Aktywność powierzchniowa
Termin „aktywność powierzchniowa” opisuje zdolność powierzchni do oddziaływania z otoczeniem. W technologii cząstek odnosi się to przede wszystkim do zachowania cząstek na ich powierzchniach granicznych. Wraz ze spadkiem wielkości cząstek znacznie wzrasta udział atomów na powierzchni, tak że efekty powierzchniowe coraz bardziej dominują nad efektami objętościowymi.
W przypadku suchych proszków aktywność powierzchniowa jest determinowana głównie przez siły fizyczne. Kluczową rolę odgrywają oddziaływania międzycząsteczkowe i atomowe, w szczególności siły van der Waalsa. Działają one zawsze przyciągająco i wynikają z fluktuujących dipolów. Ich znaczenie wyraźnie wzrasta wraz ze zmniejszaniem się promienia cząstek.
Siłę van der Waalsa między dwiema kulistymi cząstkami można w uproszczeniu opisać następująco:
FvdW ≈ (AH · R) / (6 · D²)
- AH jest stałą Hamakera
- R jest promieniem cząstki
- D jest odległością między powierzchniami
Wraz ze spadkiem promienia wzrasta stosunek siły przyczepności do siły ciężkości. Dlatego drobne proszki mają tendencję do kohezji. Słabo się przesypują, tworzą aglomeraty i przylegają do powierzchni urządzeń. Oprócz sił van der Waalsa działają również siły elektrostatyczne. Powstają one w wyniku rozdzielenia ładunków podczas mieszania, tarcia lub transportu pneumatycznego. Szczególnie w przypadku suchych, izolujących proszków mogą występować wysokie ładunki powierzchniowe. Siły te mogą działać przyciągająco lub odpychająco. Wpływają one na rozdzielanie, ryzyko wybuchu pyłu i przywieranie.
Aktywność chemiczna powierzchni odgrywa rolę w elektrochemii i w przypadku reaktywnych substancji stałych. Reaktywne grupy funkcyjne na powierzchni cząstek mogą reagować z gazami lub innymi substancjami stałymi. Przykładami są utlenianie, hydroliza lub adsorpcja cząsteczek wilgoci i gazu. Efekty te zmieniają energię powierzchniową, a tym samym właściwości płynięcia.
Aktywność optyczna powierzchni ma również znaczenie w przypadku proszków. Opisuje ona oddziaływanie z promieniowaniem elektromagnetycznym. Właściwości emisyjne i absorpcyjne zależą od chropowatości powierzchni, koloru i składu chemicznego. Wpływa to na absorpcję ciepła, promieniowanie podczerwone i właściwości grzewcze w procesach suszenia lub reakcji.
W przypadku wilgotnych proszków spektrum sił powierzchniowych ulega rozszerzeniu. Oprócz oddziaływań suchych występują również siły kapilarne. Pomiędzy cząstkami tworzą się mostki cieczowe. Mostki te wytwarzają silne siły przyciągania i sprzyjają aglomeracji.
Siłę kapilarną można w uproszczeniu opisać jako:
Fkap ≈ 2 · π · R · γL · cos(θ)
- R to promień cząstki
- γL to napięcie powierzchniowe cieczy
- θ to kąt zwilżania.
Dlatego wilgotne proszki często wykazują silne właściwości kohezji. Aktywność powierzchniowa gwałtownie wzrasta. Typowymi skutkami są aglomeracja, tworzenie się brył i przywieranie do ścianek. W inżynierii procesowej efekt ten jest celowo wykorzystywany, na przykład podczas granulacji.
W przypadku mokrych proszków i zawiesin zachowanie jest determinowane przez granice między ciałem stałym a cieczą. Dominującą rolę odgrywają tu oddziaływania elektrostatyczne. Powierzchnie cząstek często są naładowane. Wokół każdej cząstki tworzy się elektryczna warstwa podwójna.
Współdziałanie przyciągających sił Van der Waalsa i odpychających sił elektrostatycznych opisuje teoria DLVO. Wynikowy potencjał oddziaływania decyduje o stabilności lub aglomeracji zawiesiny.
Odpychanie elektrostatyczne zależy od potencjału zeta. Wysokie wartości potencjału zeta prowadzą do stabilnych zawiesin. Niskie wartości sprzyjają flokulacji i sedymentacji.
Potencjał zeta jest trudny do zmierzenia. Dlatego w praktyce stosuje się zazwyczaj wzory odwrotne z wykorzystaniem równania Henry'ego.
Ζ = η ⋅ Ue / (2 ⋅ ε ⋅ f(κa))
Przy czym obowiązuje:
- Ue jest ruchliwością elektroforetyczną cząstki.
- η to lepkość dynamiczna cieczy.
- ε to stała dielektryczna (przenikalność elektryczna) ośrodka.
- f(κa) to funkcja Henry'ego, która zależy od wielkości cząstki i długości Debye'a.