固液界面效应
第五章固液界面解析
第五章固-液界面要求：掌握You ng方程和接触角；了解粘附功和内聚能，You ng-Dupre公式，接触角的测定方法，接触角的滞后现象，以及固体表面的润湿过程；理解固液界面的电性质，即扩散双电层理论，包括：Gouy-Chapman理论，Debye-Hukel 对Gouy-Chapman 公式的近似处理，Stern 对Gouy-Chapman 和Debye-Hukel 理论的发展；理解动电现象，平面双电层之间的相互作用，球状颗粒之间的相互作用；掌握新相形成，即成核理论，以及促进成核的方法。
§5.1 Young方程和接触角1、固体表面的润湿固体被某种液体润湿或不能润湿，叫亲某种液体或疏（憎）某种液体，例如：亲水性（疏油性，疏气性）；亲油性（亲气性，疏水性）。
根据水对固体表面的亲、疏性大小，水滴在固体表面，会出现如图5-1所示三种情况。
图5-1水在固体表面的润湿情况2、润湿性的度量一一润湿接触角 9三相接触周边：液滴在固体表面，会存在固液气三相接触线，将液滴在固体表面铺展平衡时的固液气三相接触线叫三相平衡接触周边。
平衡接触角或接触角9:三相平衡周边任意一点上的液气界面张力「g和液固界面张力Gs之间的夹角，叫润湿接触角9，如图5-2所示亲水性固体表面中等亲水性固体表面疏水性固体表面讨论：标出下列图中的润湿接触角液气接触角B可定量描述固体被液体润湿的大小，接触角越小，润湿性越好, 接触角越大，润湿性越差。
一般分下面三种情况：(1)9 < 90°时：被润湿，润湿过程对外做功，有放热现象；(2)9 = 90°时：中等，无现象；(3)9 > 90°时：不被润湿，外界对系统做功，有吸热现象。
3、You ng 方程如图5-2所示，润湿周边任意一点上，当润湿达平衡时，其在水平方向上的受力合力应为零，则应有：二ls Gg COS T _；「sg = 0(5-1)上述方程即为You ng方程，它是研究固液润湿作用的基础方程。
胶体化学第7章-2 固液界面的吸附作用
对稀溶液，Gibbs等温式可写作
c n RT c S
S :固体的比表面
将（１）式代入求导
Sc ( 0 m ) dn n s RT n dc
s 2
s 2
作不定积分
n RT ln n ln c ln a ( 0 m )S
s 2
s
set
n s RT 1 ( 0 m )S n
n ac
s 2
1
n
加而直线降低的关系导出的 关系式，只适用于中等覆盖度的化学吸附或物理 吸附。
1 =n / n ln Ac a s n2 k1 k2 ln c
s 2 s m
四、自电解质溶液中的吸附
1. 固体表面与介质在液体介质中带电
a.表面基团解离 b.吸附带电 c.非水介质中的带电... 为了保持荷电固体和介质的电中性，介质中的 与固体表面电荷符号相反的离子必将靠近表面 形成双电层（double layer）。
四、自电解质溶液中的吸附
2 双电层
Stern面
滑动面
－ － 溶剂分子 － 反离子 － －
表面电势
φ0
Stern电势
φδ
ζ
＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－
－
紧密层（Stern层）
扩散层
例：AgNO3＋过量KCl →AgCl（晶体）＋K+＋Cl-＋NO3-
①Cl-可在AgCl晶体上吸附成牢固的化学结合
b 结构影响 ： 碳自水溶液中吸附量 在水中的溶解度
（2）溶剂影响
溶剂/溶质作用强烈，溶解度上升，吸附量降低 溶剂/吸附剂作用强烈，竞争吸附，吸附量降低
（3）吸附剂影响
第四章.液-固界面及现象
Cosθ 随着浮选剂浓度的增 润湿角θ也增加 也增加， 加，润湿角 也增加， 疏水性增加。 疏水性增加。Cosθ减 减 小，将Cosθ对浮选剂 对浮选剂 浓度作图可得如图所 示的情况。 示的情况。这就是润 Ｃｎ 湿等温线。 湿等温线。
0
当Cosθ＝0时，浮选剂在矿苗表面上达到饱和吸附， ＝ 时 浮选剂在矿苗表面上达到饱和吸附， 其表面完全疏水化。 与其对应的浓度称为特征浓度。 其表面完全疏水化 。 与其对应的浓度称为特征浓度 。 这时气体产生气泡， 易与疏水的矿苗结合 ， 矿苗便 这时气体产生气泡 ， 易与疏水的矿苗结合， 浮于水面。 浮于水面。 Ｃｎ作为特征浓度 ， Ｃｎ 作为特征浓度， 该值减小表明相应的浮选剂越 作为特征浓度 好。
原理：浮选剂如磺原酸钠（ROCSSNa）为表面活性 原理：浮选剂如磺原酸钠（ ） 剂。分子一端是极性基，另一端为非极性基，它与 分子一端是极性基，另一端为非极性基， 矿苗（表面亲水）接触时，其亲水基便与矿苗表面 矿苗（表面亲水）接触时， 结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时， 结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时，矿苗表面被 包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。 包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。该膜的外 侧为憎水基团。 侧为憎水基团。于是整个矿苗就由亲水变成疏水的 了。
润湿的应用 极性大的固体表面容易被极性液体（ 水 ） 润湿， 习 极性大的固体表面容易被极性液体 （ 润湿 ， 惯上称为亲水。 非极性固体不能被水润湿（ 惯上称为亲水 。 非极性固体不能被水润湿 （ 也叫憎 水）。但润湿情况是可以被调节的。 但润湿情况是可以被调节的。 如玻璃易被水润湿， 如玻璃易被水润湿 ， 但却不易被逆性肥皂的稀水溶 液润湿， 液润湿 ， 这是因为玻璃表面吸附了反电荷的逆性肥 皂离子的缘故。 皂离子的缘故。
6环境化学-水环境中固-液界面的相互作用1(王晓蓉)
第六章 水环境中固－液界面的相互作用
② 离子交换吸附
m(Si+ -M On+ H) Hum CO+ O M 2H+
OH
(Si-m OM n)-m ++m+ H Hum O C- O - M O2+
阳离子交换吸附作用的特征： 反应是可逆的，可迅速达到平衡 按照化学计量关系进行，与温度无关 阳离子交换能力与许多因素有关，包括：阳离子价态，价态越
3、 Stern模型
Stern 对 扩 散 双 电 层 模 型 作 进一步修正。
他认为吸附在固体表面的 紧密层约有一、二个分子层的 厚度，后被称为Stern层；
由反号离子电性中心构成 的平面称为Stern平面。
第六章 水环境中固－液界面的相互作用
三、胶体颗粒物的性质 2、双电层模型 胶体表面存在电荷后，使溶液中界面区域内电荷分布被扰乱而形 成局部的不均等分布，由此构成双电层。
第六章 水环境中固－液界面的相互作用
三、胶体颗粒物的性质
3、胶体粒子的凝聚 在水处理中胶体悬浮体中粒子的凝聚或沉淀过程是很重要的。
胶体颗粒的聚集亦可称为聚沉和絮凝。
聚沉：由电介质促成的聚集。胶粒是由于双电层间（吸附离 子层和反号离子层）静电排斥的障碍，要实现聚沉，必须把 静电排斥减弱，以便于相同物质胶粒能够聚沉。
高交换能力越大；水化程度，对于同价态阳离子，阳离子半径 越大、水膜越薄、水化程度越低的交换能力越大；
蒙脱石对二价离子的吸附：Pb2+>Cu2+>Ca2+>Ba2+>Mg2+>Hg2+ 高岭石对二价离子的吸附：Hg2+>Cu2+>Pb2+
引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型_兰忠
第56卷 第9期 化 工 学 报Vo l 56 N o 92005年9月 Journal o f Chemical Industry and Eng ineering (China) September 2005研究论文引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型兰 忠,马学虎,张 宇,周兴东,陈嘉宾(大连理工大学化工学院精细化工国家重点实验室,化学工程研究所,辽宁大连116012)摘要:针对液固界面相互作用对滴状冷凝传热的影响,以Ro se 滴状冷凝传热模型为基础,考虑接触角、脱落直径对冷凝传热的影响,对滴状冷凝过程中液滴空间序列上的构象,作时间序列上的重构,建立了包含液固界面效应的滴状冷凝传热模型.模型计算结果表明液固表面自由能差越大、接触角滞后越小则越有利于冷凝传热.为滴状冷凝文献数据间存在差异的原因提供了一个新的解释,即液固界面效应的影响.模型可计算得到在不同界面条件下的不同传热结果,模型计算结果与Ro se 实验值以及本文滴状冷凝传热实验较为吻合.关键词:滴状冷凝传热模型;接触角;脱落直径;液固界面效应中图分类号:T K 124 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2005)09-1626-07Dropwise con den sation heat transfer model with liqu id -solidsurface free energy difference effectLAN Zhong,MA Xuehu,ZHAN G Yu,ZH OU Xingdong,CH EN Jiabin(State K ey L aborator y of Fine Chemicals ,I ns titute of Chemical Engineer ing ,D alian Univ er s ity of T echnol ogy ,D alian 116012,L iaoning,China)Abstract:Dr opw ise condensation heat transfer perform ance depends on not only the condensing conditions,but also the inter facial interaction betw een liquid and so pared to the w el-l established Rose s model,a new model of dropwise condensation heat transfer w as proposed by considering the interfacial interaction between liquid and solid,and was established by rebuilding the space conformation of drop distribution into time conformation.The simulation results indicated that heat transfer coefficient increased w ith increasing surface free energy difference and decreasing contact ang le hysteresis.A larger contact angle and the smaller departure drop size resulted in higher heat transfer coefficient.Different interfacial effects gave rise to different heat transfer curves.For the identical solid -liquid -vapor system,the simulation results agreed well with the present experimental data and those reported by Rose.T he disagreement between experimental results in literature might be well explained with the concept of the present paper.Key words:dro pw ise co ndensation heat transfer model;contact ang le;departure diam eter;interfacial interaction2004-08-10收到初稿,2004-10-25收到修改稿.联系人:马学虎.第一作者:兰忠(1975 ),男,博士研究生.基金项目:国家自然科学基金项目(50376005,59906002).引 言滴状冷凝传热较膜状冷凝传热具有较高的传热效率,马学虎等[1]研究认为,从膜状冷凝到滴状冷凝,其传热效率并不是一个突变过程,而是随液固 Received date:2004-08-10.Correspon ding au th or:Prof.M A Xuehu.E-mail:x ueh uma @dlut edu cnFoun dation item:su pported b y the National Natural Science Foundation of Ch ina (50376005,59906002).表面自由能差作渐进变化,甚至同样在滴状冷凝区域,液固界面效应仍然影响着蒸气冷凝传热过程.目前较为公认的滴状冷凝的传热模型由Rose 等[2,3]提出,该模型很好地表征了滴状冷凝传热规律,并与Rose等的实验数据很好地吻合.但仍有一些文献数据没有落入Rose模型计算结果之中.本文分析认为,应当考虑液固界面效应的影响,对Rose模型做出修正.在这一背景下,尝试建立与液固界面效应有关的滴状冷凝传热模型.本文依据液滴的空间分布特征,重构了液滴时间分布特征,并计算由初始液滴直接冷凝长大至临界尺寸液滴,再到脱落液滴所经历的总时间,这也是发生构成所有脱落液滴的冷凝量所耗费的时间,进而求出这一段时间内的平均热通量.按照这一思路,首先分析液滴的空间、时间分布特征;再建立单个液滴传热模型,以此来分析液滴的直接冷凝长大的成长时间;确定分布函数、临界尺寸等,以此分析液滴成长至脱落液滴的总时间.1 传热模型的基本假设通过实验提出液滴尺寸在区间(r,r max)中,被液滴覆盖的壁面面积分率为[2,4,5]A(r)=1-rr maxn(1)Rose和Glickman[2]用序列事件模型推导尺寸分布,与该式相似认为n=0 382.Burnside和H adi[6]模拟了从冷凝初始到形成3 9 m半径液滴的共0 21ms时间的过程,表明这一时间尺寸范围中,液滴分布仍有类似式(1)的规律.M aiti等[7]应用扫描电镜(SEM)研究金属蒸气在不锈钢和石墨表面上的冷凝过程,液滴的形成分布,结果也表明不同尺寸范围液滴分布具有自相似性(self-similarity).Wu等[8]基于液滴分布的自相似性,以随机分形模型,模拟滴状冷凝过程中液滴分布,并与真实滴状冷凝图像作对比,结果十分相似. Mo nsa等[9]以众数平衡(population balance)概念推导直接冷凝液滴的尺寸分布,认为液滴从生成到发生合并前经历不同尺寸,在液滴尺寸范围(r1, r2)中,液滴数目处于平衡.以上研究结果说明滴状冷凝过程中液滴的分布有确定的统计规律.Go se等[10]指出对于水蒸气冷凝过程,最小核化密度为每平方厘米50000个,半径小于0 05 mm的液滴主要靠直接冷凝而长大,半径大于005mm的液滴则主要靠合并长大.若认为壁面上核化中心为以数目N S作矩形阵列排列,则可推导这一临界半径为[9]r c=1/(4N S)(2) Chen[11]做出了通过不同尺寸液滴的热通量曲线,发现通过较小的液滴热通量较大,对于水蒸气冷凝过程,半径在0 01~0 1m m范围内传递的热通量比半径小于0 01mm的液滴要小一个数量级以上.因此可以认为水蒸气冷凝过程液滴生长方式的临界半径在0 01~0 1m m之间.上述研究表明,滴状冷凝过程中,液滴的分布实际上为某种确定的形式.较小的液滴主要靠直接冷凝长大,较大的液滴主要由合并产生.液滴成长方式以某一尺寸为分界.若将液滴成长过程看作由小液滴成长至脱落的生命周期,这期间伴随着滴状冷凝的传热过程.某一时刻,液滴分布的空间序列上的构象,可以视为某一批液滴成长过程时间序列上的构象.如图1所示,有一部分液滴能够由于直接冷凝而长大到临界尺寸,在此期间它们每一步的成长过程,其中一部分可能被某些大液滴吞噬以至于数目越来越少,但总有一部分液滴能够保存并由于直接冷凝而长大.临界尺寸以后,这些液滴就经历合并等过程而成长成脱落直径液滴.这部分液滴成长的同时,也是其他冷凝液成长的过程.这样,跟踪临界尺寸以下的小液滴所占的那一部分液体分子,它们由初始液滴成长至脱落液滴的历程所耗费的时间,就可看作是每一次发生液滴脱落更新时,构成这些脱落液滴的所有凝液经历的成长时间.对于这一部分小液滴,小于临界尺寸时其主要由直接冷凝而长大,每一次长大过程所耗费时间 t m可由其增加的凝液量而得的热量,与由过冷度和热阻决定的热通量求得.为了保持分布的不变性,这部分液滴在临界尺寸以后所耗费的时间应相当于临界尺寸以前所耗费的时间,两部分时间之和即所有这一批液滴成长历程共同时间.Fig 1 P rospect of dro ps g row ing in t ime subsequence1627第9期 兰忠等:引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型此外,对冷凝过程作如下几点假设:(1)在整个冷凝壁面上液滴分布是确定的,而各液滴所处冷凝壁面的位置是随机的;(2)蒸气在冷凝壁面上自然对流冷凝,冷凝壁面上各点发生不同大小液滴的随机冷凝传热,统计结果表现为冷凝壁面温度均匀;(3)液滴呈球缺形,并以导热方式传递热量;没有液滴覆盖的冷凝壁面没有热量传递;(4)冷凝液的定性温度取蒸气与冷凝表面温度的算术平均值.2 传热模型2 1 通过单个液滴的传热影响单个液滴传热的因素有4个:①相平衡温度下,液滴自由表面曲率相关热阻;②蒸气与液滴相际传热阻力;③液滴的导热热阻;④滴状冷凝促进层的导热热阻.假定液滴形状为球缺形,上述各部分热阻用温差表示如下.①液滴曲率热阻产生的温差T c=2T SH fg r(3)②气液相际传热阻力[12,13]产生的温差T i=Q2 r2(1-co s )h i(4)其中,界面传热系数为h i=2 c2- cM2 R T S1/2H2fgT S (5)③通过液滴的导热热阻产生的温差为了简化起见,可以近似为通过等体积的、液滴与冷凝壁面接触面为底面的圆柱的导热,如图2所示.由球缺形与圆柱形的体积相等可得到H=r(2+co s )(1-co s )23sin2 =r(2+cos )(1-cos )3(1+cos )其中 =r sin .则可得到T d=QHl 2 =Qr3 r2 l2+cos(1+cos )2(6)Fig 2 Simple model o f conduction in dro p ④通过涂层的导热热阻产生的温差T p=Q p2 p=Q pr2sin2 p(7)上述4个温差组成了蒸气和冷凝表面之间的总温差T= T c+ T i+ T d+ T p(8)对给定的壁面过冷度 T,能够长大的最小液滴半径[5]为r min=2T SH fg T(9)将式(3)~式(7)代入式(8)中可得通过单个液滴的热通量为q=Q2=T-2T SH fg r1+cos2h i+(1-cos )(2+cos )3(1+cos )rl+pp(10)则通过单个液滴冷凝传热系数为h=qT=1-r minrk1rl+k21h i+pp(11)其中 k1=(1-cos )(2+cos )3(1+cos ),k2=1+cos2.2 2 液滴的分布函数采用吴玉庭等[8]提出的随机分形模型作为液滴的分布函数.过冷度为 T,冷凝表面积为A.通常第K代液滴的总面积表示为N K A K=1- K-1i=1N i A i P(12)从式(12)可知N K A K=(1-P)N K-1A K-1(13)以及N K=N1Z-21(1-P)K-1Z-2K=P(1-P)K-1Z-2K(14)其中,Z K是第K代液滴的底边圆的直径,令 为第K-1代液滴与第K代液滴的底边圆的直径之比,即 =Z K-1/Z K.由此导出的分布函数与式(1)中的指数n比较,得到n=-lg(1-P)/ lg ,经过与实验结果对照,发现P=0 1063、r= 1 3[14]为较佳的参数.另外可以认为最大液滴是处于脱落直径的液滴,最小液滴半径如式(9)所示.2 3 生长方式的临界半径的确定液滴由冷凝生长方式转变为合并生长方式的临界半径r c与脱落直径D max和接触角 有关.D max越大,液滴停留时间越长,生长方式的临界半径r c 越大. 越大,液滴导热热阻越大,生长方式的临界半径r c越小.与Ro se模型相同的条件进行对比,得到生长方式的临界半径r c=D max/70时与本文模型结果一致.如果脱落直径在1 5~4m m范围内,则r c在0 02~0 06mm范围内,与文献结1628化 工 学 报 第56卷果[9~11]符合.因而对于接触角 =90 的液滴1 h =k1D max/70l+k21h i+pp1-r minD max/70(15)对于接触角 90 的液滴,使热阻与相同脱落直径D max下的 =90 的液滴的热阻相等时的半径即为该条件下的生长方式的临界半径r c.即满足方程1 h =k1r cl+k21h i+pp1-r minr c(16)2 4 冷凝传热计算将液滴从最大液滴至初始液滴表示为第1代到第n+1代的若干代液滴,如果第K代至第1代液滴是以合并方式长大,而第n+1代至第K代液滴是以冷凝方式长大,其中1<K<n+1,那么第K 代液滴的体积为V K=13Z Ksin3(2+co s )(1-co s )2(17)则通过冷凝方式第K+1代生长为第K代所需要的时间为t K=(V K-V K+1) H fgA K h T=13H fg Z Ksin3-ZK+1sin3(2+cos )(1-cos )2A K Tk1r Kl+k21h i+pp1-r minr K(18)则液滴的生长周期为t=2 K n t K(19)整个冷凝表面上的平均热通量为q av=(V1-V n) H fgA t=16H fg Z1sin3-Z nsin3(2+cos )(1-cos )2A K n t K(20)整个冷凝表面上的平均冷凝传热系数为h av=q avT(21)最大直径与滞后接触角( a、 r)、表观接触角( )、液体表面张力等因素有关,参考文献[15~ 18]推导其表达式如下D ma x=24 (k3cos r-k4cos a)l g1/2sin32-3co s +cos31/2(22)式中 k3、k4也是 a、 r和 的函数.3 模型计算结果分析图3是最大直径为1 86mm时液滴的表观接触角对热通量的影响模拟计算结果,表明某一过冷度下,接触角越大,则热通量越大.而且在越大的过冷度下,热通量随接触角增大得越快.已有研究[1,19]表明,接触角与液固表面自由能差密切相关,表面自由能差越大则接触角也越大,因此,可认为同一过冷度下,液固表面自由能差越大,则热通量越大.图4是表观接触角为90 时液滴的最大直径对热通量影响的模拟计算结果,表明最大直径越大,热通量越小,而且在越大的过冷度下,热通量随最大直径的增大减小得越快.从式(22)可分析在同样的接触角下,接触角滞后越小则最大直径越小,因而可以认为接触角滞后越小的表面越有利于滴状冷凝传热.图5是过冷度对热通量的影响的模拟计算结果.热通量随过冷度的增大而增大,而且接触角越大,增加得越快.这也表明相同过冷度时,接触角越大的表面上,滴状冷凝传热系数越大,与文献[1]阐述的冷凝传热系数随表面自由能差增大而增大这一原理相符,并且符合一般的滴状冷凝传热规律.Fig 3 Effect o f contact ang le o n heat flux in modelpr edict ion(D m ax=1 86mm)F ig 4 Effect o f maximum dro p size on heat fluxin mo del pr ediction( =90 )1629第9期 兰忠等:引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型Fig 5 Effect of surface subcooling o n heat fluxin model prediction (D =1 86mm)4 模型计算值与实验值的比较图6、图7为本文传热模型计算值、Ro se 模型值与本文制备的滴状冷凝促进表面1#( a =83 0 、 r =49 6 、 =64 9 )、2#( a =90 8 、 r =46 7 、 =88 4 )上冷凝传热实验值的对比.实际测量的接触角可认为是表观接触角.具体实验方法等见文献[20].表面过冷度在1~10K 范围内,本文模型与实验结果更为接近,相对误差在40%以内.而Rose 模型值则偏离较大.本文认为其主要原因在于本文模型在计算液滴的特征参数时,同时兼顾了冷凝壁面和冷凝液的物理化学性能以及二者的相互作用,更符合客观实际过程.F ig 6 Co mpar ison of ex per imental heat tr ansferresults for plate 1#w ith model prediction5 模型计算值与文献值的比较图8中的5条实线分别是不同的脱落直径和接触角条件下的模型计算值.阴影区域为Ro se 实验及其模型计算结果,其他为不同作者文献实验值,具体见文献[3].可以看出文献数据间存在差异,并不局限在Rose 模型计算的阴影区域.根据本文模型通过改变界面条件参数,则可得到不同传热曲线,表明不同界面条件下冷凝传热结果不同.同一过冷度下,接触角越大、脱落直径越小,则冷凝传Fig 7 Compariso n o f experimental heat transferr esults fo r plate 2#w ith mo del pr ediction热系数也高.另外最大直径计算式(22)也表明在同样的前进角和后退角条件下,接触角越大则最大直径越小;若接触角相同,那么接触角滞后越小,最大直径也越小.同时,如前所述,表面自由能差越大则接触角也越大,并且在实际应用过程中,由F ig 8 Com par ison of literat ur e results withpresent mo del pr edict iona D max =2 0mm, =90 ;b D ma x =2 4mm, =85 ;c D ma x =4 0mm, =88 ;d D max =3 3m m, =70 ;e D max =5 5mm, =70于接触角测量有某些不便性,用表面自由能差表征界面效应较接触角方便.因而可以认为表面自由能差与接触角滞后影响滴状冷凝的最大直径和接触角,进而影响冷凝传热特性,表面自由能差越大、接触角滞后越小则越有利于冷凝传热.以上分析说明滴状冷凝传热特性与液固界面的相互作用有关.根据本文模型,以Ro se 实验的界面条件(D max =1 5~2 0mm, =90 )[3],计算结果与Rose 实验值吻合.虽然无法获得图3中其他文献的界面条件参数,无法作确切对比,但本文模型计算结果以及与实验结果的分析对比,可以认为造成这些数据间差异的根本原因在于冷凝体系的不同,即不同的冷凝表面、冷凝工质以及操作条件等因素,形成不同的界面效应,并非单纯是由实验误差或不凝性气体1630 化 工 学 报 第56卷引起的.6 结 论(1)蒸气冷凝过程受液固界面效应影响,表现为同一过冷度下,液固表面自由能差越大、接触角滞后越小则通过冷凝表面的热通量越大.(2)建立了包含液固界面效应影响的滴状冷凝传热模型,本文实验结果与该模型较为吻合,与Rose模型计算结果则偏差较大.不同界面条件下,由本文模型计算可得到相应的不同冷凝传热结果,以本文模型用Rose实验的界面条件计算的结果,与Rose实验结果吻合.为滴状冷凝文献数据间存在差异的原因提供了一个新的解释.(3)本文滴状冷凝传热模型引入界面效应,具体体现于液体表面张力、表观接触角、接触角滞后以及由三者确定的最大直径,反映了液固接触的界面效应对滴状冷凝传热的影响.符 号 说 明A 液滴占据的冷凝面积,m2A K 第K代液滴单个液滴的面积D 液滴直径,mg 重力加速度,m s-2H fg 汽化潜热,kJ kg-1h 冷凝传热系数,kW m-2 K-1h i 界面传热系数,kW m-2 K-1k1~k4 系数M 相对分子质量N K 第K代液滴的数量N S 核化中心数N(r) 液滴分布函数n 分布函数常数P 某一代液滴的面积分率Q 热量,kWq 热通量,kW m-2r 液滴半径,mr c 液滴生长方式临界半径,mT 温度,KT 表面过冷度,Kt 时间,sV 液滴体积,m3c 冷凝常数,无不凝气时取为1相邻两代液滴直径比p 涂层厚度,m液滴底面半径,m接触角(表观接触角),( )热导率,W (m K)-1p 涂层热导率,kW m-1气体的质量体积,m3 kg-1密度(液体密度),kg m-3表面自由能,mJ m-2下角标a 前进av 平均c 液滴曲率项d 液滴i 界面l 液体max 最大min 最小n,m,K 液滴分布中某代液滴序号p 促进层(涂层)r 后退S 饱和References[1] M a X H,Chen X F,Bai T,Ch en J B.A new mechanismfor condensation heat trans fer en han cem ent:effect of thesurface fr ee energy differen ce of condensate and s olidsurface.J of Enhanced H eat Tr ansf er,2004,11(4):257 265[2] Ros e J W,Glickman L R.Dropw ise condensation-T hedistribution of drop sizes.I nt.J.H e at M ass Tr ansf e r,1973,16:411 425[3] Rose J W.Dropw ise condensation theory and exp eriment:areview.Pr oc.Instn.M ech.E ngr s A J.P ow er andE nerg y,2002,216:115 127[4] Tanasaw a I,Tachib ana F,Ochiai J.A study on theprocess of drop grow th by coalescence during Dropw isecondensation.Bull of JS M E,1973,16(99):1367 1375[5] Grah am C,Griffith P.Dr op siz e distributions and h eattran sfer in dropw is e con dens ation.Int J H e at M assT ransf er,1973,16:337 346[6] Burnsid e B M,H adi H A.Digital com puter simulation ofdropw ise cond ensation from equ 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固—液界面吸附中的吸附剂浓度效应研究
固—液界面吸附中的吸附剂浓度效应研究I. 综述在固液界面吸附的研究领域，吸附剂浓度效应是一个非常重要的现象。
它指的是随着吸附剂浓度的增加，吸附效果会有所提升。
这个现象在我们的日常生活中也是非常常见的，比如我们在家里用水清洗碗筷时，如果水中含有更多的洗涤剂，那么洗出来的碗筷就会更加干净。
然而在实际的研究中，吸附剂浓度效应并不是一个容易被观察到的现象。
因为在低浓度下，吸附剂的吸附能力可能还没有达到最大值，而在高浓度下，吸附剂可能会发生失活或者团聚等现象，导致吸附效果反而下降。
因此研究者们需要通过各种方法来探索这一现象背后的规律和机制。
为了更好地理解吸附剂浓度效应，研究人员们采用了各种各样的实验方法和模型。
其中一种常用的方法是静态床吸附实验，在这种实验中，研究者会在一定的时间内让待处理样品在固定量的吸附剂上停留，然后再将吸附后的样品进行脱附和分析。
通过比较不同浓度下的吸附效果，就可以得到吸附剂浓度效应的规律。
除了静态床吸附实验外，还有一些其他的方法也被广泛应用于吸附剂浓度效应的研究中。
例如动态床吸附实验、分子筛材料上的吸附实验等等。
这些方法都可以帮助研究者更好地理解吸附剂浓度效应的本质和机理。
吸附剂浓度效应是一个非常重要的现象，它不仅对于工业生产和环境保护有着重要的意义，而且还对于人们日常生活中的很多问题都有着潜在的影响。
因此我们需要继续深入地研究这一领域，以便更好地利用吸附剂来解决各种实际问题。
A. 固液界面吸附的研究背景和意义固液界面吸附是研究物质在固体表面吸附液体分子的过程，这种吸附现象在我们的日常生活中非常常见，例如水滴在玻璃表面上形成水珠，或者在植物叶子表面形成露珠等等。
固液界面吸附的研究背景和意义非常重要，因为它可以帮助我们更好地理解物质之间的相互作用，从而提高我们对自然界的认识。
此外固液界面吸附还具有广泛的应用前景，例如在环境保护、工业生产等方面都有着重要的作用。
因此对于固液界面吸附的研究具有重要的理论和实际意义。
第四章 固-液界面-北航-表面与界面化学教程
A 2 r r , A( s l g l g s ) 2 r r ( s l g l g s )
Vg h
2
Vg h
2
V 0, Ahm Ah 2 r rhm r 2 h 2 r r
粗糙因子（粗糙度）：是固体的 真实表面积与相同体积固体假想 的平滑表面积之比。显然，r大 于等于1. r越大，表面越粗糙。
Wenzel方程的重要性是说明了表面粗糙化对接触角的 影响： • < 90°, ’< ,表面粗糙化使接触角变小，润湿性 更好。 • > 90°, ’> , 表面粗糙化会使润湿的体系更不 润湿。 • 揭示了均相粗糙表面的表观接触角与本征接触角之间 的关系 • 注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定的平衡状态， 但由于表面不均匀，液体在表面上展开时需要克服一 系列由于起伏不平而造成的势垒。当液滴振动能小于 这种势垒时，液滴不能达到Wenzel方程所要求的平 衡状态而可能处于某种亚稳平衡状态。
180 ,Wa 0
90 , A 0
沾湿自发进行 浸湿自发进行 铺展自发进行
0 ,S 0
实用时，以90°为界：
若接触角大于90°，说明液体不能润湿固体， 如汞在玻璃表面； 若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水 在洁净的玻璃表面。 若接触角等于0°或不存在平衡接触角时，说 明液体能铺展 渗透过程？？？
当固体表面由不同种类的化学物质组成时，如污染或多晶？？ （2）Cassie模型 Cassie和Baxter进一步拓展了Wenzel的处理，提出 可以将粗糙不均匀的固体表面设想为一个复合表面，即认 为液滴在粗糙表面上的接触是一种复合接触。 设固体表面有物质1和2组成，这两种不同成分的表面是 以极小块的形式均匀分布在表面上的（每一小块的面积远 小于液滴的尺寸）。它们的本征接触角分别用1和 2表示， 在单位面积上所占的表面积分数分别为f1和f2(f1+f2=1)。 又设当液滴在表面展开时两种表面所占的分数不变。这时 可得到：
3.4 固液界面(润湿作用)
影响接触角测定的因素
b.表面不平 表面不平也是造成接触角滞后的主要因素， 若将一玻璃粗化后，将一水滴滴在倾斜玻璃上， 则出现接触角滞后。 Wenzel研究了固体表面粗度对润湿性的影响， 他指出，一个给定的几何面经粗化后，必然使 表面积增大，若以r表示粗化程度，则
r=A（真实）/A （表观）
影响接触角测定的因素
3.3 固—液界面（润湿作用）
在等温等压条件下，单位面积的液面与固体 表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是 液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液 体越能润湿固体，液-固结合得越牢。 在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体 表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个 过程表面吉布斯自由能变化值的负值。
接触角的测定
（4）光点反射法 原理是利用一个点光源照射到小液滴上，并在光源 处观察反射光，当入射光与液面垂直时，才能在液面 看到反射光。测定时，使光点落在三相点位，并以此为 中心，改变入射光角度，使之在固体表面的法平面中作 圆周运动，当光线在某位置突然变亮时，入射光与固体 平面法线的夹角即为接触角，此方法有较好的测量精度， 可用于测定纤维的接触角，缺点是只能测定小于90°的 接触角。
固体的润湿性质
2、低能表面的润湿性质
近年来，随着高聚物的广泛应用，低能表面的润湿 问题越来越引起人们的重视，如某些高聚物做成的生 产用品和生活用品，就要求其能很好地为水所润湿（ 加入某些无机氧化物可能是有效的办法），塑料电镀， 降解等也需要解决润湿问题。 Zisman等人首先发现，同系列液体在同一固体表面 的润湿程度随液体表面张力的降低而提高（γ ↓ ， θ ↑ ，COSθ ↑，S=γ gl(COSθ -1)若以COSθ 对γ gl 作图，
gh 2 sin q 1 2 l g
液-固界面现象
液-固界面现象1. 粘附功、浸湿功、铺展系数 1）.粘附功： 在恒温恒压可逆条件下，将气-液与气-固界面转变成液-固界面，如图所示：设当各个界面都是单位面积时，从热力学得角度，该过程的吉布斯自由能的变化值为：式中 、 和 分别为气-固、气-液和液-固的表面吉布斯自由能。
Wa称为粘附功（Work of adhension),它是液、固粘附时，体系对外所做的最大功。
Wa值越大，液体愈容易润湿固体，液、固 界面结合得愈牢固。
对于两个同样的液面转变成一个液柱的过程，吉布斯自由能变化为：Wc称为内聚功（Work of cohesion),是液体本身结合牢固程度的一种量度。
2）.浸湿功： 在恒温恒压可逆条件下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气-固界面转变成液-固界面（在 过程中液体的界面没有变化），如图所示：该过程的吉布斯自由能的变化值为：Wi称为浸湿功（Work of immersion),它是液体在固体表面上取代气体能力的一种量度，有时也被用来 表示对抗液体表面收缩而产生的浸湿能力，故Wi又称为粘附张力。
Wi≥0是液体浸湿固体的条件。
3）.铺展系数：铺展过程是表示当液-固界面在取代气-固界面的同时，气-液界面也扩大了同样的面积，如图所 示：在恒温恒压下可逆铺展一单位面积时，体系吉布斯自由能的变化值为：式中S称为铺展系数（Spreading coefficient），当S≤0时，液体可以在固体表面自动铺展。
2. 接触角与润湿作用 1）.接触角 设液体在固体表面上形成液滴，形成如下图所示的液滴到达平衡时，在气、液、固三相交界处，气-液界面和固-液界面之间的夹角称为接触角（contact angle)，用θ表示。
它实际是液体表面张力 和液-固界面张力 间的夹角。
接触角的大小是由在 气、液、固三相交界处，三种界面张力的相对大小所决定的。
从接触角的数值可看出液体对固体润湿 的程度。
2）.润湿作用： 当 、 和 达平衡时以下关系：上述方程称为杨（Young)方程。
界面现象--第4节：液固界面
Ga＝ l s - s - l ＝ - l (cos + 1)
Gi＝ l s - s ＝ - l cos
Gs＝ l s - s + l ＝ - l (cos - 1)
• 沾湿, < 180; 浸湿, < 90; • 铺展, 0或不存在.
( 弗罗德利希等温式 )
14
固体从溶液中的吸附
在浓溶液中, 当溶质和溶剂的含量在全部组成范围内 变化时, 吸附等温线一般为U形或 S形:
0.2
2
苯的表观吸附量 g－ 1 / mmol·
1 0 －1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 x(苯 )
苯的表观吸附量 g－ 1 / mmol·
0.1
(水-汞)
水
汞
解：由杨氏方程知： (乙醚-汞) = (水-汞) + (水-乙醚)cos cos = {(乙醚-汞) － (水-汞)} / (水-乙醚)
= (0.379－0.375) / 0.0107 = 0.3738
= 68.05º
润湿现象
润湿: 固体(或液体)表面上的气体被液体取代的过程. 润湿发生 的原因是它能使系统的表面吉布斯函数减小. 以下讨论润湿的三种类型. 有关界面均取单位面积. (1) 沾湿: 气-固界面和气-液界面被液-固界面所取代的过程. 沾湿过程的吉布斯函数变为: Ga＝γsl - (γs +γl)
第二节 润湿现象
请大家思考几个问题： （1）雨伞为什么能够防雨？
（2）棉花为什么要经过脱脂，才能用来作卫生棉或者纺纱？
（3）怎样提高杀虫剂的杀虫效率？ （4）磨面的时候为什么要加水？ （5）可乐的颜色是什么物质，从哪里来？
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固液界面效应
固液界面效应是一种在固体和液体间所促成的特殊交互过程。
即当液体与某种固体物质接触时，在两者间总会产生一层薄薄的界面带电层。
这种带电层为液体提供一层薄薄的保护，使液体具有更强的物质和热力学性质。
此外，固液界面效应尚可以保证环境温度稳定，进而实现液体的强有力清洁、抗污染及移动等等技术。
固液界面效应可说是一种有力且富有科学性的交互方式，其中物理、化学及生物等多种因素都有可能产生具有特殊性能的界面层。
而这种界面层受物理因素影响非常严重，它跟认知反应、化学反应、介质传输、活性物质扩散等机制有关，可以认为是多种实质因子交互的综合过程。
固液界面效应在当今的互联网行业中也有广泛的应用。
用户平台的安全性、动态性能、性能保证等等，都可能受到这一特定的界面效应的影响。
举例来说，在资源管理及其操作的过程中，固液界面效应的存在可以帮助确保用户的操作在形式和实际实施过程中受到最佳保护。
而在网络应用程序中，固液界面效应同样可以确保数据安全性、平滑及长久使用。
总之，固液界面效应具有多方面的应用，在互联网行业应运而生。
它所表现出的特殊性能，让整个互联网行业以及包括用户公司在内的实体行业给与了全新的交互传输机制及更贴近技术的可能性，从而使得对网络资源的管理更具有效率性。