קביעת מדויקת של ערכי מתח שיווי משקל עם מבחני שטח

Summary

שני פרוטוקולים לקביעת המתח שיווי משקל (EST) ערכים באמצעות שיטת הבועה המתעוררים (EBM) ושיטת בועת הספינינג (SBM) מוצגים עבור השלב המכיל מימית המכילים ממים נגד האוויר.

Abstract

אנו מדגימים שני פרוטוקולים חזקים לקביעת המתח משטח שיווי משקל (EST) ערכים עם בדיקות אזור הפרטורציה. ערכי EST צריכים להיות נחושים בעקיפין מערכי מתח פני השטח הדינאמי (DST) כאשר המתח של פני השטח (ST) במצב יציב ויציב נגד רטבאליות. שיטת הבועה המתעוררים (EBM) ושיטת בועת הספינינג (SBM) נבחרו, כי, עם שיטות אלה, זה פשוט להציג את האזור רטבאליות תוך המשך מדידות מתח דינמי. התרחבות פתאומית או דחיסה של בועת אוויר שימשו כמקור לשימוש בשטח עבור ה-EBM. עבור SBM, שינויים בתדר הסיבוב של הפתרון לדוגמה שימשו כדי לייצר שטח רטבאליות. טריטון X-100 תמיסה מימית של ריכוז קבוע מעל הריכוז מיצלה הקריטי שלה (CMC) שימש כפתרון מודל הסקר. ערך EST נחוש של ממשק אוויר/מים מודל מ-EBM היה 31.5 ± 0.1 mN · m^-1 וכי מ sbm היה 30.8 ± 0.2 mN · m^-1. שני הפרוטוקולים המתוארים במאמר מספקים קריטריונים חזקים ליצירת ערכי EST.

Introduction

קביעת המתח שיווי משקל (EST), או המתח הפנימי בשיווי משקל (EIFT), של ממשק אוויר/מים או שמן/מים מסוים, הוא צעד קריטי עבור יישומים במגוון רחב של תחומים תעשייתיים כגון החלטיות, שחזור שמן משופר , מוצרי צריכה ורוקחות^1,2,3,4. ערכי מתח כאלה צריכים להיקבע בעקיפין ממתח הפנים הדינמי (DST) או מהמתח הפנימי הדינמי (DIFT), משום שרק ערכי מתח דינאמיים ניתנים למדידה ישירה. במרווחי זמן קבועים נקבעים ערכי מתח דינאמיים (כלומר, מדידת ערכי המתח כפונקציה של זמן). ערכי מתח שיווי משקל נחשבים כקבועים כאשר ערכי שעון הקיץ נמצאים במצב קבוע. שיווי משקל אמיתי ערכי מתח מבוססים טוב יותר כאשר הם יציבים נגד רטבאליות⁵. מספר תצפיות על מרגוע המתח לאחר דחיסת שטח המשטח דווחו בעבר על ידי מילר ולונקהיימר, שהשתמשו בשתי שיטות הטפרומטריה הקלאסית, טבעת Du noüy והצלחת ווילמינה שיטות^{6,7 ,8}. שיטות אלה פחות מדויקות מאלה המשמשות במחקר זה, והדסטים הללו נמדדו כל כמה דקות. טכניקות רבות פותחו למדידת מתח פני השטח (ST) או מתח הפנים (IFT) ערכים של ממשקים, אבל יש רק קומץ של טכניקות שניתן להשתמש בהם כדי למדוד את הערכים שעון קיץ או DIFT ולאפשר לאחד להחיל רטבאליות כדי לבדוק את יציבות של ערכי המתח הקבוע במצב יציב⁹. אם התמיסה הימית מכילה תערובות של חומרים מתכלים, וכאשר אחד מהרכיבים מהיר הרבה יותר מהאחרים, ייתכן שיהיה מישור זמני בשעון הקיץ¹⁰. לאחר מכן השיטות שהוצגו לא יעבוד היטב את המאזניים זמן קצר כמו עבור מרכיב אחד הגולש, אבל הם עדיין יכולים לעבוד אם ההליכים מורחבים מעט כדי לכסות את המאזניים זמן ארוך יותר.

הפרוטוקולים המתוארים כאן מציגים נתונים מייצגים רק עבור ערכי מתח הפנים של האוויר/מימית הפתרון. עם זאת, פרוטוקולים אלה חלים גם עבור IFT של פתרון מימית נגד נוזל שני, כגון שמן, אשר מimmiscible עם הפתרון מימית ויש לו צפיפות קטנה יותר מזו של הפתרון מימית. כאן, אנו מציגים שתי שיטות חזקות המקיימות קריטריונים אלה, שיטת הבועה המתפתחת (EBM) ושיטת בועת הספינינג (SBM). בשתי השיטות, האחד קובע ערכי ST המבוססים על צורות בועה ואינם מחייבים מידע על זווית המגע, אשר יכול להציג ודאות משמעותית ושגיאות למידות. עבור ה-EBM, האזור רטבאליות מוצגים על ידי שינוי פתאומי את עוצמת הקול של הבועה המתעוררים מתוך קצה מחט מזרק. עבור SBM, שינויים בתדר הסיבוב של הדגימות משמשים עבור שטח רטבאליות. הפרוטוקולים המפורטים מיועדים להנחות את החוקרים בתחום, כך שהם יכולים להימנע מטעויות נפוצות או שגיאות בtensiometry דינמית ושיווי משקל ולסייע במניעת פרשנויות לא מדויקות של הנתונים הנרכשים.

Protocol

1. מפרט מכשיר מינימלי

1. הכינו מדידת מהירות עבור ה-EBM עם המפרט הבא: (i) מערכת שליטה על נפח הגז החילוק; (ii) מצלמה ללכידת תמונת הבועה; (iii) תוכנת ניתוח תמונה לפתירת משוואת לפלס-צעירה (משוואת משוואות LY) באמצעות אלגוריתם ניתוח צורת בועה axisymmetric^11,12; ו (iv) תא המדגם מבוקרת טמפרטורה.
   הערה: בדרך כלל ניתן להשתמש בכלי עבור ה-EBM גם לשיטת הירידה בתליון, שבה נוצרת ירידה קטנה ותלויה אנכית מקצה מחט המזרק.
2. הכינו מדידת מהירות עבור SBM עם המפרט הבא: (i) מחזיק שפופרת לדוגמה כי הוא מסוגל לסובב מחזיק צינור לדוגמה אופקית בתדרים סיבוב גבוה של לפחות 6,000 rpm; (ii) מצלמה עבור לכידת את התמונה של בועת ספינינג בצינור; ו (iii) תוכנת ניתוח תמונה כדי לפתור את המשוואה הכללית LY ו משוואת וונגוט¹³.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.

2. חומרים והכנות לדוגמה

1. להשיג מים טהורים ממנגנון טיהור מים. הסרוב של המים על 25 ° צ' על הפלט המכשיר צריך להיות 18.2 MΩ · ס"מ או קרוב.
2. נקו את כל מבחנות הורוסיליקט, תאי הקוורץ, כלי הזכוכית והברים המגנטיים, על ידי השריה במים טהורים לפחות 8 שעות וחוזרים על תהליך הספיגה לפחות עוד פעם אחת.
   הערה: תהליך הספיגה נועד להסיר יונים שיורית ממיכלי הזכוכית, שיכולים להשפיע באופן משמעותי על ערכי המתח בפני השטח.
3. הכינו פתרון מעניין בכלי הזכוכית הנקיים.
   הערה: ריכוז החומרים צריך להיות נמוך יותר ממגבלת מסיסות במים.
4. רוחצים כל מכולה שישמשו למדידות המתח עם פתרון המדגם שישמש למדידות בפועל לפני הטעינה לדוגמה.
5. למדוד את צפיפויות הדגימות הנוזלי לפני מדידת המתח עד שלוש או ארבע דמויות משמעותיות.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.

3. משטח ושיטת בועה מתפתחים (EBM)

1. כיול התקן רכישת התמונה של מדידת הסיביות בהתאם למדריך המשתמש של הספק.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
2. בחר מחט הפוכה פלדת אל-חלד המבוססת על קוטר הבועה המקסימלי המשוער מערכי מתח פני השטח המשוער.
   הערה: קוטר הבועה המקסימלי יכול להיות מוערך מאורך נימי, d_c (, כאשר γ הוא מתח פני השטח (N · m^-1), Δρ הוא הבדל הצפיפות של השלב הנוזלי ואת האוויר (ק"ג · m^-3), ו- g היא האצת כבידה (m²· s^-1)). נפח הבועה המירבי (V_max) ניתן להערכה כ- πd_c³/6.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
3. מניחים את המחט נירוסטה הפוכה, המתקבל מאותו ספק של tensiometer, בקצה של המכשיר מחלק.
   הערה: מתקן אוטומטי מומלץ לעומת מזרק ידני, כי זה קל יותר ומדויק יותר עבור המשתמשים לייצר את אמצעי האחסון הרצוי, ולאחר מכן, נפח ואזור רטבאליות על פני השטח. הצעד הקטן ביותר של הנפח של מנפק מומלץ להיות פחות מ 1 μL, מ 0.2-0.5 μL, כדי לייצר רטבאליות אזור מדויק. הפרוטוקול יכול להיות מושהה כאן.
4. קבעו את נפח המדגם הנוזלי למדידות המתח, כך שעומק המדגם הנוזלי ארוך מספיק כדי לקבל את כל החלק ההפוך של המחט המדירה מתחת לגוף, וכדי לקבל עומק של כ -20 מ"מ של דגימת נוזל בין ה קצה המחט הפוכה ומשטח הדגימה הנוזלית.
5. טען דגימת נוזל בתא הקוורץ והציבו את התא על גבי פלטפורמת הדגימה. בדוגמה שלנו, נפח הדגימה הנוזלית היה 40 mL.
6. להתאים את הגובה של המחט הפוכה כך קצה המחט היא לפחות 20 מ"מ מתחת לפני השטח של דגימת נוזל.
7. התאימו את מיקום המחט ההפוכה כך שגבול קצה המחט מקביל למשטח האוויר הנוזלי.
8. הכנס ~ 1 mL של אוויר דרך המחט הפוכה מתחת לפני הסיר כדי להסיר זיהומים שיכול להיות נוכח על קצה המזרק. הליך זה משמש לשיפור הטוהר הכימי של פני השטח של ממשק האוויר/נוזלי.
9. הערך את עוצמת הבועה המרבית (V_max) בפרוצדורה המתוארת כדלקמן. ראשית, לוותר על 2 μL של אוויר כדי ליצור בועה בקצה של המזרק ולהתבונן בצורת בועה. לאחר מכן, להגדיל את נפח הבועה על-ידי ~ 0.5 μL ולהתבונן בצורת בועה. חזור על שני השלבים הקודמים עד לניתוק הבועה מקצה המחט. שלב זה מציין את ה-V_max.
10. קבע את הטווח המתאים של אמצעי האחסון של הבועה, בהתבסס על ערכת התצפיות הקודמת.
    הערה: צורת הבועה צריכה להיות שאינה כדורית, מעוות באופן משמעותי על ידי כוח הכבידה, כדי לאפשר שימוש מדויק של שחרור הצורה axisymmetric האלגוריתם ניתוח, ואת נפח הבועה צריך להיות קטן למדי מאשר V_max כדי למנוע ניתוק בועה מן ה קצה מחט. עבור תיאור המזרק עם הקוטר הפנימי של 0.84 מ"מ, נפח הבועה הראשונית המועדף הוא על 4 μL.
11. קבע את עוצמת הקול ההתחלתית המבוססת על טווח אמצעי האחסון שנקבע מהשלב הקודם. נפח הבועה הראשונית צריך להיות קרוב לאמצע של טווח אמצעי האחסון בועה, כך את אמצעי האחסון, והאזור, רטבאליות לייצר בועות בתוך הטווח.
12. מוותר על נפח הבועה הראשונית שנקבע מראש מהשלב הקודם כדי ליצור בועה בקצה של קצה המזרק ההפוכה. ודא כי הבועה היא בשיווי משקל הידרוסטטי, כלומר המתח פני השטח מאזן את כוחות הכבידה (ציפה).
    הערה: חשוב לקבל את הבועה מוצמד מחוץ למתחם קצה המחט כדי למנוע נוכחות של פתרון החומרים הגולש בתוך מחט המזרק. אם הבועה מוצמדת לתוך קצה המחט, חזור על השלב 3.8 כדי לטהר את קצה המחט.
13. למדוד את המתח פני השטח דינמי מבוסס על הצורה של בועת האוויר המיוצר בקצה של קצה המחט כל 1 s, או מרווח זמן אחר מוגדר מראש. האלגוריתם המספרי המומלץ לחישוב מתח פני השטח הוא אחד המבוסס על שיטת ניתוח צורת הירידה axisymmetric של המשוואה הולי^11,12.
14. השוואת הצורה הממשית של הבועה בצורה המחושבת. אם שתי הצורות חופפות לחלוטין, או כמעט, האדם מסיק שהמשוואה השיווי משקל חוקית עבור כל צורה דינאמית ומשתנה באופן איטי. הסקנה זו חוקית לחלוטין כאשר הבועה מפסיקה לנוע, והפסקת השינוי מפסיקה להיות בעלת איזון הידרוסטטי.
    הערה: הקריטריון שערך המתח של פני השטח הוא אחיד בכל הממשק ושהשפעות הידרודינמיות אינן חשובות היא שצורת ממשק הבועה המחושבת המבוססת על ערכי מתח המשטח הנגזרת המיטבית חופפת באופן חזותי עם ה צורת ממשק בועה בפועל. בדיקות כמותיים נוספות אפשריות אך לא ייחשבו במאמר זה.
15. למדוד את המתח פני השטח כפונקציה של זמן עד המתח הראשון המצב הקבוע של פני השטח (SST₁) מושגת. SST מוגדר כערך הרמה שמעבר לו מתח פני השטח משתנה על ידי פחות מ 1 mN · m^-1 (או על ידי פחות מ 5%) במספר (10 עד 100) מדידות מתח משטח דינמי ברציפות.
16. הקלט את עוצמת הבועה (V₁) ואת פני השטח (A₁)
17. הפחת את עוצמת הקול של הבועה על-ידי הסרת ~ 1 μL של אוויר, והקלט את עוצמת הקול החדשה, V₂ והאזור, A₂ (ראה איור 1).
18. המשך למדוד את שעון הקיץ ואת האזורים עד שעון הקיץ יגיע ל-SST השני (SST₂) בנפח הבועה של V₂.
19. הרחב את נפח הבועה על-ידי הזרקת ~ 1 μl של אוויר כך V₃ ≈ v₁ ו ₃ ≈ ₁.
    הערה: לאחר v₃ ו- ₃ בדיוק שווה ל- v₁ ו _-1 אינו חיוני.
20. המשך למדוד ערכי שעון קיץ עד להגעת SST (SST₃) השלישי. אם שלושת ערכי SST שונים זה מזה על ידי פחות מ 1.0 mN · m^-1, או על ידי 5%, אז הממוצע שלהם מוגדר מתח משטח שיווי משקל (EST).
    הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.

4. משטח עם שיטת בועה מסתובבת (SBM)

1. כיול התקן רכישת התמונה של מדידת הסיביות בהתאם למדריך המשתמש של הספק.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
2. ממלאים את שפופרת הזכוכית של מחזיק המדגם, תואם tensiometer ספינינג למדידה, עם דגימת נוזל ולסגור את המכסה. אין להציג בועות אוויר בתוך צינור הזכוכית.
   הערה: מומלץ להשתמש במחזיק הדגימה ובצינור הזכוכית, המסופקים על-ידי ספק הכלי או התואמים לחומרי הלחץ.
3. מניחים את מחזיק המדגם המלא בתוך החדר המסתובב של הטאנמטר המסתובב.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
4. ספין הצינור בקצב נמוך של ~ 500 סל ד כדי למנוע את הבועה המוזרקת לעבור כלפי מעלה ו/או חיבור לקיר הצינור.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
5. טען ~ 2.0 μL של אוויר במזרק.
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
6. הכנס את המחט מזרק חודר דרך מחיצת פולימר איטום החלק העליון של צינור ספינינג.
7. להזריק בועת אוויר של ~ 2.0 μL לתוך השפופרת מסתובב.
   הערה: עוצמת הבועה בדרך כלל נשארת קבועה, אלא אם כן הבועה נשברת. אם הבועה נשברת, עדיף להתחיל שוב את התהליך.
8. להגדיל את תדירות הסיבוב של מחזיק המדגם כדי ν₁ כך את הבועה בתוך הצינור זכוכית מעוות כך את היחס של אורך הבועה האופקית (L) ואת רדיוס של אמצע הבועה (R) כדי להגיע לערך של 8 או גדול.
   הערה: אם, עם הכלי הזמין, את השפופרת לדוגמה לא ניתן לסובב בתדר הסיבוב גבוה מספיק כדי לאפשר דפורמציה בועה משמעותית יש יחס L/R של 8 או יותר, משוואת LY הכללית ניתן להשתמש כדי לחשב שעון קיץ ערכים.
9. כוונן את זווית ההטיה של תא המדידה המכיל את הצינורית, במידת הצורך, כדי למקם את הצינור לדוגמה בכיוון אופקי, כדי למנוע תנועת בועות, וכיצד לסייע בהשגת שיווי משקל (הידרוסטטי בנוזל מסתובב) ל צורה axisymmetric הניח במשוואה LY האלגוריתם בשימוש.
   הערה: גירוסטטים שיווי משקל מוגדר לסיבוב בועות, בצורה אנלוגית לאיזון הידרוסטטי של בועות שאינן מסתובבות, כאשר הבועה אינה נעה.
10. מדוד את ערכי שעון הקיץ במרווח זמן מוגדר מראש. הערך האופייני הוא 1 s.
11. המשך למדוד את שעון הקיץ בתדר סיבוב קבוע, ν₁, עד שהוא מגיע לערך מצב יציב (sst₁) ולהקליט את sst₁ ואת תדירות הסיבוב ν₁ (ראה איור 2).
12. הקלט את עוצמת הבועה, V₁ ואזור, ₁.
13. לשנות את תדירות הסיבוב לתדר סיבוב שני, ν₂, כדי לשנות את פני השטח.
14. המשך למדוד את שעון הקיץ בתדר סיבוב קבוע, ν₂, עד שהוא מגיע לערך שני של מצב קבוע (sst₂) ותדירות הסיבוב ν₂.
15. הקלט את עוצמת הבועה, V₂ ואזור, ₂.
    הערה: v₂ צריך להיות מאוד קרוב V₁.
16. שנה את תדירות הסיבוב ל- ν₃.
    הערה: לאחר ν₃ בדיוק שווה ל- ν₁ אינו חיוני.
17. מדוד ערכי שעון קיץ בתדר סיבוב קבוע, ν₃, עד הערך השלישי של מצב קבוע, sst₃, מגיע.
18. שיא ν₃ ו ₃.
19. 4.19. כאשר שלושת ערכי SST שונים זה מזה בפחות מ 1.0 mN · m^-1 (או על ידי פחות מ 5%), הממוצע שלהם נלקח להיות "EST".

תוצאות

מתח משטח דינמי מתח משטח שיווי משקל של טריטון מימית X-100 פתרון עם EBM
ערכי SST של טריטון X-100 פתרונות נגד האוויר נמדדו, ואת היציבות שלהם נבדק 5 מ"מ פתרון מימית; CMC של החומרים הללו במים הוא 0.23 מ"מ¹⁴. SST₁, 31.5 ± 0.1 mN · m^-1, התקבל כ 20 s לאחר הבועה נוצרה (איור 3). ?...

Discussion

ה-EBM ו-SBM הם שיטות פשוטות ואיתנות לקביעת ערכי מתח לממשקי אוויר/מים או שמן/מים בלחץ אטמוספירי. מידע תנאי מוקדם עבור שיטות אלה הוא הצפיפות של כל שלב, ולא מידע זווית המגע נדרש לקביעת ערכי המתח⁹. המגבלה העיקרית של הטכניקות היא כי הדגימות צריך צמיגות נמוכה, ולהיות חד פאזי או מתחת מסיסו...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
10 µL, Model 1701 SN SYR, Cemented NDL, Custom gauge, length, point style	Hamilton	80008	gauge: 26s, needle length: 2.5 inch, point style: 2
Anton Paar Density Meter	Anton Paar	DMA 5000
Barnstead MicroPure Water Purification System	Thermo Fisher Scientific	50132374
Emerging bubble tensiometer	Ramé-Hart Instrument Company	Model 790
Spinning bubble tensiometer	DataPhysics Instruments	SVT 20
Triton X-100	Sigma-Aldrich	X100