得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定誤差；為了消除溶液靜壓對測定結(jié)果的影響，測定時要求測量的毛細(xì)管插入液體中的深度為0，但要調(diào)整毛細(xì)管尖端與被測液面相切有一定的難度。四、微分最大氣泡壓力法的應(yīng)用舉例［5］本文以微分最大氣泡壓力法測定對二甲苯+乙酸體系的表面張力為為例說明該方法的應(yīng)用。精對苯二甲酸(PTA)是生產(chǎn)聚酯的原料。目前主要采用對二甲苯(PX)液相空氣氧化法生產(chǎn)，它以Co/Mn/Br為催化劑，乙酸為溶劑。在氧化反應(yīng)器中，主要是對二甲苯和乙酸二元體系，其表面張力數(shù)據(jù)至今未見文獻(xiàn)報道，不能滿足工程設(shè)計要求。本文采用改進(jìn)的微分最大氣泡壓力法建立了一套表面張力測定儀器，并對儀器進(jìn)行了誤微分析，測定了對二甲苯和乙酸二元體系常壓下，30?70°C范圍內(nèi)全濃度的表面張力數(shù)據(jù)。試驗裝置如圖2所示。試劑：三次蒸餾水；甲醇、乙醇均為HPLC級，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心，純度分別為99.9%和99.8%；苯：天津大學(xué)科威公司，AR,純度99.5%；對二甲苯：天津市大港石化公司，純度為99.9%；乙酸:天津大學(xué)科威公司，AR,純度為99.5%?；旌先芤和ㄟ^容量瓶稱重法配制，電子天平的精度為0.1mg，在配制過程中首先稱取所需量的對二甲苯，在不接觸容量瓶的情況下，用注射器直接注入乙酸，搖均即可，摩爾分?jǐn)?shù)的誤差小于1X10-4。儀器校驗：分別對水、甲醇、乙醇在常壓下30C的表面張力和純對二甲苯和乙酸在常壓下25C的表面張力進(jìn)行了測定，結(jié)果列于表1。由表1可以看出，所測結(jié)果均與文獻(xiàn)值符合得很好，說明了該方法的可行性和儀器的可靠性。mmN*in"(1HIL|ii'r；llllll'r|hriiibijiit\ill；LLiti-r；>Hii'i'<klld“aler30AI5707()7I.40'^eeU-Illji]nJ303I52I.922I.73l*<rtlianot3()3I52L472I.55^jr\yLuc2舷I527加27.76^12796ENtun1hrrid29$IS26眇27.12皿27()劉呵表1常壓下純物質(zhì)的表面張力對二甲苯+乙酸30~70C全濃度下的表面張力數(shù)據(jù)列于表2。其中x1為體系中乙酸的摩爾分?jǐn)?shù)，b為表面張力。J]瑯Hi幷*m"J55t■wr50C60C7Kccm212?26742620256725B24伽2299(1iOtilH21M(A姐IJ汕M?50822唸CL200027U26創(chuàng)26儁255525022291.fl2j!棒2h?260125尿B4622新A40002594巧422-1畀n躬esm25S7253424豁□冊2277a6m2&SI25T925矗24752272d700026$26212570251824{16M6622Ma附269站11羽W24歸3盤2.257(190002&512601255125OfJ24孔B5E2251LOfflO26卵25如25J!2491244223441145表2乙酸(1)+對二甲苯(2)體系的表面張力實驗值五、結(jié)論微分最大氣泡壓力法是一種新鮮表面的準(zhǔn)動態(tài)法，表面雜質(zhì)影響小，是傳統(tǒng)最大氣泡壓力法的一種改進(jìn)方法[7]。微分最大氣泡壓力法不但價格不貴，操作簡單，它還可以持續(xù)、自動的測量和記錄數(shù)據(jù)，可以廣泛應(yīng)用于從純烴類到熔融金屬，熔融鹽和工序控制等不容易測量的液體體系，而且溫度范圍寬，可以測靜態(tài)和動態(tài)的表面張力。本文主要介紹了微分最大氣泡壓力法的實驗原理、實驗裝置以及試驗步驟，并對在實驗過程中可能出現(xiàn)的一些非正?，F(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決方法。隨著測量微壓差技術(shù)的進(jìn)步，微分最大氣泡壓力法開始被提到了研究日程，并有代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的趨勢。參考文獻(xiàn)：LylykS.V，MakievskiA.V，KovalchukV.I，SshanoK-h.Theeffectofcapillarycharacteristicsontheresultsofdynamicsurfacetensionmeasurementsusingthemaximumbubblepressuremethod,ColloidsandSurfacesA:PhysciochemicalandEngineeringAspects,1998,135,27-40RosenthalAJ，ThomeSN.Surfacetensionasacontrolledvariableinmechanicaldishwashing,JournaloftheAmericanChemicalSociety,1986,63(7):931-934CunyKH,WolfKL.Thedeterminationsur