Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом

На практике нельзя достичь необходимого обезвоживания за счет лишь одного приема или, другими словами, применением одного метода обезвоживания. Это связано с тем, что влага на поверхности частиц и в каналах осадка удерживается различными силами - химическими, физическими, капиллярными.

В зависимости от природы действующих сил между жидкостью и твердым телом различают следующие типы связей.

Химически связанную воду, например, в гидроокисях Fe(OH)₂, Ca(OH)₂ называют конституционной. Влага из этих соединений удаляется, как правило, при высокой температуре, порядка 500 - 1000 °С.

Fe(OH)₂ ® FeO + H₂O,

Ca(OH)₂ ® CaO + H₂O.

Координационно-химически связанную воду в кристаллогидратах (CuSO₄× 5H₂O) называют кристаллизационной водой.

Физически адсорбированную воду на поверхности твердых тел часто называют пленочной и гигроскопической. Гигроскопичность можно связать с поглощением паров за счет их конденсации в микропорах.

Увеличение адсорбции жидкости (например, воды) в тонких порах менее 10 Ǻ вызвано перекрыванием полей сил Ван-дер-Ваальса от противоположных стенок, что способствует возрастанию сил притяжения по сравнению с плоской поверхностью.

Давление паров воды зависит от кривизны поверхности раздела жидкость - газ и с радиусом пор связано уравнение Кельвина:

, (2.1)

где Р и Р ₀ - давление паров воды соответственно над искривленной и плоской поверхностями; s - поверхностное натяжение; V_M - молярный объем адсорбированной воды; j - краевой угол смачивания; r - радиус пор; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

Если вода смачивает поры размером больше 10 Ǻ, имеющиеся в твердом теле или осадке, то она будет задерживаться в них капиллярными силами.

Влага, удерживаемая в порах осадка капиллярными силами, называется капиллярной.

Вода имеет конечную скорость вытекания из капилляра. Скорость эта падает по мере уменьшения гидростатического напора при вытекании. Поэтому вода не успевает вытечь из пористой системы за время ее удаления в каком-либо аппарате.

Влага, остающаяся в осадке по этой причине, называется гравитационной. Она не удерживается ни поверхностными, ни капиллярными силами. Гравитационная влага обычно содержится в обводненных продуктах, когда количество воды настолько велико, что мениски в капиллярах отсутствуют.

Энергию связи воды с поверхностью твердого тела можно оценить. Энергия связи конституционной воды равна тепловому эффекту реакции разложения гидрооксида металла до его окисла, что в среднем составляет около 100 ÷ 200 ккал/моль.

Тепловой эффект реакции при отщеплении кристаллизационной воды составляет десятки ккал/моль. Дифференциальные теплоты адсорбции q паров воды зависят от степени заполнения поверхности.

При малых заполнениях q = (2 ÷ 3) L (L - скрытая теплота конденсации).

В тонких порах (диаметром менее Ǻ), где удерживается гигроскопическая влага, дифференциальная теплота адсорбции почти не уменьшается для второго и третьего слоев.

Энергию удаления капиллярной удерживаемой влаги можно оценить по величине работы перемещения объема жидкости с высоты, соответствующей капиллярному поднятию, до уровня жидкости в широком сосуде.

Аналогично оценивается энергия удаления гравитационной влаги по необходимому перепаду давления (против сил вязкости).

Для строгого проведения такого рода расчетов необходимо точно знать величины поверхностей твердых частиц, размер пор, а также диаметр капилляров, образующихся в осадке. Эти величины, как правило, неизвестны.