Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Adsorptio ja pintojen termodynamiikka"

Annikki Hiltunen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 CHEM-C2230 Pintakemia Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Monika Österberg

2 Päivän teemat ja oppimistavoitteet 1) Kertaus viime luennolta ja laskuesimerkkejä: 1) Kapilaaripaine 2) Kelvinin yhtälö 2) Ensimmäinen kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Tavoitteena että: 1) ymmärrätte käsiteen adsorptio 2) tiedätte mitä ominaisuuksia voidaan muuttaa adsorption avulla 3) Tiedätte miten adsorboitunutta määrää voidaan mitata.

3 Kapilaaripaine Kaasukupla nesteessä Tasapainossa paine-ero rajapinnan yli on yhta suuri ja vastakkainen kuin pintajännityksestä johtuva voima r P 1 P 2 ΧP < 2φ r Laplacen yhtälö, pallomaiselle rajapinnalle φ ΧP < φ 1 1 r 1 r 2 Jos rajapinta ei ole pallomainen

4 Nousu kapilaariputkiessa ΧP < 2φ r = 2 h r π Jos π = 0, cos π = 1 = h φ < θrgh 2 θ = nesteen tiheys g = putoamiskiihtyvyys, 9.81ms -2 Laskekaa tehtävät 1 ja

5 1. Minkälaista painetta tarvitaan työntämään 20 asteista vettä sintterin läpi jonka huokoiskoko (huokoisten poikkileikkaus) on 0.20 µm? Oleta 0 asteen kontaktikulmaa veden ja lasin välillä. Veden pintajännitys 20 C:ssa on 72.8 mn/m. r = 0.1 µm, φ = 72.8 mn/m, π = 0 = =. /. = Nm -2 = 14.4 atm (1 atm = 1.013x10 5 Nm -2 )

6 Asetonin nousukorkeus kapillaariputkessa, jonka säde on 0,235 mm, on 2,56 cm. Asetonin tiheys mittauslämpötilassa 20 C on 0,790 g cm -3. Mikä on asetonin pintajännitys? Oletus: Θ = 0 φ < θrgh 0, < 3 kgm, 3, 3 0, m 9,81m s, 2 2,56 10, 2 m kgm < 0,0233 s m 2 2 < 23,3 mn/m

7 Kelvinin yhtälö RT ln P r P < 2φV m r < 2φM θr M = nesteen molekyylipaino, θ = nesteen tiheys V m = nesteen moolitilavuus Käytännön seurauksia: Pisaroiden kasvu Kapilaarikondensaatio hing.org/content/2/5/

8 3. Kuinka kapea kapillaarin pitäisi olla, jotta höyrynpaine pienenisi 10 % 25 C:ssa? 25 C lämpötilassa veden pintajännitys on mn/m. RT P c 2φVm 2φM ln < < P r θr Höyrypaine kapillaarissa= P c =P r Tasaisen pinnan höyrypaine= P = P = 2 2 ln = ln 0.9 = 2 ln 0.9 = /8

9 Tärkeät yhtälöt: φ lg Youngin yhtälö: cos π < φ sg, φ lg φ ls φ sg φ sl π koheesiovoima Adheesiovoima Yhteys adheesiotyön ja kontaktikulman välillä (Young ja Dupré) W ls < 1 ( φ cos π lg Laplacen yhtälö: Kelvinin yhtälö: ΧP < 2φ r RT ln P r Paine kapilaarissa riippuu pintajännityksestä ja kapilaariputken koosta P < 2φV m r < 2φM θr

10 CHEM-C2230 Pintakemia Barnes & Gentle: luku 3 3. Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Monika Österberg

11 Adsorptio muuttaa pintaominasuuksia Pinta-aktiivisen aineen adsorptio vedenpinnalle Miten vaikuttaa pintajännitykseen? Voidaan muuttaa pinnan varausta Retentiopolymeerien adsorptio Veden puhdistus (flokkaus) käyttäen polymeerejä flokkulantteina Voidaan muuttaa pinnan pintaenergia Vaikutetaan veden/liuosten leviämiseen Vaikutetaan aineiden tarttumiseen Pintojen likaantuminen 9. Luento polyelektrolyytit 4. Luento Pintaaktiiviset aineet 2. Luento 8. pintavoimat

12 Adsorptio Adsorptio = aineen rikastuminen pintaan Adsorption suuruutta kuvataan pintakonsentraation, (surface concentration) Φ, avulla: Φ < n s A n s = pinta-alaan A adsorboituneen aineen määrä. 03/12

13 Adsorption kuvaaminen: adsorptioisotermi Pintakonsentraatio, Φ Adsorptioisotermi = pinnalle adsorboitunut ainemäärä liuoksen konsentraation funktiona Konsentraatio liuoksessa, c HUOM: Kokonaiskonsentraatio = adsorboitunut määrä + konsentraatio liuoksessa 03/13

14 Adsorptioon vaikuttavia vuorovaikutuksia van der Waals-vuorovaikutuksia: fysikaalinen adsorptio (physisorption) Kemialliset reaktiot pinnassa: kemisorptio (hyvin tärkeä katalyysissä) (chemisorption) Sähköstaattiset vuorovaikutukset Adsorboitunut kerros on usein järjestäytynyt: molekyylit orientoituvat tiettyyn suuntaan ionit jakautuvat kerroksiin 03/14

15 Pintakonsentraation laskeminen: Gibbsin jakopinta β τ X B α A = liuotin, B = liennut aine 03/15

16 Fysikaalisesti ei voida yksiselitteisesti määrittää mistä toinen faasi alkaa ja toinen loppuu, koska aineiden konsentraatiot muuttuvat faasirajassa yleensä astettain. Määritetään matemaattinen rajapinta (X), jolla ei ole paksuutta. n s B Adsorboitunut määrä on se määrä ainetta B, joka on systeemissä yli sen määrän joka olisi siellä jos faasien koostumukset todella säilyisivät muuttumatomina tasoon X asti. X sijoittuu siten että liuotinylimäärä = 0 Merkitään aineen B pintaylimäärää Useimmiten käytetään liuotinta A referenssiaineena Φ B (A) Pintakonsentraatiota kutsutaan näin määritettäessä myös pintaylimääräksi (surface excess)

Kiinteä aine erotetaan liuoksesta ja mitataan aineiden konsentraatiot.

17 Adsorption mittaaminen (kiinteät aineet) c A o Sekoitetaan Erotetaan c A c B 0 m c B m Liuos ja kiinteä aine (hiukkaset), jonka massa on m ja ominaispinta-ala on A s, sekoitetaan siten, että systeemi saavuttaa tasapainotilan. Kiinteä aine erotetaan liuoksesta ja mitataan aineiden konsentraatiot. Jos liuos on laimea ja adsorptio voimakasta voidaan pintakonsentraatio laskea kaavasta (V = liuoksen tilavuus) A Φ ( ) B < o c, c ( B A s m B V Adsorptio nesteen pinnalle on mahdotonta mitata tällä tavalla, koska pintaala muuttuu nestettä erotettaessa 03/17

18 Gibbs in adsorptioyhtälö Adsorptio voidaan laskea pintajännityksestä. Pintaylimäärän ja pintajännityksen välinen yhteys saadaan, adsorptiotasapainon vallitessa, Gibbsin adsorptioyhtälön mukaan (Gibbs adsorption equation): dφ dλ B <,Φ B (A) λ B = aineen kemiallinen potentiaali. Laimeassa liiuoksessa λ B λ B o RT lncb joten Φ B (A) <, 1 RT dφ dlnc B 03/18

19 Adsorption mittaaminen (liuokset) Pintajännitys Pintakonsentraatiota lasketaan käyrän kaltevuudesta Mitataan liuoksen pintajännitys aineen konsentraation (c B ) funktiona Lasketaan pintakonsentraatio käyttämällä Gibbs in adsorptioyhtälöä Φ B (A) <, 1 RT dφ dlnc B ln c B 03/19

20 Esimerkkejä 03/20

Surface modification of lignin nanoparticles (LNP) with

can be reversed + - + - - + + -80 1E-6 1E-4 1E-2 1E+0

1416-1422 Mitä hyötyä on pintavarauksen muuttamisesta?

21 Surface modification of lignin nanoparticles (LNP) with polycation Zeta potential (mv) The surface charge can be reversed E-6 1E-4 1E-2 1E+0 PDADMAC/LNP (mg/mg) PDADMAC Lievonen et al Green Chemistry 18, Mitä hyötyä on pintavarauksen muuttamisesta? Edistetään tarttumista negatiivisesti varautuneeseen pintaan esim. selluloosa

22 Protection from water and UV light Layer-by-layer approach Layers are built due to oppositely charged particles 16 layers total (8 bilayers) Build-up of layers + ZnO particles - Wax particles Commercial ZnO dispersion, <100 nm size WOOD - Lozhechnikova et al Applied Surface Science 396,

23 Hydrophobicity Contact angle after 1min 79 Spruce Spruce + (ZnO/Wax)8 152±2 Lozhechnikova et al Applied Surface Science 396,

24 (ZnO/Wax)8 24

25 Vaahdon muodostus air

26 Paperin valmistus: retentio Hubbe

27 Mitä ominaisuuksia voidaan muuttaa adsorption avulla? Antakaa käytännön esimerkkejä 1) Adsorptio neste-kaasu rajapinnalle 2) Adsorptio kiinteälle pinnalle - polymeeri - pinta-aktiivinen aine - partikkeli 03/27

28 Adsorptioilmiöt esimerkkejä paperin valmistuksesta Hemiselluloosan, uuteaineiden, ligniinin ja metalli-ionien adsorptio kuituihin Pesu, valkaistavuus, sitoutumiskyky Hydrofobisten aineiden ja hartsien adsorptio paperin pinnalle Hydrofobointi, pintakäsittelyt, märkä- ja kuivalujitteet Synteettisten polymeerien ja pinta-aktiivisten aineiden adsorptio kuitujen ja pigmenttien pinnoille Retentioaineiden toiminta, vedenpuhdistus Päällystyspastojen ja täyteaineiden dispergointi ja stabiilisuus Pinta-aktiivisten aineiden, polymeerien ja partikkelien adsorptio vesiliuosten pinnoille Vaahdon muodostus, vaahdonestoaineiden toiminta Hydrofobisten aineiden ja polymeerien adsorptio paperikoneen telapinnoille jne.

29 Eri paperikemikaalien toimintamekaniskmit Adsorptio esim. Retentiokemikaalit Adsorptio-Reaktio e.g. Märkälujahartsit Adsorption-Leviäminen-Reaktio hydrofobointiaineet (esim. AKD)

30 Polymeerien adsorptio

31 Yhteenveto Adsorptio = aineen rikastuminen pintaan Gibbsin adsorptioyhtälö pintaylimäärä Adsoption avulla voidaan muuttaa pintaominaisuuksia Varaus, vuorovaikutus, pintajännitys Kostuminen, likaantuminen Vaahtojen muodostus tai esto Emulsioiden muodostus 03/31

Samankaltaiset tiedostot

Päivän teemat. 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta. 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Päivän teemat. 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta. 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Päivän teemat 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta a) Kolloidi- ja pintakemian käytännön haasteet b) Muutamat käsitteet 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Miksi