Attività superficiale
Il termine attività superficiale descrive la capacità di una superficie di interagire con l'ambiente circostante. Nella tecnologia delle particelle, ciò si riferisce principalmente al comportamento delle particelle alle loro interfacce. Con la diminuzione delle dimensioni delle particelle, la percentuale di atomi sulla superficie aumenta notevolmente, cosicché gli effetti superficiali prevalgono sempre più sugli effetti di volume.
Nel caso delle polveri secche, l'attività superficiale è determinata principalmente da forze fisiche. Un ruolo centrale è svolto dalle interazioni intermolecolari e atomiche, in particolare dalle forze di Van der Waals. Queste forze hanno sempre un effetto attrattivo e sono dovute a dipoli fluttuanti. La loro importanza aumenta notevolmente con la diminuzione del raggio delle particelle.
La forza di Van der Waals tra due particelle sferiche può essere descritta in modo semplificato come segue:
FvdW ≈ (AH · R) / (6 · D²)
- AH è la costante di Hamaker
- R è il raggio delle particelle
- D è la distanza tra le superfici
Con la diminuzione del raggio, aumenta il rapporto tra forza di adesione e forza di peso. Per questo motivo le polveri fini tendono alla coesione. Scorrono male, formano agglomerati e aderiscono alle superfici degli apparecchi. Oltre alle forze di Van der Waals agiscono anche forze elettrostatiche. Queste sono causate dalla separazione delle cariche durante la miscelazione, l'attrito o il trasporto pneumatico. Soprattutto nel caso di polveri secche e isolanti possono verificarsi cariche superficiali elevate. Queste forze possono avere un effetto attrattivo o repulsivo. Influenzano la separazione, i rischi di esplosione di polveri e l'adesione.
L'attività chimica superficiale gioca un ruolo importante nell'elettrochimica e nei solidi reattivi. I gruppi funzionali reattivi sulla superficie delle particelle possono reagire con gas o altri solidi. Esempi sono l'ossidazione, l'idrolisi o l'adsorbimento di umidità e molecole di gas. Tali effetti modificano l'energia superficiale e quindi il comportamento di scorrimento.
L'attività ottica superficiale è rilevante anche per le polveri. Descrive l'interazione con la radiazione elettromagnetica. Le proprietà di emissione e assorbimento dipendono dalla rugosità superficiale, dal colore e dalla composizione chimica. Ciò influenza l'assorbimento di calore, la radiazione infrarossa e il comportamento di riscaldamento nei processi di essiccazione o reazione.
Nelle polveri umide, lo spettro delle forze superficiali si amplia. Oltre alle interazioni a secco, si verificano anche forze capillari. Tra le particelle si formano ponti liquidi. Questi ponti generano forti forze di attrazione e favoriscono l'agglomerazione.
La forza capillare può essere descritta in modo semplificato come:
Fkap ≈ 2 · π · R · γL · cos(θ)
- R è il raggio della particella
- γL è la tensione superficiale del liquido
- θ è l'angolo di contatto.
Le polveri umide mostrano quindi spesso un comportamento fortemente coesivo. L'attività superficiale aumenta notevolmente. Agglomerazione, formazione di grumi e adesione alle pareti sono conseguenze tipiche. Nell'ingegneria dei processi questo effetto viene sfruttato in modo mirato, ad esempio nella granulazione.
Nel caso delle polveri umide e delle sospensioni, il comportamento è determinato dalle interfacce tra solido e liquido. In questo caso le interazioni elettrostatiche giocano un ruolo dominante. Le superfici delle particelle sono spesso cariche. Intorno a ogni particella si forma un doppio strato elettrico.
L'interazione tra le forze di attrazione di Van der Waals e le forze di repulsione elettrostatica è descritta dalla teoria DLVO. Il potenziale di interazione risultante determina la stabilità o l'agglomerazione della sospensione.
La repulsione elettrostatica dipende dal potenziale zeta. Valori elevati del potenziale zeta portano a sospensioni stabili. Valori bassi favoriscono la flocculazione e la sedimentazione.
Il potenziale zeta è difficile da misurare. Pertanto, nella pratica si utilizzano principalmente formule inverse con l'aiuto dell'equazione di Henry.
Ζ = η ⋅ Ue / (2 ⋅ ε ⋅ f(κa))
In questo caso vale:
- Ue è la mobilità elettroforetica della particella.
- η è la viscosità dinamica del liquido.
- ε è la costante dielettrica (permittività) del mezzo.
- f(κa) è la funzione di Henry, che dipende dalla dimensione delle particelle e dalla lunghezza di Debye.