План

1. Класифікація форм зв’язку вологи в матеріалах.

2. Енергія зв’язку вологи з матеріалом.

1. Класифікація форм зв’язку вологи в матеріалах.

Змінити стан матеріалу можна завдяки зміні їх рідинних умов: тиском, температурою або хімічними реакціями. Загалом для спрощення досліджень вважається, що будь-який вологий матеріал у статичному стані може мати два види вологи: вільну і зв’язану. Але якщо враховувати природу утворення форм зв’язку вологи з матеріалом, енергію їх зв’язку, то існує класифікація, запропонована професором П.А.Ребіндером, згідно з якою всі форми зв’язку вологи діляться на три великі групи:

- хімічний зв’язок;
- фізико-хімічний зв’язок;
- фізико-механічний зв’язок.

1. Хімічний зв’язок вологи в точних кількісних співвідношеннях.

Хімічна зв’язна волога виключно міцно зв’язана з матеріалами і може бути відділена з нього лише при хімічних реакціях або особливим інтенсивним сушінням. При звичайному нагріві така волога не видаляється.

2. Фізико-хімічний зв’язок вологи в різних, не строго визначених відношеннях. Цій формі відповідають різні види зв’язку вологи:

а) адсорбційно зв’язна волога. Така волога є рідиною, яка утримується на зовнішній і внутрішній поверхнях “міцел” – колоїдних частин, умовний радіус яких складає 0,1-0,001 мкм.

Внаслідок вказаної дисперсності колоїдні тіла мають значну внутрішню поверхню і, відповідно, вільну поверхневу енергію, мірою енергії якої є поверхневий натяг .

На рис 2.1. показано спрощену схему взаємодії двох фаз на межі їх розподілу: рідина – пара. Молекула 1, яка знаходиться у середині тіла, отримує однакове зусилля притягання всіх оточуючих молекул і рівнодіюча сил притягання R=0. Вона рухатись не буде. Якщо молекула 2,3 виходить на межу розподілу фаз, то в неї з’являється вільна енергія і напрямок сили дії буде направлений в сторону тієї фази, яка має більший зв’язок з молекулою.

Рисунок 2.1 - Схема взаємодії двох фаз (рідина – пара) на межі розподілу

При поглинанні води колоїдним тілом виділяється теплота набухання (явище гідратації) і відбувається стискання системи колоїдне тіло – вода. Тому для видалення такого виду вологи, воду необхідно перетворити у пару, після чого вона переміститься до зовнішньої поверхні тіла.

б) залишкова утримувана волога (волога набухання і структурна волога) – відноситься до вологи, яка розміщена у гніздах складно побудованої міцели. Частина води шляхом осмосу потрапляє через стінку клітки, частина залишається на поверхні клітини. Але таке поглинання вологи тілом відбувається без виділення тепла та без стискання системи. Фактично за своїми властивостями осмотична волога не відрізняється від звичайної води.

3. Фізико-механічний зв’язок – утримання води в невизначених кількостях.

Такому зв’язку відповідають певні види вологи:

а) волога макрокапілярів. Ця частина води знаходиться в капілярах (порах), середній радіус яких більше 10-5 см. Тиск пари води над меніском макрокапіляра майже не відрізняється від тиску насиченої пари над вільною поверхнею води. Вода заповнює наскрізні макрокапіляри тільки у разі безпосереднього контакту з ними;

б) волога мікрокапілярів. Така волога заповнює вузькі пори. Середній радіус яких менше 10-5 см. Рідина заповнює будь-які мікрокапіляри як при безпосередньому контакті, так і шляхом сорбції із вологого повітря.

2. Енергія зв’язку вологи з матеріалом.

У якості єдиного критерію для класифікації форм зв’язку вологи з матеріалом професор П.А.Ребіндер вважав величину вільної енергії ізотермічного зневоднення. За рахунок зв’язку води з матеріалом знижується тиск пари води на її поверхні. Тому вільна енергія відповідно зменшується.

Види зв’язку вологи: а – осмотична волога колоїдного тіла або волога капілярного стану в порах (r > 10^-5см);
б – стикова волога (r > 10^-5см);
в – капілярна волога мікропор (r < 10^-5см);
г – волога полі молекулярної адсорбції;
д – волога мономолекулярної адсорбції.

Рисунок 2.2 - Термограма сушіння(I)
і крива кінетики сушіння (II)
капілярно-пористих матеріалів
різної природи

Згідно схеми (рис.2.2) на основі аналізу термограм сушіння встановлено ряд сингулярних точок, які характеризують різні форми зв’язку вологи з капілярно пористими тілами. Вся волога у матеріалах утримується фізико-механічними та фізико-хімічними зв’язками.

До вологи фізико-механічного зв’язку відносять три види капілярної вологи, два з яких являють воду, різну за особливим станом (капілярну та стикову) в грубих порах тіла, а третій – капілярну вологу мікропор. Волога фізико-хімічного зв’язку може складатись з осмотичної води і двох видів адсорбованої вологи – вологи полімолекулярних і молекулярних шарів.

Зменшення вільної енергії при постійній температурі Т (або енергію зв’язку) можна виразити затраченою роботою А на відрив 1 моля води від матеріалу (без зміни складу) в ерг/моль:

де: R –газова постійна;
P_H– тиск насиченої пари вільної води;
P_U– парційний тиск зрівноваженої пари води над матеріалом з вологовмістом U у будь-якому середовищі (повітря, інертний час, вакуум), тому:

Чим міцніший зв’язок води з матеріалом, тим менша величина P_U, і навпаки, для вільної води P_U досягає значення P_H. При цьому і енергія зв’язку А = 0:

а) при зневодненні матеріалу величина А, віднесена до моля води, поступово зростає, оскільки із зменшенням вологості матеріалу зростає доля адсорбційної зв’язної вологи, яка видаляється (зменшується). З моменту видалення хімічної вологи, величина А різко зростає і сягає до 104 дж/моль;

б) в свою чергу адсорбційна зв’язана вода відповідає мономолекулярному шару на зовнішніх і внутрішніх поверхнях дисперсного матеріалу. Для такої води залежність тиску пари від вологості матеріалу може бути отримана згідно з ізотермою адсорбції. Ця форма зв’язку вологи характерна для дуже малої вологості матеріалу, тобто для незначної величини , якій відповідає значна енергія зв’язку.

Так, наприклад, при:

в) енергія зв’язку капілярно-зв’язаної води обумовлена адсорбційним зв’язком мономолекулярного шару у стінок капіляра і зниженням тиску пари над ввігнутим меніском у капілярах (позитивне змочування) у порівнянні з тиском пари над плоскою поверхнею вільної води. Вся вода, яка міститься в капілярі, не відрізняється від вільної води. Тому енергія зв’язку вологи макрокапілярів невелика і вона наближається до енергії вільної вологи.

При невеликому діаметрі капіляра А досягає значної величини. Так при:

г) осмотично втримувана вода має дуже незначний енергетичний зв’язок. Це явище пояснюється тим, що тиск пари, наприклад, над розчином P_U менше тиску пари P_H над водою.

д) вода, яка вільно утримується в тонкому об’ємному каркасі тіла, захоплена (иммобілізаційна) при формуванні тіла. В процесі його зволоження енергетичний зв’язок практично відсутній. Така вода з матеріалу видаляється механічним шляхом, причому процес зневоднення лімітується лише гідравлічним опором каркаса тіла.