Summary
Für eine Tensid-haltige wässrige Phase gegen Luft werden zwei Protokolle zur Bestimmung der Gleichgewichtsflächenspannung (EST) mit der aufkommenden Blasenmethode (EBM) und der Spinnblasenmethode (SBM) vorgestellt.
Abstract
Wir zeigen zwei robuste Protokolle zur Bestimmung der Gleichgewichtsoberflächenspannung (EST) mit Flächenstörungstests. Die EST-Werte sollten indirekt aus den Werten der dynamischen Oberflächenspannung (DST) bestimmt werden, wenn die Oberflächenspannung (ST)-Werte stabil und gegen Störungen stabil sind. Die aufkommende Blasenmethode (EBM) und die Spinnblasenmethode (SBM) wurden gewählt, da es mit diesen Methoden einfach ist, Flächenstörungen einzuführen und gleichzeitig dynamische Spannungsmessungen fortzusetzen. Die abrupte Ausdehnung oder Kompression einer Luftblase wurde als Quelle der Flächenstörung für die EBM verwendet. Für die SBM wurden Änderungen der Rotationsfrequenz der Probenlösung verwendet, um Flächenstörungen zu erzeugen. Als Modelltensidlösung wurde eine quehe Lösung des Triton X-100 mit einer festen Konzentration über ihrer kritischen Micelle-Konzentration (CMC) verwendet. Der ermittelte EST-Wert der Modellluft-Wasser-Schnittstelle aus dem EBM betrug 31,5 x 0,1mN-m-1 und der von der SBM 30,8 x 0,2 mN-m-1. Die beiden in diesem Artikel beschriebenen Protokolle enthalten robuste Kriterien für die Ermittlung der EST-Werte.
Introduction
Die Bestimmung der Gleichgewichtsoberflächenspannung (EST) oder der Gleichgewichtsgrenzspannung (EIFT) einer gegebenen Luft-Wasser- oder Öl-/Wasserschnittstelle ist ein entscheidender Schritt für Anwendungen in einer Vielzahl von Industriebereichen wie Abschreckung, verbesserte Ölrückgewinnung , Konsumgüter und Pharmazeutika1,2,3,4. Solche Spannungswerte sollten indirekt aus der dynamischen Oberflächenspannung (DST) oder der dynamischen Grenzflächenspannung (DIFT) bestimmt werden, da nur dynamische Spannungswerte direkt messbar sind. Dynamische Oberflächenspannungswerte (d.h. Zeitmessungswerte) werden in regelmäßigen Zeitintervallen ermittelt. Gleichgewichtsspannungswerte gelten als bestimmt, wenn sich die DST-Werte im stabilen Zustand befinden. Wahre Gleichgewichtsoberflächenspannungswerte werden besser ermittelt, wenn sie gegen Störungen stabil sind5. Mehrere Beobachtungen der Spannungsentspannung nach Oberflächenkompression wurden zuvor von Miller und Lunkenheimer berichtet, die zwei klassische Tensiometriemethoden, den Du Noüy Ring und die Wilhelmy-Plattenmethoden6,7 ,8. Diese Methoden sind weniger genau als die in dieser Studie verwendeten, und diese DSTs wurden alle paar Minuten gemessen. Es wurden zahlreiche Techniken zur Messung der Oberflächenspannungs- (ST) oder Grenzflächenspannung (IFT) von Schnittstellen entwickelt, aber es gibt nur eine Handvoll Techniken, die verwendet werden können, um DST- oder DIFT-Werte zu messen und es zu ermöglichen, Störungen anzuwenden, um die Stabilität der erworbenen Steady-State-Spannungswerte9. Wenn die wässrige Lösung Tensidmischungen enthält und eine der Komponenten viel schneller adsorbiert als die anderen, dann kann es ein temporäres Plateau in den DST-Kurven10geben. Dann funktionieren die vorgestellten Methoden in den kurzen Zeiträumen möglicherweise nicht gut wie bei einem Komponententenside, aber sie können immer noch funktionieren, wenn die Verfahren leicht auf längere Zeiträume ausgedehnt werden.
Die hier beschriebenen Protokolle zeigen repräsentative Daten nur für Oberflächenspannungswerte einer luft-wässrigen Lösung. Diese Protokolle gelten jedoch auch für das IFT einer wässrigen Lösung gegen eine zweite Flüssigkeit, wie z. B. ein Öl, das mit der wässrigen Lösung nicht mischbar ist und eine geringere Dichte aufweist als die der wässrigen Lösung. Hier stellen wir zwei robuste Methoden vor, die diese Kriterien erfüllen, die aufkommende Blasenmethode (EBM) und die Spinnblasenmethode (SBM). Bei beiden Methoden ermittelt man ST-Werte, die auf Blasenformen basieren und keine Kontaktwinkelinformationen benötigen, was zu erheblichen Unsicherheiten und Fehlern bei den Messungen führen kann. Für den EBM werden Flächenstörungen eingeführt, indem das Volumen der Blase, die aus einer Spritzennadelspitze entsteht, abrupt verändert wird. Für die SBM werden Änderungen der Rotationsfrequenz der Proben für Flächenstörungen verwendet. Die detaillierten Protokolle sollen forscher naden, so dass sie häufige Fehler oder Fehler in der dynamischen und Gleichgewichtstensiometrie vermeiden und helfen, ungenaue Interpretationen der erfassten Daten zu verhindern.
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Protocol
1. Mindestspezifikationen für Instrumente
- Vorbereitung eines Tensiometers für den EBM mit folgenden Spezifikationen: (i) ein Dosiersystem zur Steuerung des Dosiergasvolumens; ii) eine Kamera zur Aufnahme des Blasenbildes; iii) eine Bildanalysesoftware zur Lösung der Laplace-Young-Gleichung (LY-Gleichung) mit dem axisymmetrischen Blasenformanalysealgorithmus11,12; und (iv) eine temperaturgeregelte Probenkammer.
HINWEIS: Normalerweise kann das Instrument für den EBM auch für die Pendeltropfenmethode verwendet werden, bei der ein kleiner Tropfen gebildet wird und vertikal am Ende einer Spritzennadel hängt. - Vorbereitung eines Tensiometers für den SBM mit folgenden Spezifikationen: i) ein Probenrohrhalter, der in der Lage ist, einen Probenrohrhalter horizontal bei hohen Rotationsfrequenzen von mindestens 6.000 U/min zu drehen; ii) eine Kamera zur Aufnahme des Bildes der sich drehenden Blase in der Röhre; und (iii) eine Bildanalyse-Software zur Lösung der allgemeinen LY-Gleichung und der Vonnegut-Gleichung13.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
2. Materialien und Probenvorbereitung
- Erhalten Sie reines Wasser aus einem Wasserreinigungsgerät. Der Widerstand des Wassers bei 25 °C am Geräteausgang sollte 18,2 m cm betragen oder schließen.
- Reinigen Sie alle Borosilikat-Fläschchen, Quarzzellen, Glaswaren und magnetischeRührstäbe, indem Sie sie mindestens 8 h in reines Wasser einweichen und den Einweichvorgang mindestens ein einziges Mal wiederholen.
HINWEIS: Der Einweichvorgang zielt darauf ab, Restionen aus den Glasbehältern zu entfernen, was die Oberflächenspannungswerte erheblich beeinflussen kann. - Bereiten Sie eine Tensidlösung von Interesse in der gereinigten Glaswaren.
HINWEIS: Die Tensidkonzentration sollte niedriger sein als die Löslichkeitsgrenze im Wasser. - Waschen Sie jeden Behälter, der für die Spannungsmessungen verwendet wird, mit der Probenlösung, die für die tatsächlichen Messungen vor der Probenbelastung verwendet wird.
- Messen Sie die Dichte der Flüssigkeitsproben vor der Spannungsmessung auf drei oder vier signifikante Werte.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
3. Oberflächentensiometrie mit der aufkommenden Blasenmethode (EBM)
- Kalibrieren Sie das Bildaufnahmegerät des Tensiometers gemäß der Bedienungsanleitung des Herstellers.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. - Wählen Sie eine invertierte Edelstahlnadel basierend auf dem geschätzten maximalen Blasendurchmesser aus den geschätzten Oberflächenspannungswerten aus.
ANMERKUNG: Der maximale Blasendurchmesser kann anhand der Kapillarlänge
dc ( geschätzt werden, wobei die Oberflächenspannung (Nm-1 ) die Dichtedifferenz der flüssigen Phase und der Luft (kg-3 )ist. und g ist die Gravitationsbeschleunigung (m2s-1)). Das maximale Blasenvolumen (Vmax) kann als sdc3/6 geschätzt werden.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. - Legen Sie die invertierte Edelstahlnadel, die vom gleichen Anbieter des Tensiometers erhalten wurde, an die Spitze der Dosiervorrichtung.
HINWEIS: Im Vergleich zu einer manuellen Spritze wird ein automatisierter Spender empfohlen, da es für den Benutzer einfacher und genauer ist, das gewünschte Volumen zu erzeugen und dann Volumen- und Flächenstörungen an der Oberfläche zu erzeugen. Der kleinste Volumenschritt des Spenders wird empfohlen, weniger als 1 l, von 0,2-0,5 l zu sein, um präzise Flächenstörungen zu erzeugen. Das Protokoll kann hier angehalten werden. - Bestimmen Sie das Volumen der Flüssigkeitsprobe für die Spannungsmessungen so, dass die Tiefe der Flüssigkeitsprobe lang genug ist, um den gesamten invertierten Teil der Dosiernadel unter Wasser zu setzen, und eine zusätzliche Tiefe der Flüssigkeitsprobe von 20 mm zwischen invertierte Nadelspitze und die flüssige Probenoberfläche.
- Laden Sie eine flüssige Probe in die Quarzzelle und legen Sie die Zelle auf die Probeplattform. In unserem Beispiel betrug das Flüssigkeitsprobenvolumen 40 ml.
- Stellen Sie die Höhe der invertierten Nadel so ein, dass sich die Spitze der Nadel mindestens 20 mm unter der Oberfläche der Flüssigprobe befindet.
- Passen Sie die Position der invertierten Nadel so an, dass die Grenze der Nadelspitze parallel zur Flüssigkeits-Luft-Oberfläche verläuft.
- Injizieren Sie 1 ml Luft durch die untergetauchte invertierte Nadel, um Verunreinigungen zu entfernen, die möglicherweise an der Spitze der Spritze vorhanden sein könnten. Dieses Verfahren wird verwendet, um die oberflächenchemische Reinheit der Luft-Flüssig-Schnittstelle zu verbessern.
- Schätzen Sie das maximale Blasenvolumen (Vmax) mit einer wie folgt beschriebenen Prozedur. Geben Sie zunächst 2 l Luft aus, um eine Blase an der Spitze der Spritze zu bilden, und beobachten Sie die Blasenform. Erhöhen Sie dann das Blasenvolumen um 0,5 l und beobachten Sie die Blasenform. Wiederholen Sie die beiden vorherigen Schritte, bis sich die Blase von der Nadelspitze löst. In diesem Schritt wird die Vmaxangegeben.
- Bestimmen Sie den geeigneten Bereich des Blasenvolumens, basierend auf dem vorherigen Satz von Beobachtungen.
ANMERKUNG: Die Blasenform sollte nicht kugelförmig sein, im Wesentlichen durch die Schwerkraft verformt sein, um eine genaue Verwendung des axsymmetrischen Tropfenformanalysealgorithmus zu ermöglichen, und das Blasenvolumen sollte ziemlich kleiner als das Vmax sein, um eine Blasenablösung vom Nadelspitze. Für die Spritzenspitze mit einem Innendurchmesser von 0,84 mm beträgt das bevorzugte Anfangsblasenvolumen ca. 4 l. - Bestimmen Sie das anfängliche Blasenvolumen basierend auf dem Blasenvolumenbereich, der aus dem vorherigen Schritt ermittelt wurde. Das anfängliche Blasenvolumen sollte in der Mitte des Blasenvolumenbereichs liegen, sodass das Volumen und die Fläche, Störungen Blasen innerhalb des Bereichs erzeugen.
- Geben Sie das vorgegebene Anfangsblasenvolumen aus dem vorherigen Schritt aus, um eine Blase an der Spitze der invertierten Spritzenspitze zu bilden. Stellen Sie sicher, dass sich die Blase im hydrostatischen Gleichgewicht befindet, was bedeutet, dass die Oberflächenspannungskräfte die Schwerkraftkräfte (Auftriebskräfte) ausgleichen.
HINWEIS: Es ist wichtig, die Blase außerhalb des Nadelspitzenumfangs anheften zu lassen, um das Vorhandensein einer Tensidlösung in der Spritzennadel zu verhindern. Wenn die Blase in der Nadelspitze angeheftet ist, wiederholen Sie den Schritt 3.8, um die Nadelspitze zu reinigen. - Messen Sie die dynamische Oberflächenspannung basierend auf der Form der erzeugten Luftblase an der Spitze der Nadelspitze alle 1 s oder einem anderen vorgegebenen Zeitintervall. Der empfohlene numerische Algorithmus zur Berechnung der Oberflächenspannung basiert auf der axsymmetrischen Tropfenformanalysemethode der LY-Gleichung11,12.
- Vergleichen Sie die tatsächliche Form der Blase mit der berechneten Form. Wenn sich die beiden Formen vollständig oder fast überlappen, schließt man daraus, dass die Gleichgewichts-LY-Gleichung für jede dynamische und langsam variierende Form gültig ist. Diese Schlussfolgerung ist vollständig gültig, wenn sich die Blase nicht mehr bewegt und der ST aufhört sich zu ändern, um ein hydrostatisches Gleichgewicht zu haben.
ANMERKUNG: Das Kriterium, dass der Oberflächenspannungswert in der gesamten Schnittstelle einheitlich ist und dass hydrodynamische Effekte nicht wichtig sind, ist, dass sich die berechnete Blasenoberflächenform basierend auf den optimalen abgeleiteten Oberflächenspannungswerten visuell mit dem tatsächliche Blasenschnittstellenform. Weitere quantitative Tests sind möglich, werden aber in diesem Artikel nicht berücksichtigt. - Messen Sie die Oberflächenspannung als Funktion der Zeit, bis die erste steady-state Oberflächenspannung (SST1) erreicht ist. Der SST ist definiert als ein Plateauwert, ab dem sich die Oberflächenspannung um weniger als 1 mNm-1 (oder um weniger als 5%) ändert. in mehreren (10 bis 100) aufeinanderfolgenden dynamischen Oberflächenspannungsmessungen.
- Zeichnen Sie das Blasenvolumen (V1) und die Oberfläche auf (A1)
- Verringern Sie das Blasenvolumen, indem Sie die Luft um 1 L entfernen, und notieren Sie das neue Blasenvolumen, V2 und fläche, A2 (siehe Abbildung 1).
- Fahren Sie mit der Messung der DST und der Bereiche fort, bis die DST den zweiten SST (SST2) beim Blasenvolumen von V2erreicht.
- Erweitern Sie das Blasenvolumen, indem Sie lufteinspritzen, so dass V3 x V1 und A 3 bei A 1.
HINWEIS: V3 und A3 genau gleich V1 und A1 sind nicht unbedingt erforderlich. - Fahren Sie mit der Messung der DST-Werte fort, bis ein dritter SST (SST3) erreicht ist. Wenn sich die drei SST-Werte um weniger als 1,0 mNm-1oder um 5 % voneinander unterscheiden, wird ihr Durchschnitt als Gleichgewichtsoberflächenspannung (EST) definiert.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
dc ( geschätzt werden, wobei die Oberflächenspannung (Nm-1 ) die Dichtedifferenz der flüssigen Phase und der Luft (kg-3 )ist. und g ist die Gravitationsbeschleunigung (m2s-1)). Das maximale Blasenvolumen (Vmax) kann als sdc3/6 geschätzt werden.4. Oberflächentensiometrie mit der Spinnblasenmethode (SBM)
- Kalibrieren Sie das Bildaufnahmegerät des Tensiometers gemäß der Bedienungsanleitung des Herstellers.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. - Füllen Sie das Glasrohr des Probenhalters, der mit dem Spinntensiometer für die Messung kompatibel ist, mit einer flüssigen Probe und schließen Sie den Deckel. Im Inneren des Glasrohres sollten keine Luftblasen vorhanden sein.
HINWEIS: Es wird empfohlen, den Probenhalter und das Glasrohr, die vom Gerätehersteller bereitgestellt werden oder mit dem Tensiometer kompatibel sind, zu verwenden. - Platzieren Sie den gefüllten Probenhalter in der Spinnkammer des Sichtensiometers.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. - Drehen Sie das Rohr mit einer niedrigen Rate von 500 U/min, um zu verhindern, dass die injizierte Blase nach oben wandert und/oder an der Rohrwand befestigt wird.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. - In der Spritze wird eine Luftmenge von 2,0 l geladen.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. - Setzen Sie die Spritzennadel durch das polymere Septum, das die Oberseite des Spinnrohrs versiegelt.
- Injizieren Sie eine Luftblase von 2,0 L in das Spinnrohr.
HINWEIS: Das Blasenvolumen bleibt in der Regel konstant, es sei denn, die Blase bricht. Wenn die Blase bricht, ist es besser, den Prozess erneut zu starten. - Erhöhen Sie die Rotationsfrequenz des Probenhalters auf 1,so dass die Blase im Glasrohr so verformt wird, dass das Verhältnis der horizontalen Blasenlänge (L) und des Radius der Mitte der Blase (R) einen Wert von 8 oder größer.
ANMERKUNG: Wenn das Probenröhrchen mit dem verfügbaren Instrument nicht mit einer ausreichend hohen Rotationsfrequenz gesponnen werden kann, um eine erhebliche Blasenverformung zu ermöglichen und ein L/R-Verhältnis von 8 oder höher aufweisen, kann die allgemeine LY-Gleichung zur Berechnung der DST- Werte. - Stellen Sie den Neigungswinkel der Messkammer, die das Rohr enthält, ggf. so einstellen, dass das Probenrohr horizontal ausgerichtet ist, um Blasenbewegungen zu verhindern und um ein gyrostatisches Gleichgewicht (hydrostatisches Gleichgewicht in einer rotierenden Flüssigkeit) für eine axsymmetrische Form, die in der verwendeten LY-Gleichung und dem verwendeten Algorithmus angenommen wird.
HINWEIS: Das gyrostatische Gleichgewicht ist für rotierende Blasen definiert, analog zum hydrostatischen Gleichgewicht nicht rotierender Blasen, wenn sich die Blase nicht bewegt. - Messen Sie die DST-Werte in einem vorgegebenen Zeitintervall. Der typische Wert ist 1 s.
- Messen Sie den DST weiterhin mit einer festen Rotationsfrequenz, 1,bis er einen stationären Wert (SST1) erreicht, und zeichnen Sie SST1 und die Rotationsfrequenz 1 auf (siehe Abbildung 2).
- Zeichnen Sie das Blasenvolumen, V1 und Fläche, A1auf.
- Ändern Sie die Rotationsfrequenz in eine zweite Rotationsfrequenz, 2,um die Oberfläche zu variieren.
- Messen Sie den DST weiterhin mit einer festen Rotationsfrequenz, 2,bis er einen zweiten stationären Wert (SST2) und die Rotationsfrequenz von2erreicht.
- Zeichnen Sie das Blasenvolumen, V2 und Fläche, A2auf.
HINWEIS: V2 sollte sehr nahe an V1liegen. - Ändern Sie die Rotationsfrequenz in3.
ANMERKUNG: Es ist nicht unbedingt notwendig,dass 3 °Cgenau gleich1 ist. - Messen Sie die Zeitkonstantenwerte mit einer festen Rotationsfrequenz, 3,bis der dritte Steady-State-Wert, SST3, erreicht ist.
- Datensatz 3und A3.
- 4.19. Unterscheiden sich die drei SST-Werte um weniger als 1,0 mNm-1 (oder um weniger als 5 %) als "EST".
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Representative Results
Dynamische Oberflächenspannung und Gleichgewichtsoberflächenspannung einer wässrigen Triton X-100 Lösung mit dem EBM
Die SST-Werte der Triton X-100-Lösungen gegen Luft wurden gemessen und ihre Stabilität für eine wässrige Lösung von 5 mM getestet; das CMC für dieses Tensid in Wasser beträgt 0,23 mM14. Die SST1, 31,5 x 0,1 mN-m-1, wurde etwa 20 s nach der Bildung der Blase erhalten (Abbildung 3). Nach ca. 25 s wurde die Oberfläche von A1 = 11,4 mm2 auf A2 = 9,0 mm2 komprimiert, indem das Blasenvolumen von V1 = 3,8 l auf V2 = 2,8 l reduziert wurde. Der DST fiel zuerst auf 31 mNm-1, und innerhalb von 1 s erhöhte er sich auf den SST2 von 31,5 x 0,1 mN-m-1. Nach ca. 50 s wurde die Fläche abrupt von A2 = 9,0 mm2 auf A3 = 11,4 mm2 erweitert, indem das Blasenvolumen von 2,8 l (V2) auf 3,8 l (V 3). Der Zeitwert änderte sich wenig und daher wurde der SST3 auf 31,5 x 0,1 mN-m-1bestimmt. Die drei SST-Werte waren ungefähr gleich. Daher wurde festgestellt, dass der EST 31,5 x 0,1 mN-m-1beträgt.
Dynamische Oberflächenspannung und Gleichgewichtsoberflächenspannung einer wässrigen Triton X-100 Lösung mit dem SBM
Bei 9.000 Umdrehungen pro Minute wurde die SST1, 30,9 x 0,1 mNm-1, der gleichen Triton X-100-Lösung wie die oben beschriebene etwa 500 s nach dem Injizieren der Blase erreicht (Abbildung4). Dann wurde die Oberfläche durch abrupte Änderung der Rotationsfrequenz von1 =9.000 um 1 000 auf2 =8.500 Umdrehungen min reduziert. Dann wurde die DST auf 27,5 mNm-1verringert und stieg dann innerhalb von 1 s auf 30,6 mN-m-1. Daher betrug der SST2 30,6 x 0,1 mN-m-1. Nach 630 s wurde die Fläche erweitert, indem die Rotationsfrequenz von2 =8.500 rpm auf 3 = 9.000 rpm erhöht wurde. Die DST sprang auf 34 mNm-1, und dann sank sie schnell auf einen stationären Wert von 30,8 x 0,1 mN-m-1, die SST3. Daher wurde die EST als 30,8 x 0,2 mN-m-1bestimmt. Der Unterschied von 2,2 % bei den EST-Werten zu den beiden Methoden ist wahrscheinlich auf einen gewissen systematischen Fehler zurückzuführen; die Erörterung dieser Fehler geht über den Rahmen des aktuellen Papiers hinaus.
Abbildung 1 . Schematische Darstellung der DST, steady-State Oberflächenspannungswerte (SST1, SST2und SST3), und EST mit dem EBM. V 1 ist das anfängliche Blasenvolumen, und V2 und V3 sind die Blasenvolumen nach dem ersten und dem zweiten Volumen bzw. der Fläche, Störungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2 . Schematische Darstellung der DST, steady-State Oberflächenspannungswerte (SST1, SST2und SST3), und EST mit dem SBM. Hierbei ist die Rotationsfrequenz vor Flächenstörungen, und die Rotationsfrequenzen nach der ersten und zweiten Frequenz bzw. die Fläche sind die Rotationsfrequenzen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3 . DST des Modells Tensid in DI-Wasser (5 mM) gegen Luft mit dem EBM. In dieser Abbildung ist V1 das anfängliche Blasenvolumen, und V2 und V3 sind die Blasenvolumen nach dem ersten und zweiten Volumen bzw. fläche, Störungen. Vor jeder Störung erreichten die DST-Werte einen Plateauwert, der als SST definiert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4 . DST des Modells Tensid in DI-Wasser (5 mM) gegen Luft mit dem SBM ausgewertet. In dieser Abbildung ist die Rotationsfrequenz vor Flächenstörungen 1, und dieRotationsfrequenzen nach der ersten und zweiten Frequenz bzw. der Fläche sind die Störungen. Ähnlich wie bei der EBM-Methode erreichten die DST-Werte vor jeder Störung einen Plateauwert, der als SST definiert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Die EBM und die SBM sind einfache und robuste Methoden zur Bestimmung von Spannungswerten für Luft-Wasser- oder Öl-/Wasserschnittstellen bei atmosphärischem Druck. Voraussetzung für diese Methoden ist die Dichte jeder Phase, und zur Bestimmung der Spannungswerte9sind keine Kontaktwinkelinformationen erforderlich. Eine wesentliche Einschränkung der Techniken besteht darin, dass die Proben eine niedrige Viskosität haben und einphasig oder unterhalb der Tensidlöslichkeit sein sollten. Die beiden Protokolle, die EBM und die SBM, werden zur Messung von DST-Werten verwendet, um sie als Funktion der Zeit zu überwachen. Wenn ein SST-Wert erreicht ist, wird die Stabilität des SST-Werts durch Messung der DST nach Deminanwendung von Flächenstörungen getestet. Anschließend können instabile oder metastabile SST-Werte5ausgesiefiltert und zuverlässige EST-Werte ermittelt werden.
Die entscheidenden Schritte des EBM-Protokolls sind (i) die Entfernung von Verunreinigungen aus der Spritzennadelspitze (Schritt 3.8) und (ii) die Wahl eines angemessenen Ausmaßes jeder Flächenstörung. Wenn die Spritzennadelspitze oberflächenaktive Verunreinigungen enthält, können die gemessenen Zeitzeitwerte im Vergleich zu denen mit einer gereinigten Spitze signifikante Fehler aufweisen. Durch das Umbilden und Lösen einer Reihe von Luftblasen an der Spritzenspitze können oberflächenaktive Verunreinigungen mit den Luftblasen entfernt werden. Darüber hinaus wird empfohlen, das Experiment mit einer neuen flüssigen Probe und mit ordnungsgemäß gewaschenen flüssigen Probenbehältern und Spritzennadeln zu beginnen, wenn festgestellt wurde, dass die EST-Werte von Blase zu Blase erheblich variieren. Der Waschprozess für die Flüssigkeitsbehälter ist in Schritt 2.2 beschrieben und das gleiche Verfahren kann bei Bedarf zum Waschen der Spritzennadeln verwendet werden. Darüber hinaus können die resultierenden DST-Werte aufgrund der Schwierigkeiten, genaue Lösungen mit der verfügbaren Software zu erhalten, erhebliche Fehler aufweisen, wenn die Oberfläche so stark komprimiert ist, dass die Form der Luftblase nahe an einer kugelförmigen Form liegt. In solchen Fällen sollte der Umfang der Flächenkomprimierung kleiner sein, oder das anfängliche Blasenvolumen sollte vor der Oberflächenkomprimierung größer sein.
Die kritischen Schritte des SBM-Protokolls sind (i) das Einspritzen einer Luftblase ohne Eindringen von Luftblasen und (ii) die Verhinderung, dass die injizierte Luftblase feste Oberflächen (z. B. die Innenwand oder das Septum des Probenrohrs) kontaktiert, so dass das gyrostatische Gleichgewicht kann während jeder Messung aufrechterhalten werden. Wenn mehrere Luftblasen in das Spinnglasrohr injiziert oder gebildet werden und diese Blasen in unmittelbarer Nähe zueinander sind, können die resultierenden DST-Werte aufgrund hydrodynamischer Wechselwirkungen zwischen Luftblasen signifikante Fehler aufweisen. In solchen Fällen wird empfohlen, das Experiment vom Ladeschritt der Tensidlösung (Schritt 4.2) erneut zu beginnen. Auch, um gyrostatisches Gleichgewicht während einer Messung zu halten, ist es dringend empfehlenswert, die Position der sich drehenden Luftblase zu überwachen. Jedes Driften der Spinnblase nach links oder rechts kann durch Die Steuerung des Neigungswinkels des Spinnmusterhalters minimiert werden.
Das gleiche Tensiometer, das für das EBM-Protokoll verwendet wird, kann auch für eine Konfiguration der Pendeltropfenmethode verwendet werden, bei der die Tensidlösung vertikal am Ende der Spritzenspitze aufgehängt wird. Die Pendeltropfenmethode hat einen Nachteil, im Vergleich zum EBM für die Experimente, die lange Zeit (über 1 h) erfordern, da das Tropfenvolumen aufgrund der Lösungsmittelverdampfung abnehmen kann. Die Pendeltropfenmethode kann jedoch bevorzugt werden, wenn das verfügbare Flüssigkeitsprobenvolumen kleiner ist als das für den EBM erforderliche Mindestvolumen. Das SBM-Verfahren hat gewisse Vorteile gegenüber der Pendeltropfenmethode, der Du Noüy Ring-Methode oder der Wilhelmy-Plattenmethode, da sich die Probe während der Messungen in einem versiegelten Rohr befindet, wodurch Fehler durch Lösungsmittelverdampfung vermieden werden. Darüber hinaus werden, wie im Einleitungsabschnitt beschrieben, Grenzflächenspannungen (IFTs) zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten, wie Öl und Wasser für verbesserte Ölrückgewinnungsanwendungen5,15 oder Kohlenwasserstoff- und Fluorkohlenstoff zur Brandbekämpfung Flüssigkeiten16, können mit den gleichen Tensiometern und mit den gleichen Protokollen bestimmt werden.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Die Autoren sind der Pioneer Oil Company (Vincennes, IN) für die finanzielle Unterstützung dankbar.
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 |
References
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