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物理界面界面层模型及双膜理论


实验室k / 2018-11-07

       物理界面界面层模型示意图见图1-5-1(d)
       Gibbs分割表面界面层模型和Guggenheim过渡层型界面层模型一直在界面化学中得到广泛应用。在此过程中亦有一些研究者在应用这两种界面层模型处理问题时或在研究其他学科问题而涉及到界面问题时会掺和着自己一些看法,而这些看法往往在这两种模型中并无提及,但却是引人深思的。

       例如20世纪60年代的Ono和Kondo在讨论中提出图1-5-2那样构想。他们将Guggenheim过渡层型界面层分成两层来考虑,此两层以物理界面为界,过渡层界面层总厚度为△;其中B相界面层厚度为△B,故A相的界面层厚度:△A=△-△B   [1-5-6]

       又如,众所周知,表面现象理论在治金科学中有着广泛的应用。在曲英教授的专著——“炼钢学原理”中介绍了国外研究者在液-液相反应动力学中应用最广的双膜理论。双膜理论把两相传质过渡的阻力看作是集中在相界面两侧的两层膜上,这两层膜是相对稳定的,不管两相内部湍流如何剧烈发展,但由于膜的阻抑,湍流不能到达界面。双膜理论模型简单,处理容易,故而仍在炼钢理论中应用着。
       图1-5-3为炼钢中钢渣与钢水两相反应的双膜理论的浓度分布示意图。设金属相组元A(浓度为CA1)由于渣钢反应的结果逐渐过渡到渣中(浓度为CA2)。又假设处在界面金属侧的膜中组元A的浓度为CA1*,处在熔渣侧的膜中组元A的浓度为CA2*。由此可得在界面两侧金属相的扩散通量:JA1=kA1(CA1-CA1*)

       熔渣相的扩散通量:JA2=kA2(CA2-CA2*)。在界面上当化学反应达到平衡时应有关系:CA2*/CA1*=K。依据上面三式可求得控制渣钢反应的平衡扩散通量为:

JA=(CA1-CA2/K)/(1/kA1+1/kA2K)

       曲英教授指出:由于界面的影响,“双重传质阻力的概念至今仍具有很大的实用价值。由于只有在两相界面直接接触时才能传质,所以一个相的运动必然影响另一相。”
       双膜理论作为一个理论思路对形成物理界面界面层模型有重要的启发作用。从双膜理论中我们可以归纳出以下各点是与物理界面界面层模型的理论观点相接近或是相合的。
       (1)双膜理论认为相界面两侧存在着相对稳定的两层膜。Guggenheim在阐述其过渡层型界面层模型时曾也称相间的过渡层为“膜”,但Guggenheim认为只有一层“膜”,因而双膜理论与Guggenheim过渡层型界面层模型不符。物理界面界面层模型主张各相均有自己的界面层,相间物理界面两侧有两个界面层,亦就是两个膜。因而双膜理论对物理界面界面层模型的形成提供了启示。
       (2)双膜理论在钢渣两相扩散反应机制中并不把相界面置于可有可无的地位,而肯定相界面是这一反应机制中一个环节,而且是一个重要环节。对钢渣间扩散通量JA的数值有着决定性的影响。上述计算的JA数值是指在界面处反应很快的平衡状态情况。当界面反应不够快时必须考虑它对过程总速度的影响。而Gibbs分割表面型界面层模型和Guggenheim过渡层型界面层模型不承认物理界面的存在,不考虑它的影响。因而双膜理论给予物理界面界面层模型的另一启示是必须考虑物理界面对界面热力学过程的影响。
       (3)双膜理论认为在界面两侧膜中组元的浓度与其在同一侧的相本体内浓度不同,这点是对物理界面界面层模型形成的又一个启示。显然这点亦是与Gibbs和Guggenheim的界面层模型不同的。
       在上述这些研究者所做工作的启示下,我们又从Fowkes提出的模型中得到了更大的启迪。Fowkes研究工作的内容均直接属界面化学领域,故而Fowkes的工作对Guggenheim过渡层型界面模型的发展有着重要作用。之后的文章中将依据Fowkes的著作介绍这一模型。


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