Actividad superficial
El término «actividad superficial» describe la capacidad de una superficie para interactuar con su entorno. En la tecnología de partículas, esto se refiere principalmente al comportamiento de las partículas en sus interfaces. A medida que disminuye el tamaño de las partículas, la proporción de átomos en la superficie aumenta considerablemente, de modo que los efectos superficiales predominan cada vez más sobre los efectos volumétricos.
En los polvos secos, la actividad superficial está determinada principalmente por fuerzas físicas. Las interacciones intermoleculares y atómicas, en particular las fuerzas de Van der Waals, desempeñan un papel fundamental. Estas fuerzas siempre actúan de forma atractiva y se deben a dipolos fluctuantes. Su importancia aumenta significativamente a medida que disminuye el radio de las partículas.
La fuerza de Van der Waals entre dos partículas esféricas se puede describir de forma simplificada mediante:
FvdW ≈ (AH · R) / (6 · D²)
- AH es la constante de Hamaker
- R es el radio de la partícula
- D es la distancia entre las superficies
A medida que disminuye el radio, aumenta la relación entre la fuerza de adhesión y la fuerza de gravedad. Por eso, los polvos finos tienden a la cohesión. Fluyen mal, forman aglomerados y se adhieren a las superficies de los aparatos. Además de las fuerzas de Van der Waals, también actúan fuerzas electrostáticas. Estas se producen por la separación de cargas durante la mezcla, la fricción o el transporte neumático. Especialmente en el caso de polvos secos y aislantes, pueden producirse altas cargas superficiales. Estas fuerzas pueden tener un efecto de atracción o repulsión. Influyen en la separación, los riesgos de explosión de polvo y la adhesión.
La actividad química de la superficie desempeña un papel importante en la electroquímica y en los sólidos reactivos. Los grupos funcionales reactivos de la superficie de las partículas pueden reaccionar con gases u otros sólidos. Algunos ejemplos son la oxidación, la hidrólisis o la adsorción de humedad y moléculas de gas. Estos efectos modifican la energía superficial y, con ello, el comportamiento de flujo.
La actividad óptica superficial también es relevante en los polvos. Describe la interacción con la radiación electromagnética. Las propiedades de emisión y absorción dependen de la rugosidad de la superficie, el color y la composición química. Esto influye en la absorción de calor, la radiación infrarroja y el comportamiento de calentamiento en los procesos de secado o reacción.
En los polvos húmedos, el espectro de fuerzas superficiales se amplía. Además de las interacciones en seco, se producen fuerzas capilares. Se forman puentes líquidos entre las partículas. Estos puentes generan fuertes fuerzas de atracción y favorecen la aglomeración.
La fuerza capilar se puede describir de forma simplificada como:
Fkap ≈ 2 · π · R · γL · cos(θ)
- R es el radio de la partícula
- γL es la tensión superficial del líquido
- θ es el ángulo de contacto.
Por lo tanto, los polvos húmedos suelen mostrar un comportamiento muy cohesivo. La actividad superficial aumenta repentinamente. Las consecuencias típicas son la aglomeración, la formación de grumos y la adhesión a las paredes. En la ingeniería de procesos, este efecto se utiliza de forma específica, por ejemplo, en la granulación.
En el caso de los polvos húmedos y las suspensiones, el comportamiento viene determinado por las interfaces entre el sólido y el líquido. Aquí, las interacciones electrostáticas desempeñan un papel dominante. Las superficies de las partículas suelen llevar cargas. Alrededor de cada partícula se forma una doble capa eléctrica.
La interacción entre las fuerzas de atracción de Van der Waals y las fuerzas de repulsión electrostáticas se describe mediante la teoría DLVO. El potencial de interacción resultante determina la estabilidad o la aglomeración de la suspensión.
La repulsión electrostática depende del potencial zeta. Los valores altos del potencial zeta dan lugar a suspensiones estables. Los valores bajos favorecen la floculación y la sedimentación.
El potencial zeta es difícil de medir. Por eso, en la práctica se suelen utilizar fórmulas inversas con ayuda de la ecuación de Henry.
Ζ = η ⋅ Ue / (2 ⋅ ε ⋅ f(κa))
Se aplica lo siguiente:
- Ue es la movilidad electroforética de la partícula.
- η es la viscosidad dinámica del líquido.
- ε es la constante dieléctrica (permitividad) del medio.
- f(κa) es la función de Henry, que depende del tamaño de las partículas y de la longitud de Debye.