XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Объяснение природы электрокинентических явлений, в частности электроосмоса, было дано Г. Квинке на основании предположения о наличии на границе раздела двух фаз (твердой и жидкой) электрического двойного слоя.

Позднее Гуи (1910 г.), Чопмен (1913 г.) независимо друг от друга объяснили ионную природу двойного электрического слоя. Гуи исходит из положения, что на границе раздела фаз действуют противоположно направленные силы. С одной стороны, это действие электростатических сил избытка ионов одного знака, в результате которого ионы противоположного знака притягиваются, а одноименные – отталкиваются. С другой стороны, это действие молекулярного теплового движения в растворе, которое направлено к равномерному распределению ионов так, чтобы в единице объема было равное количество ионов разных знаков. В результате взаимодействия этих сил создается диффузное распределение ионов наружного слоя с постепенным убыванием плотности избыточных зарядов, аналогично атмосферному распределению газовых молекул в пространстве, в гравитационном поле [1, 2].

Это положение развито Штерном (1924 г.). Таким образом, возможны два пути образования двойного электрического слоя: адсорбция ионов из жидкой фазы; диссоциация молекул поверхности слоя твердой фазы.

Оба этих явления характерны и для древесины. Схема образования двойного электрического слоя в древесине и распределения зарядов представлены на рис. 1. Движение жидкости происходит вследствие того, что вблизи поверхности и наружной части диффузного слоя имеется избыток ионов одного знака заряда [3, 4].

Рисунок 1 - Схема образования двойного электрического слоя в древесине

Приложение электрического слоя к капилляру, не заполненному жидкостью, заставляет избыточные ионы сдвигаться к противоположно заряженному полюсу [5]. Ионы внутренней обкладки двойного слоя, находящиеся непосредственно на стенке так же, как и ионы первого слоя противоионов не перемещаются, так как для преодоления электростатических сил, действующих в молекулярном конденсате, необходимо приложить огромное напряжение, неосуществимое в реальных условиях (рис. 2).

Рисунок 2 - Схема расположения ионов двойного электрического слоя

В средней же части капилляра ионы обоих знаков распределяются в одинаковом количестве и объеме. Поэтому при наложении электрического поля ионы разного знака движутся в противоположных направлениях со скоростями V, соответствующими их подвижности (коэффициенту электроосмоса Кэ) и градиенту потенциала φ.

V = grad φ (1)

Таким образом, около стенки капилляра создается направленный поток, представляющий собой цилиндрическую оболочку из избыточных ионов диффузного слоя, движущихся к противоположно заряженному полюсу. Перемещаясь, оболочка увлекает остальную массу жидкости в капилляре за счет сил молекулярного сцепления.

Из такого представления о механизме электроосмотического переноса становится ясно, что чем больше количество ионов одного заряда находятся в диффузной части двойного слоя (т.е. чем больше величина потенциала), тем большая сила будет приложена в капилляре, и с тем большей скоростью будет происходить перемещение жидкости в капилляре при наложении внешнего поля.

Увеличение концентрации раствора приводит к уменьшению двойного электрического слоя, так как количество зарядов в подвижной части двойного слоя уменьшается. При достаточно высокой концентрации ξ → 0 электрокинетические эффекты исчезают. Распределение линейных скоростей движения жидкости по сечению капилляра претерпевает ряд изменений до установления стационарного состояния. Физическая сущность электроосмоса в древесине объясняется в основном следующим образом. Вода, имеющаяся в древесине, содержит в себе некоторое количество ионов водорода и гидроксида, образовавшихся вследствие диссоциации молекул по схеме

О ↔ + (2)

Ион гидроксида в воде существует самостоятельно. Ион водорода связывается с молекулой воды, образуя гидроксониевый ион .

Вода, наряду с простыми молекулами О, содержит более сложные молекулы типа (О)n.

Такая молекула, соединившись с ионом водорода, образует сложный положительный ион (О)n. Эти ионы под действием электрических сил будут перемещаться к катоду, где, разряжаясь, образуют свободную воду.

Литература

Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В. Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании - учебное пособие , 2012. – СПб.: СПбГАУ. – 260 с.

Беззубцева М.М., Ковалев М.Э. Электротехнологии переработки и хранения сельскохозяйственной продукции - учебное пособие , 2012. – СПб.: СПбГАУ. – 242 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С. Практикум по технологическим расчетам процессов переработки сельскохозяйственного сырья, 2014. – СПб.: СПбГАУ. – 94 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С., Фокин С.А. Электротехнология. Практикум по электротехнологическим процессам, 2010. - СПб.: СПбГАУ. – 148 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В., Обухов К.Н. Инновационные электротехнологии в АПК: учебное пособие, 2015. – СПб.: СПбГАУ. – 177 с.

Код для цитирования: Скопировать