علوم پایه، فیزیک، مهندسی ۲۴۰ بازدید

دستتان به لیوان آب می‌خورد و تمام آب داخل آن بر روی میز پخش می‌شود. اگر به جای آب، نفت بر روی میز می‌ریخت، به جای پخش شدن بر روی سطح میز، در ناحیه مشخصی از آن قرار می‌گرفت. میزان پخش‌شدگی آب و نفت بر روی میز یا هر سطح دلخواهی به ویژگی از آن‌ها به نام ترشوندگی مربوط می‌شود. هر مایعی تمایل به پخش شدن بر روی سطح جامد دارد. به این ویژگی «ترشوندگی» (Wetability) می‌گوییم. در این مطلب، در مورد این ویژگی مهم مایعات، به زبان ساده صحبت خواهیم کرد.

فهرست مطالب این نوشته

ترشوندگی چیست ؟

به تمایل مایع برای تماس با سطح جامدِ پوشانده شده با سیالی دیگر (گاز یا مایع)، ترشوندگی گفته می‌شود. گاهی نیاز به کاهش ترشوندگی سطح و گاهی نیاز با افزایش آن است. به عنوان مثال، سطح فلز را برای محافظت با ماده مخصوصی پوشش می‌دهند، در نتیجه ترشوندگی آن کاهش و آب بر روی سطح فلز پخش نخواهد شد. در مقابل، گاهی نیاز به افزایش ترشوندگی سطح جامد داریم.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه عاملی میزان ترشوندگی سطح جامد را تعیین می‌کند. پاسخ این پرسش، نیروهای بین‌مولکولی است. نیروهای چسبندگی و پیوستگی بین جامد و مایع تعیین‌کننده ترشوندگی هستند. قبل از توضیح بیشتر در مورد ترشوندگی و تاثیر نیروهای بین‌مولکولی بر میزان آن، کمی در مورد این دو نیرو صحبت خواهیم کرد.

فیلم آموزشی مرتبط

نیروی چسبندگی و پیوستگی چیست ؟

«نیروی چسبندگی» (Adhesive) نیروی جاذبه‌ای است که بین مولکول‌های دو ماده متفاوت اتفاق می‌افتد. این نیرو مسئول اتصال دو ماده به یکدیگر است. در بیشتر موارد، این نیرو بین جامد و مایع رخ می‌دهد. نیروی چسبندگی در ردیف نیروهای بین‌مولکولی قرار می‌گیرد. این نیرو نوعی چسب طبیعی است که به کنار هم قرار گرفتن مولکول‌های دو جسم متفاوت و چسبیدن آن‌ها به یکدیگر، کمک می‌کند. «نیروی پیوستگی» (Cohesive) نیروی جاذبه‌ای است که بین مولکول‌های یک ماده (مانند دو مولکول آب) اتفاق می‌افتد. برهم‌کنش بین دو مولکول آب از نوع نیروی پیوستگی است. از شیمی می‌دانیم که الکترونگاتیوی اکسیژن از هیدروژن بیشتر است، بنابراین الکترون‌های بیشتری را به سمت خود می‌کشاند. از این رو، اکسیژن بار جزیی منفی و هیدروژن بار جزیی مثبت به‌ست می‌آورند.

برهم کنش بین دو مولکول آب

بارهای مثبت و منفی توسط نیروی جاذبه الکترواستاتیکی با یکدیگر برهم‌کنش دارند و به سمت هم کشیده می‌شوند. بنابراین، هیدروژن با بار جزیی مثبت به سمت اکسیژن با بار جزیی منفی جذب می‌شود. به برهم‌کنش این دو اتم از دو مولکول مختلف آب و با بارهای جزیی مثبت و منفی، پیوند هیدروژنی گفته می‌شود و نوعی نیروی پیوستگی بین دو مولکول آب است.

اکنون فرض کنید مقداری آب در لیوان شیشه‌ای می‌ریزیم. شیشه از مولکول‌ها سیلیکون و اکسیژن ساخته شده است. اکسیژن‌های قرار گرفته در ساختار شیشه بار جزیی منفی دارند، بنابراین هیدروژن‌های آب با بار جزیی مثبت را جذب می‌کنند. نیروی بین سطح شیشه و آب، نیروی چسبندگی است. نیروی چسبندگی کاربرهای زیادی در زندگی روزمره دارد. در ادامه، به چند مورد از این کاربردها اشاره می‌کنیم.

نقاشی

پوشش دیوار خانه با رنگ یکی از مهم‌ترین مثال‌های کاربرد نیروی چسبندگی در زندگی روزمره است. رنگ از مواد پلیمری ساخته شده است. لایه‌ای از این پلیمر بر روی سطح دیوار نشانده می‌شود. نیروی جاذبه چسبندگی بین مولکول‌های رنگ و دیوار به نشانده شدن رنگ بر روی دیوار کمک خواهد کرد. هر چه اندازه این نیرو بزرگ‌تر باشد، عمر رنگ قرار گرفته بر روی دیوار بیشتر خواهد بود.

سطح خیس

آب پس از ریختن بر روی هر سطحی، به طور کامل بر روی آن پخش می‌شود. در این صورت، برهم‌کنش‌های جاذبه چسبندگی بین مولکول‌های آب و مولکول‌های سطح گسترش می‌یابند. بنابراین، نیروی چسبندگی دلیل خیس شدن سطح پس از ریختن مایعی بر روی آن است.

انحنای شکل گرفته در سطح مایعات

هنگامی که مایعی را در ظرفی می‌ریزیم، سطح آن صاف نیست و اندکی انحنا دارد. این انحنا می‌تواند مقعر یا محدب باشد. برای توضیح این انحنا باید به نیروی چسبندگی بین مولکول‌های مایع و سطح ظرف و نیروی پیوستگی بین مولکول‌ها مایع توجه کنیم.

  • اگر نیروی چسبندگی بین مولکول‌های مایع و دیواره ظرف از نیروی پیوستگی بین مولکول‌های مایع قوی‌تر باشد، سطح مایع به شکل محدب خواهد بود. به عنوان مثال، سطح جیوه پس از ریختن درون ظرف به شکل محدب است.
  • اگر نیروی پیوستگی مایع قوی‌تر از نیروی چسبندگی بین مایع و دیوار باشد، سطح مایع به شکل مقعر درمی‌آید.
سطح مقعر و محدب مایع درون ظرف

مربا

در بیشتر موارد، اگر سیالی با گرانروی زیاد درون ظرفی ریخته شود، به دیواره آن می‌چسبد. نیروی چسبندگی بین مولکول‌های ظرف و مولکول‌های مایع، دلیل اصلی این چسبندگی خواهد بود. اگر نیروی پیوستگی به اندازه کافی بزرگ‌تر از نیروی چسبندگی باشد، مولکول‌های مایع بیشتر جذب یکدیگر می‌شوند. بنابراین، چسبندگی به دیواره ظرف رخ نمی‌دهد.

مالیدن کره بر روی نان

مالیدن کره ذوب شده بر روی نان راحت‌تر از مالیدن کره جامد است. دلیل این موضوع به نیروی چسبندگی بین مولکول‌های کره ذوب شده و سطح نان مربوط می‌شود.

آرایش کردن

آرایش کردن یکی از رایج‌ترین کارهای روزمره است که نیروی چسبندگی در آن به وضوح استفاده می‌شود. ماده آرایشی به راحتی از روی صورت پاک نمی‌شود و برای پاک کردن آن به نیروی خارجی نیاز است. در اینجا نیز نیروی چسبندگی بین مولکول‌های ماده آرایشی و مولکول‌های پوست دلیل اصلی قرار گرفتن آن بر روی پوست است.

قطرات اشک بر روی لیوان حاوی الکل

مقداری الکل در لیوانی شیشه‌ای بریزید. پس از مدتی این گونه به نظر می‌رسد که قطرات الکل به شکل اشک روی دیواره ظرف تشکیل شده‌اند. این پدیده در اثر کشش سطحی و نیروهای چسبندگی و پیوستگی اتفاق می‌افتد. الکل فرارتر از آب است، بنابراین تبخیر الکل، اختلاف کشش سطحی بر روی دیواره لیوان ایجاد می‌کند. برخی مولکول‌های آب به دلیل نیروی چسبندگی به دیوار ظرف شیشه‌ای می‌چسبند و قطرات اشک را تشکیل می‌دهند.

پس از توضیح نیروهای چسبندگی و پیوستگی، در مورد ترشوندگی و تاثیر نیروهای بین‌مولکولی و کشش سطحی بر آن صحبت می‌کنیم.

فیلم آموزشی مرتبط

ترشوندگی و کشش سطحی

سوزنی را به آهستگی روی سطح آب داخل لیوانی قرار دهید. سوزن روی سطح آب باقی می‌ماند و ته‌نشین نمی‌شود. از آنجا که چگالی سوزن از آب بیشتر است، چه توضیحی برای این پدیده دارید؟ کشش سطحی آب دلیل اصلی قرار گرفتن سوزن بر روی آن است. اگر با انگشت نیروی کمی به سوزن وارد کنیم و آن را کمی به زیر سطح آب فشار دهیم، ته‌نشین خواهد شد. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا آب کشش سطحی دارد. پاسخ این پرسش به نیروی جاذبه پیوستگی بین مولکول‌های آب مربوط می‌شود. مولکول‌های آب از طریق پیوند هیدروژنی با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند.

مولکول‌های آب داخل ظرف به دو بخش تقسیم می‌شوند:

  1. مولکول‌های حجمی
  2. مولکول‌های سطحی
کشش سطحی

مولکول‌های آب تمایل به تشکیل گروه با یکدیگر دارند. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که هر مولکول چگونه مولکول‌های دیگر را برای تشکیل گروه انتخاب می‌کند. این تصمیم برای مولکول حجمی بسیار سخت است. مولکول حجمی توسط مولکول‌های زیادی احاطه شده است و هر یک آن‌ها می‌خواهد با مولکول کناری خود تشکیل گروه دهد. بنابراین، نیروهای مختلفی در جهت‌های مختلف بر مولکول حجمی وارد می‌شود و این مولکول به مکان اولیه خود باز می‌گردد. در نتیجه، مولکول‌های حجمی آب یا هم مایع دیگر، توسط مولکول‌های اطراف محدود شده‌اند.

اکنون مولکول‌های سطحی را در نظر بگیرید. بالای مولکول‌های سطحی هیچ مولکول آبی قرار نگرفته است. بنابراین، مولکول‌های سطحی نسبت به مولکول‌های حجمی از آزادی بیشتری برخوردار هستند. از این رو، مولکول‌های سطحی با دیگر مولکول‌های آب پیوند‌های محکم‌تری تشکیل می‌دهند. به همین دلیل، این مولکول‌ها در فاصله کمتری نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند. در نتیجه، کششی در سطح آب ایجاد می‌شود. دلیل قرار گرفتن سوزن بر روی سطح آب به نیروی کششی تشکیل شده بر روی سطح برمی‌گردد.

سوال دیگری که ممکن است مطرح شود آن است که آیا نیروی سطحی تنها در سطح آب و مرز میان هوا و آب مشاهده می‌شود. پاسخ به این پرسش خیر است. کشش سطحی در مرز میان مایعات امتزاج‌ناپذیر در یکدیگر نیز مشاهده می‌شود. کشش سطحی را با $$\gamma$$ نشان می‌دهیم. کشش سطحی می‌تواند خود را به شکل انرژی سطحی یا نیروی سطحی نشان دهد. برای افزایش سطح به اندازه $$dA$$ به انرژی و انجام کار نیاز داریم. کار مورد نیاز متناسب با تعداد مولکول‌هایی است که باید به سطح یا مرز مشترک مایع آورده شوند:

$$dW = \gamma dA$$

در رابطه فوق، $$\gamma$$ مقدار انرژی لازم برای افزایش سطح به اندازه یک واحد است. کشش سطحی به سوال‌های زیر پاسخ می‌دهد:

  • چرا قطره‌های کوچک آب کروی هستند.
  • چرا آب از شیر چکه می‌کند.

ترشوندگی هنگامی مطرح می‌شود که چندین سطح با یکدیگر رقابت می‌کنند و هر سطح، سطح دیگر را به سمت خود می‌کشاند. در نتیجه این رقابت، زاویه تماسی بین فصل مشترک‌ها به منظور بهینه کردن انرژی کشش سطحی کل، مشاهده می‌شود.

ترشوندگی و زاویه تماس

گفتیم رفتار اتم‌ها و مولکول‌ها در حجم با رفتار آن‌ها در سطح تفاوت دارد. به عنوان مثال ظرف نچسب مانند ماهی‌تابه را در نظر بگیرید. اگر قطره‌ای آب یا نفت در کف ماهی‌تابه بریزد، روی سطح پخش نخواهد شد.

قطرات روغن بر روی سطح ماهیتابه

در این حالت زاویه تماس بین مایع و سطح بیشتر از ۹۰ درجه است. در این حالت مایع کف ظرف را خیس نکرده است. زاویه تماس نشان‌دهنده آن است که آیا مایع بر روی سطح به خوبی پخش می‌شود یا خیر. اکنون حالت دیگری را در نظر بگیرید. فرض کنید قطره‌ای نفت یا آب در کاسه چینی می‌ریزید. در این حالت، قطره کف کاسه چینی پخش می‌شود و زاویه تماس بسیار کوچک‌تر از ۹۰ درجه خواهد بود. در این حالت مایع کف کاسه را خیس می‌کند. زاویه تماس ویژگی بسیار مهمی است که برهم‌کنش بین مایع و سطح جامد را توصیف می‌کنند.

«توماس یانگ» (Thomas Young) فیزیک‌دان انگلیسی رابطه‌ای را به‌دست آورد که زاویه تماس را به انرژی سطحی بین جامد-بخار، جامد-مایع و مایع-بخار مربوط ساخت. در ادامه، در مورد این رابطه با جزییات بیشتری صحبت خواهیم کرد. تمام این انرژی‌های سطحی از تفاوت بین مولکول‌های سطحی و حجمی به وجود می‌آیند. همان‌طور که گفتیم نیروهای وارد شده از طرف مولکول‌های همسایه بر هر مولکول حجمی دلخواهی برابر صفر است. در مقابل، در مرز بین مایع با هر ماده دیگری (جامد، گاز یا مایعی امتزاج‌ناپذیر و نفوذ در مایع اول)، تقارن وجود ندارد، بنابراین نیروی کلی به سمت مرکز ماده بر مولکول‌های سطحی وارد می‌شود.

اکنون میزان ترشوندگی را با رسم سه نیروی سطحی گفته شده در بالا، دقیق‌تر توضیح می‌دهیم.

قطره‌‌ای از مایع L بر روی زیرلایه جامد S قرار گرفته است. قطره و زیرلایه با گاز G احاطه شده‌اند. در این حالت، سه سطح مشترک با یکدیگر در رقابت هستند:

  1. سطح مشترک بین گاز و مایع
  2. سطح مشترک بین گاز و جامد
  3. سطح مشترک بین مایع و جامد

با توجه به کشش‌های سطحی و رابطه بین آن‌ها، سه حالت اتفاق می‌افتد:

  • زاویه تماس ۹۰ درجه: اگر کشش سطحی در مرز گاز-جامد و مایع-جامد با یکدیگر برابر باشند، زاویه تماس برابر ۹۰ درجه خواهد بود. در این حالت، سطح بین گاز-مایع کاهش می‌یابد.
زاوویه تماس ۹۰ درجه
  • ترشوندگی بالا (زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه): اگر انرژی سطحی مرز گاز-جامد بیشتر از انرژی سطحی مرز مایع-جامد باشد، قطره روی زیرلایه پخش می‌شود. بنابراین، سطح زیرلایه جامد بیشتر از مایع پوشانده شده است. اگر مایع مورد نظر آب باشد، به زیرلایه جامد، زیرلایه آب‌دوست گفته می‌شود.
زاویه تماس کمتر ۹۰ درجه
  • ترشوندگی کم (زاویه تماس بیشتر از ۹۰ درجه): اگر انرژی سطحی مرز جامد-مایع بیشتر از انرژی سطحی مرز گاز-جامد باشد، قطره به منظور کاهش سطح مشترک با زیرلایه، جمع می‌شود و به شکل کره درمی‌آید. بنابراین، سطح زیرلایه جامد بیشتر از گاز پوشانده شده است. اگر مایع مورد نظر آب باشد، به زیرلایه جامد، زیرلایه آب‌‌گریز می‌گوییم.
زاویه تماس بیشتر۹۰ درجه
  • ترشوندگی بسیار بالا: اگر زاویه تماس برابر صفر باشد، میزان ترشوندگی زیرلایه بسیار بالا خواهد بود. در این حالت قطره به صورت لایه‌ای بسیار نازک روی زیرلایه پخش می‌شود و بیشتر سطح آن را می‌پوشاند. این اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که کشش سطحی گاز-جامد حتی از مجموع کشش‌های سطحی مرز مشترک جامد-مایع و گاز-مایع بیشتر باشد. اگر مایع مورد نظر آب باشد، به زیرلایه جامد، زیرلایه فوق آب‌دوست می‌گوییم.
  • ترشوندگی بسیار کم: اگر زاویه تماس در حدود 180 باشد، میزان ترشوندگی زیرلایه بسیار کم خواهد بود. در این حالت قطره به صورت کره روی زیر لایه قرار می‌گیرد و بر روی آن پخش نمی‌شود. اگر مایع مورد نظر آب باشد، به زیرلایه جامد، زیرلایه فوق آب‌گریز می‌گوییم.

زاویه تماس و معادله یانگ

در مطالب بالا در مورد معادله یانگ صحبت کردیم. در این قسمت، این معادله را با جزییات بیشتری بررسی می‌کنیم. به تصویر زیر دقت کنید. قطره‌ای بر روی سطح جامد قرار گرفته و با گازی مانند هوا احاطه شده است. در این تصویر:

  • $$\gamma_{lg}$$ کشش سطحی در فصل مشترک بین مایع و گاز است.
  • $$\gamma_{sg}$$ کشش سطحی در فصل مشترک بین جامد و گاز است.
  • $$\gamma_{ls}$$ کشش سطحی در فصل مشترک بین مایع و جامد است.
نیروهای کشش سطحی

سه کشش سطحی را به صورت نمودار جسم آزاد رسم می‌کنیم.

نمودار جسم آزاد

قطره روی سطح حرکت نمی‌کند. بنابراین، بر طبق قانون دوم نیوتن، برایند نیروهای وارد بر آن برابر صفر است:

$$\gamma_{sg}= \gamma_{ls}+ \gamma_{lg}\cos \theta$$

این معادله را بر حسب $$\cos \theta$$ مرتب می‌کنیم:

$$\cos \theta = \frac{\gamma_{sg} -\gamma_{ls}}{\gamma_{lg}}$$

به معادله بالا، معادله یانگ می‌گوییم. در ادامه، هر یک از حالت‌های ترشوندگی را با این معادله بررسی می‌کنیم:

  • زاویه تماس ۹۰ درجه: اگر زاویه تماس برابر ۹۰ درجه باشد، مقدار $$\cos \theta$$ برابر صفر خواهد بود. با توجه به رابطه یانگ، این حالت هنگامی اتفاق می‌افتد که کشش سطحی بین جامد-گاز برابر کشش سطحی فصل مشترک مایع-جامد باشد.
  • ترشوندگی بالا (زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه): اگر زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه باشد، مقدار $$\cos \theta$$ بزرگ‌تر از صفر و مثبت خواهد بود. بنابراین، انرژی سطحی مرز جامد-گاز از انرژی سطحی مرز مایع-جامد بیشتر است.
  • ترشوندگی کم (زاویه تماس بیشتر از ۹۰ درجه): اگر زاویه تماس بیشتر از ۹۰ درجه باشد، مقدار $$\cos \theta$$ کمتر از صفر و منفی خواهد بود. بنابراین، انرژی سطحی مرز مایع-جامد از انرژی سطحی مرز گاز-جامد بیشتر است.

تاکنون با تعریف ترشوندگی، انواع و رابطه آن با کشش سطحی آشنا شدیم. در ادامه، در مورد سطح آب‌دوست و آب‌گریز صحبت می‌کنیم.

سطوح آب دوست و آب گریز

سطح آب‌گریز، همان‌طور که از نامش مشخص است، آب را از خود دور می‌کند. انرژی سطحیِ سطح آب‌گریز کم است. اگر قطره آبی بر روی این سطح قرار بگیرد، زاویه تماس آن از ۹۰ درجه بیشتر خواهد بود. اگر زاویه تماس از ۱۵۰ درجه بیشتر شود، سطح فوق آب‌گریز نامیده می‌شود. قطره آب از روی این سطح می‌پرد یا لیز می‌خورد.

قطره آب بر روی سطح فوق آب گریز

سطح آب‌گریز مزایای زیادی دارد:

  • جلوگیری از یخ‌زدگی سطح
  • بهبود مقاومت در برابر خوردگی
  • تصفیه و مدیریت آب تولیدی
  • بهبود ابزار تشخیص رطوبت
  • مدیریت آلودگی رطوبت در سیستم‌های گاز طبیعی مایع
  • جلوگیری از آلودگی رطوبتی در لوله‌های ردیابی حرارتی
  • جلوگیری از آلودگی در سیستم‌های انتقال نمونه آزمایشگاهی

قطره آب پس از قرار گرفتن بر روی سطح آب‌دوست، روی آن پخش می‌شود. انرژی سطحیِ سطح آب‌دوست، زیاد است. اگر قطره آبی بر روی این سطح قرار بگیرد، زاویه تماس آن از ۹۰ درجه کمتر خواهد بود. سطوه آب دوست زیادی مانند شیشه و فولاد وجود دارند.

سطح آب‌دوست مزایای زیادی دارد:

  • جداسازی بهبود یافته در تشخیص پزشکی
  • بهبود بازده در وسایل انتقال و تبادل گرما
  • بهبود برهم‌کنش سطحی در دستگاه‌های تصفیه

ساخت سطح فوق آب‌ گریز با ترشوندگی بسیار کم

ساختار سطح فوق آب‌گریز در مقیاس نانو به گونه‌ای است که از پخش شدن مایعات بر روی آن جلوگیری می‌کند. برخی دوده‌ها ذراتی در ابعاد نانومتر دارند، بنابراین گزینه مناسبی برای استفاده به عنوان پوشش‌های فوق آب‌گریز هستند.

با انتخاب حلال آلی مناسب به راحتی می‌توانید سطح شیشه‌ای ضخیم را به سطح فوق ‌آب‌گریز تبدیل کنید. برای انجام این کار دو روش را دنبال خواهیم کرد.

روش اول

وسایل مورد نیاز در این روش عبارت هستند از:

  • ایزوپروپیل الکل ۹۹٪ (الکل مالشی)
  • شعله و سطح عایق حرارتی
  • ظرفی کوچک برای نگه داشتن ایزوپروپیل الکل
  • شیشه ضخیم
  • فندک
  • عینک محافظ

در هنگام آزمایش، با شعله و شیشه داغ کار خواهید کرد. بنابراین، به هنگام کار نکات ایمنی را به طور کامل رعایت کنید.

وسایل مورد نیار در روش اول

نکته: به هنگام کار از عینک محافظ استفاده کنید.

ابتدا کمی ایزوپروپیل الکل را داخل ظرف بریزید و با استفاده از فندک آن را آتش بزنید. سپس، شیشه را بر روی شعله، به صورت نشان داده شده در تصویر، نگه دارید. برای جلوگیری از سوزاندن دست توسط شعله، شیشه را از قسمت پایین آن بگیرید.

نگه داشتن شیشه بر روی شعله

به این نکته توجه داشته باشید که شیشه را ثابت بالای شعلهع نگه ندارید و آن را به طرفین حرکت دهید. در این صورت، تمام سطوح آن به صورت یکسان در معرض شعله قرار می‌گیرند. این کار را به مدت سه یا چهار دقیقه انجام دهید. گاهی به هنگام حرکت شیشه بر روی شعله، آن را با سرعت بیشتری به اطراف حرکت دهید. پس از این مدت، سطح شیشه به رنگ دودی درمی‌آید.

شیشه پس از قرار گرفتن بر روی شعله

شیشه را روی سطح مقاوم در برابر گرما قرار دهید. در هنگام انجام این کار بسیار دقت کنید، زیرا شیشه بسیار داغ است. قبل از لمس شیشه، حداقل به مدت ۱۵ دقیقه صبر کنید.

روش دوم

وسایل مورد نیاز در این روش عبارت هستند از:

  • استون
  • شعله و سطح عایق حرارتی
  • شیشه ضخیم
  • فندک
  • عینک محافظ
  • چراغ الکلی

مانند روش اول، در این روش نیز با شعله و آتش سروکار دارید. بنابراین، دقت لازم را به هنگام کار داشته باشید.

وسایل مورد نیاز در روش دوم

مقداری استون داخل محفظه نگه‌دارنده چراغ الکلی بریزید و در آن را ببندید. به این نکته توجه داشته باشید که با استون در ظرف بدون سرپوش کار نکنید، زیرا در صورت آتش گرفتن، کنترل آن بسیار مشکل و حتی گاهی غیر قابل‌‌کنترل خواهد بود. چراغ الکلی را با استفاده از فندک روشن کنید.

مانند روش اول، شیشه را روی شعله نگه دارید و برای داشتن ناحیه پوشیده با دوده یکنواخت، آن را به طور متناوب به عقب و جلو و بالا و پایین حرکت دهید. این کار را در حدود ۳ تا ۴ دقیقه انجام دهید. در هنگام انجام این کار، گاهی شیشه را با سرعت بیشتری حرکت دهید. در پایان، شیشه را روی سطح مقاوم در برابر گرما قرار دهید و به مدت ۱۵ دقیقه تا خنک شدن آن صبر کنید.

روش دوم

و لحظه زیبا فرا می‌رسد. با استفاده از قطره‌چکان، چند قطره آب روی قسمت دودی شیشه بریزید. قطرات آب همانند دانه‌های تسبیح روی سطح پوشیده شده با دوده قرار می‌گیرند و به آسانی بر روی این سطح حرکت می‌کنند. بنابراین، با روشی بسیار ساده، سطح فوق ‌آب‌گریز ساخته‌اید.

قطرات آب روی سطح شیشه پوشیده شده با دوده

اگر با زاویه بسیار کوچکی به شیشه شیب دهیم، قطرات آب به راحتی از روی آن لیز می‌خورند. این نیز یکی دیگر از نشانه‌های سطح فوق ‌آب‌گریز است. قطرات حتی می‌توانند بر روی سطح پرش داشته باشند.

نظریه سطوح فوق آب گریز

در مطالب فوق، در مورد معادله یانگ و رابطه زاویه تماس با کشش‌ها سطحی بین سطوح مختلف صحبت کردیم. علاوه بر مدل یانگ، مدل‌های دیگری نیز برای توصیف ترشوندگی سطوح وجود دارند. به عنوان مثال، مدل «ونزل» (Wenzel)، زاویه تماس سطح زبر را با استفاده از رابطه زیر مشخص می‌کند:

$$\cos \theta_w= r (\frac{\gamma_{sg}-\gamma _ {sl}}{\gamma_{lg}}) = r \cos \theta$$

در رابطه فوق:

  • $$\theta_w$$ زاویه تماس روی سطح با زبری $$r$$ است.
  • $$r$$ میزان زبری سطح است. اگر مقدار $$r$$ برابر یک باشد، سطح کاملا مسطح است. در صورتی که مقدار $$r$$ از یک بزرگ‌تر باشد، سطح دارای پستی و بلندی و به اصطلاح زبر است.

معادله ونزل تنها برای سطح مشترک همگن مایع-جامد، معتبر است. برای سطوح مشترک ناهمگن، مدل «کسی-بکستر» (Cassie-Baxter) استفاده می‌شود:

$$\cos \theta_{cb} = f (1 + \cos \theta_ w) -1 $$

در این معادله:

  • $$\theta_{cb}$$ زاویه تماس روی سطح با زبری $$r$$ است.
  • $$f$$ نسبتی از سطح در نظر گرفته می‌شود که با قطره در تماس است و بین صفر و یک قرار دارد. اگر مقدار آن برابر صفر باشد، مایع سطح را لمس نکرده است. همچنین، اگر $$f =1$$ باشد، سطح به طور کامل با مایع پوشانده شده است. این حالت برای سطحی رخ می‌دهد که به طور کامل مسطح باشد.
سه مدل تعیین زاویه تماس

زاویه تماس قطره آب با سطح به حجم قطره آب و نیروی اینرسی وارد شده از طرف جاذبه بستگی دارد. این زاویه با استفاده از مدل‌های برازش مختلف مانند بیضی، دایره، مماسی و لاپلاس-یانگ اندازه گرفته می‌شود.

کاربردهای سطوح فوق آب گریز

سطوح فوق ‌آب‌گریز کاربردهای مختلفی در صنعت و زندگی روزمره دارند.

  • صنعت خودروسازی
  • صنعت کشتیرانی
  • صنعت هوایی
  • صنعت دارویی
  • صنعت نساجی
  • صنایع الکترونیک
  • جمع‌آوری آب در محیط‌ها کم‌آب

سطوح مواد مختلفی مانند فلزات، شیشه، پلیمرها، کامپوزیت‌ها، میکرو و نانوذرات،‌ با استفاده از روش‌های متنوع شیمیایی به سطوح فوق آب‌گریز برای استفاده در صنایع فوق تبدیل می‌شوند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای این سطوح در صنعت الکترونیک و برای حفاظت از وسایل الکتریکی در مناطق مرطوب است.

کم‌آبی و خشکسالی یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های سال‌های اخیر در سطح جهان و به خصوص برای ایران است. از این رو، پژوهش‌های زیادی برای حل این چالش انجام شده که یکی از آن‌ها، بهبود سطوح مختلف برای جمع‌آوری بخار آب از هوا و تصفیه آن برای مصرف روزانه و کشاورزی است.

استفاده از سطح فوق آب گریز برای جمع آوری آب

جمعیت جهان به سرعت در حال افزایش است. بر طبق داده‌های به‌دست آمده از سایت Worldmeters، به طور متوسط روزانه ۱۸۰ هزار نوزاد متولد و سالانه در حدود ۴۶ میلیون نفر به جمعیت جهان اضافه می‌شوند. تامین نیازهای اولیه این جمعیت عظیم بسیار مشکل است. یکی از نیازهای اولیه و حیاتی، دسترسی به آب سالم خواهد بود.

از سال ۱۹۰۰ میلادی به بعد در حدود نیمی از زمین‌های مرطوب از بین رفته‌اند. کمبود آب حتی در کشورهایی با منابع آب کافی، رایج است. عامل‌های زیادی منجر به وقوع خشکسالی در سراسر جهان شده‌اند:

  • تخریب زیرساخت‌ها
  • آلودگی محیط زیست
  • مدیریت ضعیف منابع آبی
  • تغییرات آب‌و‌هوایی
  • دخالت‌های تخریب‌گر انسان در طبیعت

بر طبق ‌آمارهای منتشر شده:

  • در حدود ۴ میلیارد یا دوسوم جمعیت جهان، حداقل یک ماه در سال با کمبود آب مواجه می‌شوند.
  • در حدود ۲ میلیارد از جمعیت جهان در کشورهایی با منابع آب کم، زندگی می‌کنند.
  • در حدود نیمی از جمعیت جهان در مناطقی زندگی می‌کنند که تا سال ۲۰۲۵ به سمت خشکسالی خواهند رفت.
  • ممکن است تا سال ۲۰۳۰ در حدود ۷۰۰ میلیون نفر به دلیل کمبود آب و خشکسالی، آواره شوند.
  • تا سال ۲۰۴۰، یک کودک از هر چهار کودک در نواحی با کمبود آب شدید زندگی خواهند کرد.

بنابراین، کم‌آبی یا بی‌آبی یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های بشر در سال‌های آینده خواهد بود. خالی از لطف نیست به نقشه آبی ایران نگاهی بیندازیم. همان‌طور که در تصویر فوق دیده می‌شود بیشتر مناطق ایران با مشکل کمبود یا نبود آب مواجه هستند.

کمبود آب در ایران

چگالش، فرایندی است که کاربرد بسیاری در ذخیره‌سازی آب دارد. به عنوان مثال، ساختارهای زیستی متعددی مشابه ساختار کاکتوس برای جمع‌آوری مه و قطرات بخار آب از هوا، ساخته شده‌اند. ترشوندگی سطح، نقش مهمی در جمع‌آوری و ذخیره آب دارد. بنابراین، سطوحی با ترشوندگی بسیار کم یا همان سطوح فوق ‌آب‌گریز برای انجام این کار بسیار موثر هستند. زاویه تماس قطرات آب با این سطوح بسیار زیاد است. در نتیجه، قطره‌های آب جمع‌آوری شده روی سطح در اثر نیروی جاذبه، به آسانی بر روی آن می‌لغزند و در مخزن معینی جمع می‌شوند.

در تصویر زیر، مرحله‌های ساخت سطح آب‌گریز و بهبود ویژگی‌های آن نشان داده شده است. گفتیم زبری سطح نقش مهمی در میزان ترشوندگی آن دارد. هر چه مقدار زبری بیشتر باشد، ترشوندگی سطح کمتر است. همان‌طور که در تصاویر میکروسکوپی گرفته شده از سطح می‌بینیم، در ابتدا سطحی مسطح با سطح موثر و زبری کم داریم. در ادامه، با بهبود آن، زاویه تماس برابر ۱۶۹ درجه به‌دست آمده است.

ساختن سطوح فوق آب گریز

اندازه گیری زاویه تماس ترشوندگی

زاویه تماس قطره مایع با سطح، تعیین‌کننده میزان ترشوندگی آن سطح است. بنابراین، اندازه‌گیری این زاویه از اهمیت خاصی برخوردار است. در مطالب فوق گفتیم که زاویه تماس از طریق معادله یانگ به کشش‌های سطحی بین سطوح مختلف مربوط می‌شود. به هنگام استفاده از این معادله، سطح مورد مطالعه را ایده‌آل، یعنی مسطح، سخت و از نظر شیمیایی همگن در نظر می‌گیریم. همچنین، سیستم استاتیک یا ساکن است و از برهم‌کنش بین مایع و سطح چشم‌پوشی می‌شود.

از آنجایی که شرایط فوق در حالت واقعی رخ نمی‌دهند، برای اندازه‌گیری زاویه تماس از روش‌های دینامیکی استفاده می‌شود. همچنین، از زبری سطح نیز می‌توان برای اندازه‌گیری زاویه تماس استفاده کرد. از این رو، روش‌های اندازه‌گیری زاویه تماس به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

  1. استاتیک یا ساکن
  2. دینامیک
  3. زبری اصلاح شده

در ادامه، در مورد هر یک از این روش‌ها به اختصار توضیح می‌دهیم.

زاویه تماس استاتیک

اگر قطره روی سطح نشسته باشد و مرز سه‌فازی حرکت نکند، از روش استاتیک استفاده می‌کنیم. این روش یکی از رایج‌ترین روش‌های اندازه‌گیری زاویه تماس و برای سطوح به نسبت مسطح و همگن مناسب است. از این روش برای تعیین انرژی آزاد سطح نیز استفاده می‌شود. همچنین، روش استاتیک روشی سریع و کیفی برای اندازه‌گیری ترشوندگی سطوح مختلف است.

توجه به این نکته مهم است که روش استاتیک بر پایه معادله یانگ و بر فرض تعادل ترمودینامیکی نیروهای سطحی، استوار است. اما باید توجه داشته باشیم که در بیشتر موارد، زاویه اندازه‌گیری شده با زاویه به‌دست آمده از معادله یانگ برابر نیست. زیرا پدیده ترشوندگی، حالت ساکنی نیست.

زاویه تماس دینامیک و پسماند زاویه تماس

هنگامی که مرز سه‌فازی حرکت می‌کند، زاویه تماس دینامیکی یا زاویه پیشرو و پس‌رو اندازه گرفته می‌شوند. به زاویه‌ای که در اثر افزایش حجم قطره ایجاد می‌شود، زاویه پیشرو می‌گوییم. در مقابل، زاویه پس‌رو در اثر افزایش حجم قطره ایجاد می‌شود. در سطح ایده‌آل، مقدار‌های این دو زاویه بسیار به یکدیگر نزدیک هستند. در بیشتر موارد، زاویه تماس اندازه‌گیری شده به جهت حرکت خط تماس بستگی دارد.

به تفاوت زاویه پیشرو و پس‌رو، پسماند زاویه تماس گفته می‌شود. پسماند زاویه تماس بیشتر ناشی از ناهمگنی توپوگرافی و شیمیایی سطح، ناخالصی‌های محلول جذب شده یا تورم، چینش مجدد یا تغییر سطح توسط حلال، است.

زاویه‌های پیشرو و پس‌رو به ترتیب مقدارهای بیشینه و کمینه زاویه تماس استاتیک را می‌دهند. گاهی، تفاوت این دو زاویه تا ۵۰ درجه است.

از زاویه تماس دینامیک و پسماند آن برای مطالعه ناهمگنی سطح استفاده می‌شود. این دو کمیت اهمیت ویژه‌ای در سطوح فوق ‌آب‌گریز دارند. برای آن‌که سطحی فوق آب‌گریز باشد، زاویه استاتیک آن باید بیشتر از ۱۵۰ درجه و پسماند زاویه تماس آن کمتر از ۱۰ درجه باشد.

زاویه تماس به روش زبری سطح برای جدایی اثر زبری با شیمی سطح

زبری سطح بر مقدار زاویه ترشوندگی تاثیر دارد. دو سطح با ترکیب شیمیایی یکسان و زبری‌های متفاوت، زاویه تماس‌های مختلفی خواهند داشت. برای این حالت، دو معادله دیگر، به نام‌های معادله ونزل و کسی-بکستر، در بالا معرفی شدند.

در معادله کسی-بکستر فرض می‌شود که سطح زبر است، بنابراین بسته‌های هوا بین قطره و زیرلایه شکل می‌گیرند. اگر تمام سطح& تر شود و هیچ بسته هوایی تشکیل نشود، زبری سطح توسط معادله ونزل به زاویه تماس مربوط می‌شود. توجه به این نکته مهم است که در معادله ونزل فرض می‌شود که مایع به طور کامل داخل خلل‌وفرج‌های سطح نفوذ کرده است. این روش برای سطوحی که به روش‌های مختلف شیمیایی اصلاح شده‌اند، مفید خواهد بود.

روش های اندازه گیری

به طور معمول، برای اندازه‌گیری زاویه‌های تماس از تانسیومترهای اپتیکی یا نیرو استفاده می‌شود. در روش اپتیکی، زاویه‌ تماس‌های استاتیک، دینامیک و مبتنی بر زبری سطح به‌دست می‌آیند. اما از تانسیومتر نیرو، تنها برای اندازه‌گیری زاویه دینامیک استفاده می‌کنند. روش‌های اپتیکی عبارت هستند از:

  • روش قطره چسبیده (استاتیک)
  • روش سوزنی (دینامیک)
  • روش چرخشی (دینامیک)
  • روش «مینیسک» (Meniscus)

به روش‌های مبتنی بر نیرو، روش «ویلهلمی» (Wilhelmy) گفته می‌شود. در ادامه، هر یک از این روش‌ها را به اختصار توضیح می‌دهیم.

روش قطره چسبیده

هنگام صحبت در مورد اندازه‌گیری زاویه تماس، روش «قطره چسبیده» (Sessile Drop) یکی از رایج‌ترین روش‌های استفاده شده است. اما شاید برایتان سوال باشد چرا نام این روش قطره چسبیده است.

لغت sessile از کلمه لاتین Sessilis به معنای نشسته می‌آید. این لغت در گیا‌ه‌شناسی به معنای متصل شدن مستقیم به پایه است. بنابراین، در این روش فرض می‌شود که قطره روی زیرلایه نشسته یا از پایه به آن متصل شده است.

زاویه تماس با استفاده از این روش، بسیار سریع اندازه گرفته می‌شود. ابتدا، قطره مایع مورد نظر‌ (آب) بر روی سطح دلخواه قرار داده می‌شود. این کار به آسانی با استفاده از قطره‌چکان قابل انجام است. در ادامه، مقدار زاویه تماس قطره با سطح با استفاده از نرم‌افزار مربوطه، به سرعت به‌دست می‌آید.

تعریف انرژی آزاد سطح برای سطوح جامد یکی از مهم‌ترین هدف‌های روش قطره چسبیده است. انرژی سطحی جامد به طور مستقیم قابل اندازه‌گیری نیست. بنابراین، با به دست آوردن زاویه تماس با استفاده از این روش می‌توان انرژی آزاد سطحی را شبیه‌سازی کرد. به طور معمول، در این روش زاویه تماس قطره آب اندازه گرفته می‌شود. زیرا با تعیین آن می‌توان میزان آب‌دوستی یا آب‌گریزی سطح را به‌دست آوریم.

وسیله مورد استفاده در روش قطره چسبیده

به طور کلی، در این روش به سه وسیله نیاز داریم:

  1. دوربین
  2. منبع نور
  3. وسیله‌ای برای قرار دادن قطره آب روی سطح

در عمل، این سه وسیله در وسیله‌ای به نام تانسیومتر نوری قرار گرفته‌اند. تانسیومترهای نوری، از دستی تا اتوماتیک متغیر هستند. در وسایل پیشرفته از دوربین‌هایی با وضوح بالا و نور LED استفاده شده است. قطره می‌تواند به صورت دستی روی سطح قرار بگیرد. اما برای جلوگیری از انتقال آلاینده به سطح، از دستگاه قطره‌چکان خودکار استفاده می‌شود.

نرم‌افزار مورد استفاده در این روش نقش مهمی را در تعیین زاویه ایفا می‌کند. این نرم‌افزار با استفاده از الگوریتم‌های برازش، زاویه قطره بر روی صفحه را اندازه می‌گیرد.

روش سوزنی

در این روش، ابتدا قطره کوچکی را روی سطح قرار می‌دهیم. سپس، سوزن به سطح نزدیک می‌شود و حجم قطره به تدریج افزایش می‌یابد. هم‌زمان با افزایش حجم قطره، زاویه تماس اندازه گرفته خواهد شد. در این حالت، اندازه زاویه تماس پیشرو را داریم. زاویه پس‌رو را نیز بار روش مشابهی اندازه می‌گیریم، با این تفاوت که حجم قطره به تدریج کم می‌شود.

روش سوزنی

روش چرخشی

اساس این روش در تصویر زیر نشان داده شده است. ابتدا، قطره روی زیرلایه قرار می‌گیرد. سپس، زاویه زیرلایه با سطح افق به تدریج زیاد و زاویه پیشرو در جلو قطره و در لحظه شروع حرکت آن اندازه گرفته می‌شود. همچنین، زاویه پس‌رو در قسمت پشتی قطره و در لحظه شروع حرکت، اندازه گرفته خواهد شد. با استفاده از این روش می‌توان زاویه لغزش به سمت پایین را نیز اندازه گرفت. زاویه لغزش زاویه‌ای است که در آن، قطره روی سطح شروع به حرکت می‌کند. هر چه مقدار این زاویه کمتر باشد، پسماند زاویه تماس کوچک‌تر است.

شیب دادن به دو روش انجام می‌شود:

  • شیب دادن به سطحی که قطره روی آن قرار دارد.
  • شیب دادن به کل وسیله اندازه‌گیری

اگر به وسیله اندازه‌گیری شیب دهیم، دوربین نیز همراه با سطح می‌چرخد. بنابراین، نرم‌افزار زیرلایه را افقی خواهد دید.

روش چرخشی

روش مینیسک

یکی دیگر از روش‌های اندازه‌گیری زاویه ترشوندگی، روش مینیسک است. این روش، به هنگام اندازه‌گیری اجسامی نازک مانند میله‌ها و الیاف، مفید خواهد بود. در این روش، نمونه همانند تصویر نشان داده شده در ادامه، داخل مایعی غوطه‌ور می‌شود. به هنگام بیرون کشیدن نمونه از داخل مایع، سطح هلالی شکل می‌گیرد و زاویه به صورت اپتیکی اندازه گرفته می‌شود.

زاویه تماس اندازه‌گیری شده به این روش نمی‌تواند به طور مستقیم با زاویه‌های دینامیکی یا استاتیکی مقایسه شود، زیرا ترشوندگی متفاوت است. همچنین، این روش نمی‌تواند زاویه‌های بیشتر از ۹۰ درجه را اندازه بگیرد.

روش مینیسک

روش ویلهلمی

زاویه‌های تماس دینامیکی با استفاده از تانسیومتر نیرو و روش ویلهلمی اندازه گرفته می‌شوند. هنگامی که نمونه جامد در تماس با مایع مورد آزمایش قرار می‌گیرد، تعادل مجموعه تغییر خواهد کرد. تانسیومتر نیرو، جرم موثر بر این تعادل را اندازه می‌گیرد. زاویه تماس با استفاده از معادله زیر محاسبه می‌شود:

$$F_{wetting} = \gamma_ \ P \cos \theta$$

تصویر زیر، چرخه کامل اندازه‌گیری زاویه تماس را نشان می‌دهد. زاویه به‌دست آمده با استفاده از این روش همواره دینامیکی است، زیرا نمونه نسبت به مایع حرکت می‌کند. زاویه پیشرو به هنگام غوطه‌وری نمونه در مایع و زاویه پس‌رو هنگام خروج نمونه از داخل مایع، اندازه گرفته می‌شوند.

روش ویلهلمی

مقایسه روش‌ های اندازه گیری زاویه تماس

در ادامه، هر یک از روش‌های توضیح داده شده با یکدیگر مقایسه می‌شوند:

  • تانسیومتر اپتیکی: روش اندازه‌گیری اصلی است، زیرا در این روش دو زاویه تماس استاتیک و دینامیک اندازه گرفته می‌شوند. با این روش می‌توان همگنی سطح را اندازه گرفت. برای انجام این کار، زاویه تماس را در قسمت‌های مختلف نمونه به‌دست می‌آوریم.
  • روش ویلهلمی: با این روش نمی‌توان در مورد همگنی سطح صحبت کرد، زیرا زاویه تماس اندازه‌گیری شده بر روی تمام ناحیه غوطه‌وری، میانگین گرفته شده است. همچنین، دو طرف نمونه در این روش باید همگن باشند.

اندازه گیری زاویه تماس نمونه های خاص

گرچه اندازه‌گیری زاویه ترشوندگی کار راحتی است، اما برای نمونه‌هایی مانند الیاف و پودر باید چیدمان خاصی را برنامه‌ریزی کنیم.

الیاف

اندازه‌گیری زاویه تماس الیاف و دیگر اجسام نازک با استفاده از روش‌های زیر امکان‌پذیر است:

  • تانسیومتر اپتیکی مجهز به پخش‌کننده پیکولیتری: تانسیومتر اپتیکی قطراتی با قطری حدود ۳۰ میکرومتر، تولید می‌کند. از قطره کوچک با استفاده از دوربینی با سرعت بالا، عکس گرفته می‌شود و زاویه تماس آن از طریق نرم‌افزار متصل به دستگاه، به‌دست می‌آید.
  • روش مینیسک: از این روش نیز برای تحلیل زاویه تماس الیاف استفاده می‌شود. برای الیاف به اندازه کافی نازک با اندازه‌ای کمتر از ۲۰۰ میکرومتر، تجهیزات اپتیکی ویژه‌ای مورد نیاز است. زاویه تماس به‌دست آمده از این روش بین حالت دینامیک و استاتیک قرار دارد و به طور مستقیم نمی‌تواند با دو روش دیگر مقایسه شود.
  • تانسیومتر نیرو با استفاده از روش ویلهلمی: این وسیله مجهز به نگه‌دارنده ویژه‌ای برای الیاف و برای تحلیل الیاف تا اندازه هفت میکرومتر مفید است. ذکر این نکته مهم است که روش دینامیکی ویلهلمی برای اندازه‌گیری زاویه‌های پیشرو و پس‌رو استفاده می‌شود.

پودر

دو روش برای اندازه‌گیری زاویه تماس مواد پودری وجود دارند:

  1. روش قطره چسبیده: در این روش پودر تحت فشار زیاد به شکل قرص درمی‌آید.
  2. تانسیومتر نیرو: از روش «واشبورن» (Washburn) استفاده می‌شود.

در روش قطره چسبیده، قطره با اندازه‌ای دلخواه روی قرص پودر قرار داده می‌شود. اما قرص کردن پودر چالش بزرگی در این روش است، زیرا خواص سطحی قرص ممکن است نسبت به پودر تغییر زیادی داشته باشد. در این صورت، تفسیر نتایج به‌دست آمده گمراه‌کننده خواهند بود.

گاهی تبدیل پودر به قرص کار سختی است. در این حالت، روش واشبورن استفاده می‌شود. در این روش، پودر داخل استوانه‌ای با سوراخ‌هایی در قسمت پایین آن، قرار می‌گیرد. نگه‌دارنده به آرامی داخل مایع مورد نظر قرار می‌گیرد و جذب مایع بر حسب تابعی از زمان اندازه گرفته می‌شود. زمان لازم برای نفوذ مایع از طریق معادله واشبورن، به زاویه تماس مربوط می‌شود. این روش بر پایه اثر مویینگی است، بنابراین برای زاویه‌های کمتر از ۹۰ درجه مناسب خواهد بود.

$$\cos \theta = \frac{\eta}{C \gamma_l\rho^2}\times \frac{m^2}{t}$$

در رابطه فوق:

  • $$C$$ ثابت ماده است.
  • $$\rho$$ چگالی مایع است.
  • $$\eta$$ گرانروی مایع است.
  • $$\gamma _l$$ کشش سطحی مایع است.
  • $$\frac {m^2} {t}$$ شیب نمودار جذب است.
تصویر ۳

زاویه تماس چگونه اندازه گرفته می شود ؟

اندازه‌گیری زاویه تماس ترشوندگی از دو مرحله تشکیل شده است:

  1. ضبط کردن
  2. تحلیل

وسیله مورد نیاز برای محاسبه این زاویه می‌تواند بسیار ساده باشد. در مطالب فوق عنوان شد که روش قطره چسبیده یکی از رایج‌ترین روش‌های اندازه‌گیری زاویه تماس است. وسیله مورد استفاده برای این روش از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

  1. منبع نور
  2. دوربین
  3. سطح چرخان

مراحل اندازه‌گیری به صورت زیر انجام می‌شوند:

  1. صفحه یا زیرلایه به هنگام قرار گرفتن قطره روی آن صاف است. بنابراین، قطره ساکن خواهد ماند.
  2. قطره مایع روی زیرلایه قرار داده می‌شود.
  3. قطره از پشت روشن و تصویر آن توسط دوربین ثبت می‌شود.
  4. تصویر گرفته شده با استفاده از نرم‌‌افزار، تحلیل و زاویه تماس آن با سطح اندازه گرفته می‌شود.
ثبت تصویر و اندازه گیری زاویه

ثبت تصویر برای اندازه گیری زاویه تماس

ثبت تصویر، اولین قدم برای اندازه‌گیری زاویه تماس قطره روی سطح مسطح است. عامل‌های مختلفی به هنگام طراحی و ساخت سیستم اپتیکی وسیله باید در نظر گرفته شوند. تجهیزات مورد استفاده در سیستم اپتیکی می‌توانند هزینه ساخت وسیله را بسیار افزایش دهند.

عکسی از قطره روی زیرلایه را در نظر بگیرید. سوالی که ممکن است برای شما مطرح شود آن است که مهم‌ترین ویژگی‌های عکس قطره برای محاسبه زاویه تماس چیست. به هنگام گرفتن عکس باید به نکته‌های زیر توجه داشته باشیم:

  • اندازه تصویر: اندازه تصویر ثبت شده باید به گونه‌ای باشد که تمام قطره و کمی از اطراف آن مشخص باشند. اگر لبه‌ها در تصویر مشخص نباشند، اندازه‌گیری زاویه تماس ممکن نخواهد بود.
اندازه تصویر
  • وضوح تصویر: قطره در تصویر باید به وضوح دیده شود. هر چه لبه‌ها در تصویر واضح‌تر باشند، زاویه تماس با دقت بیشتری اندازه گرفته خواهد شد. هر چه وضوح لبه‌های قطره کمتر باشند، مشخص کردن شیب قطره و محل تقاطع آن با زیرلایه مشکل‌تر است. عامل‌های موثر بر وضوح تصویر عبارت هستند از:
    • وضوح دوربین
    • بزرگ‌نمایی تصویر
    • سطح نور
    • «کنتراست» (Contrast) با زمینه
وضوح تصویر
  • وضوح دوربین: وضوح دوبین، تعیین‌کننده تعداد پیکسل‌های لبه قطره است. اگر تصویر ثبت شده دارای پیکسل بالا باشد، تعیین محل دقیق لبه قطره سخت خواهد بود. هر چه تعداد داده‌ها در برازش چندجمله‌ای کمتر باشد، دقت برازش کمتر خواهد بود.
رزولوشن
  • بزرگ‌نمایی: بزرگ‌نمایی تصویر بر وضوح تاثیر می‌گذارد.
بزرگ‌ نمایی
  • کنتراست با زمینه: کنتراست نقش مهمی در پیدا کردن لبه قطره دارد. اگر کنتراست کم باشد، جدا کردن قطره از زمینه آن سخت خواهد بود. کنتراست در روش تشخیص لبه، دقت تشخیص را مشخص خواهد کرد.
کنتراست
  • نورپردازی: سطح نور بر اندازه‌گیری تاثیر می‌گذارد. برای اندازه‌گیری زاویه تماس باید قطره را ببینید. اگر سطح نور خیلی زیاد یا خیلی کم باشد، کنتراست و زمینه بر تصویر ثبت شده و اندازه‌گیری تاثیر خواهند گذاشت.
سطح نور
  • عمق میدان: هنگام عکس‌برداری از قطره باید تمام میدان آن در فاصله کانونی قرار داشته باشد. در غیر این صورت، جلوی قطره تار و یافتن خط پایه سخت است. این مشکل با تغییر عمق میدان سیستم تصویر‌برداری، رفع خواهد شد. نقطه کانونی واقعی لنز در فاصله مشخصی از آن قرار دارد. دو ناحیه در دو سمت نقطه کانونی وجود دارند که مرکز توجه در نظر گرفته می‌شوند. به این ناحیه، عمق میدان می‌گوییم. عمق میدان می‌تواند با استفاده از دریچه عبور نور تغییر داده شود.

تصویر زیر تاثیر دریچه بر ورود نور به دوربین را نشان می‌دهد. هر چه اندازه دریچه کوچک‌تر شود، مقدار نور ورودی به دوربین کمتر و باریک‌تر خواهد شد. در نتیجه:

    • نور کل ورودی کاهش می‌یابد، بنابراین نور زمینه باید روشن باشد.
    • عمق میدان افزایش می‌یابد و ناحیه متمرکز، طولانی‌تر می‌شود.

با باریک شدن دریچه، اندازه پرتو نور تغییر می‌کند.

عمق میدان

آنالیز

تا اینجا عکس قطره با استفاده از دوربین و تنظیمات لازم آن گرفته شده است. مرحله بعدی تحلیل و به‌دست آوردن زاویه تماس ترشوندگی قطره با سطح خواهد بود. در حالت کلی، محاسبه زاویه تماس از چهار مرحله تشکیل شده است:

  • تعریف خط پایه: ابتدا باید خط پایه را تعریف و آن را در تصویر مشخص کنیم. خط پایه خطی افقی است که سطح جامد یا زیر لایه را از قطره جدا می‌کند. به بیان دیگر، این خط مشخص‌کننده زیرلایه است. برای به‌دست آوردن زاویه تماس، ابتدا خط پایه را رسم می‌کنیم.
رسم خط پایه
  • مشخص کردن لبه قطره: بدون دانستن محل تقاطع خط پایه با لبه قطره نمی‌توانیم زاویه تماس را اندازه بگیریم. لبه قطره می‌تواند:
    • دستی رسم شود.
    • با استفاده از برنامه‌نویسی یا شبیه‌سازی مشخص شود.
    • با توجه به شکل‌های معمول قطره‌، محاسبه می‌شود.
لبه قطره
  • تعیین شیب: در این مرحله، شیب مماس بر لبه قطره را رسم و تقاطع آن با خط پایه را تعیین می‌کنیم. این کار می‌تواند:
    • دستی با استفاده از نقاله انجام شود.
    • با استفاده از نرم‌افزار انجام شود.
تعیین شیب
  • تعیین زاویه تماس: خط پایه و شیب مماس بر لبه قطره را رسم کردیم. اکنون به راحتی می‌توانیم زاویه تماس را به‌دست آوریم. برای انجام این کار از توابع مثلثاتی استفاده می‌کنیم. به عنوان مثال، اگر شیب برابر ۳ باشد، با استفاده از رابطه زیر، زاویه را به‌دست می‌آوریم:
فرمول شیب

بنابراین، با داشتن خط پایه و لبه قطره، زاویه بین آن‌ها به راحتی به‌دست خواهد آمد.

زاویه تماس

تاکنون با ترشوندگی، انواع آن، زاویه تماس و چگونگی اندازه‌گیری آن با استفاده از روش قطره چسبیده آشنا شدیم. در ادامه، نحوه اندازه‌گیری زاویه تماس در آزمایشگاه را با تصاویر واقعی ثبت شده، توضیح می‌دهیم.

اندازه گیری زاویه تماس در حالت واقعی

در ادامه، تمام مراحل ذکر شده در بالا را با استفاده از تصاویر واقعی ثبت شده از قطره، شرح می‌دهیم.

تعریف خط پایه

در اینجا، نرم‌افزار به گونه‌ای طراحی شده است که خط پایه توسط کاربر مشخص شود. تصویر زیر اسکرین‌ شاتی از نرم‌افزار را نشان می‌دهد. خط‌های سبز در تصویر، مرزهای ناحیه مورد نظر را تعریف می‌کنند. این ناحیه، قسمتی از تصویر مورد استفاده برای مشخص کردن لبه است. مرز پایین ناحیه مورد نظر توسط خط پایه مشخص می‌شود. لغزنده‌هایی در هر طرف پنجره نمایشگر وجود دارند که عملکرد هر یک از آن‌ها به صورت زیر است:

  • لغزنده سمت راست: خط پایه و مرز پایین ناحیه مورد نظر را مشخص می‌کند.
  • لغزنده بالا: ناحیه سمت چپِ منطقه مورد نظر را مشخص می‌کنند.
  • لغزنده پایین: ناحیه سمت راستِ منطقه مورد نظر را تعیین می‌کند.

لغزنده‌ها با استفاده از موس به راحتی حرکت می‌کنند.

ناحیه مورد نظر

بزرگ شده ناحیه مورد نظر در تصویر زیر نشان داده شده است. تعیین مکان خط پایه با استفاده از این تصویر بسیار راحت‌تر خواهد بود.

تصویر بزرگ شده

تعیین لبه تشخیص

پس از انتخاب ناحیه مورد نظر، لبه قطره را مشخص می‌کنیم. برای انجام این کار، خطوط آستانه‌ای را به تصویر در ناحیه مورد نظر اعمال می‌کنیم. پس از اعمال خطوط آستانه، رنگ تصویر از خاکستری به سیاه و سفید تغییر می‌کند. سپس، نرم‌افزار با بررسی هر خط افقی، مختصات اولین پیکسل سیاه‌رنگ را پیدا می‌کند. خطوط افقی آستانه در تصویر زیر نشان داده شده‌اند. دایره‌های آبی و سبز رنگ نشان‌دهنده مکان نخستین پیکسل‌های سیاه‌رنگ در هر خط هستند. توجه به این نکته مهم است که نرم‌افزار از چپ به راست (سبز) و از راست به چپ، جستجو می‌کند.

تعیین لبه با استفاده از نرم افزار

تعیین شیب

در بخش قبل گفتیم که با استفاده از خطوط آستانه، تعدادی نقاط روی لبه قطره مشخص می‌شوند. بنابراین، مختصات x و y این نقاط را خواهیم داشت. در نتیجه، نرم‌افزار با استفاده از مختصات این نقاط چند‌جمله‌ای درجه دوم را روی لبه قطره برازش می‌کند. در ادامه، شیب مماس بر نمودار برازش شده را رسم می‌کنیم و محل تقاطع آن با خط پایه را به‌دست می‌آوریم.

برای به‌دست آوردن شیب نمودار چندجمله‌ای از تابع آن استفاده می‌کنیم و مشتق اول را به‌دست می‌آوریم. همچنین، مختصات نقطه تلاقی خط پایه و شیب را داریم. با قرار دادن مقدار x در مشتق اول، مقدار شیب در این نقطه را محاسبه می‌کنیم.

محاسبه زاویه تماس

در این مرحله می‌توانیم زاویه تماس را به‌دست آوریم.

برازش چندجمله ای

نکته ها و محدودیت های اندازه گیری

روش قطره چسبیده، مانند هر روشی، محدودیت‌ها و نکته‌هایی دارد که به هنگام اندازه‌گیری باید به آن‌ها توجه شود.

توجه به محل انعکاس قطره نسبت به سطح جامد، یکی از آسان‌ترین راه‌ها برای تعیین محل خط پایه است. تصویر زیر، قطره‌ای روی زیرلایه یا هر سطح جامد دلخواهی را نشان می‌دهد. قسمتی از قطره، زیر خط سبز، انعکاس آن است.

تعیین خط پایه با استفاده از انعکاس قطره

همان‌طور که در قسمت‌های قبل گفته شد، تصویر تار از قطره اطلاعات درستی را به ما نمی‌دهد و اندازه‌گیری زاویه تماس آن مشکل است. اگر قطره را به خوبی نبینیم، یافتن خط پایه مشکل‌تر خواهد بود. اگر قطره، تار دیده می‌شود، وضوح تصویر را با چرخاندن لنز دوربین افزایش دهید. گاهی با تغییر فاصله زیر لایه نسبت به دوربین می‌توانید وضوح تصویر را تغییر دهید و این کار را تا رسیدن به وضوح دلخواه ادامه دهید.

به این نکته توجه داشته باشید که خط پایه را خیلی پایین‌تر از مکان واقعی آن مشخص نکنید، زیرا شیب چند‌جمله‌ای در محل تقاطع با خط پایه، منفی و در نتیجه زاویه تماس اشتباه به‌دست خواهد آمد.

مسطح بودن زیرلایه به هنگام عکس‌برداری از قطره، بسیار مهم است. در اینجا، با دو حالت روبرو می‌شویم:

  • زیرلایه آهسته به سمت دوربین بچرخد. در این صورت، تصویر ثبت شده به صورت زیر خواهد بود.
چرخش زیرلایه به سمت دوربین
  • زیرلایه آهسته به سمت مخالف دوربین بچرخد. در این صورت، تصویر ثبت شده به صورت زیر خواهد بود.همان‌طور که در تصویر مشاهده می‌کنید، قسمتی از قطره توسط زیر لایه پوشانده شده است.
تصویر چرخانده شده در جهت مخالف دوربین

در انتخاب ناحیه مورد نظر باید مطمئن باشیم که تمام قطره در این ناحیه قرار گرفته است. در صورت نبود لبه‌ قطره در این ناحیه، مقدار زاویه تماس، اشتباه محاسبه خواهد شد. همچنین، به این نکته توجه داشته باشید که جسم یا قطره‌های دیگری جز قطره مورد نظر در این ناحیه قرار نداشته باشند.

استفاده از خط‌های آستانه هنگامی موثر است که کانتراست بین قطره و زمینه زیاد باشد. اگر نور از جهت دیگری قطره را روشن کند، مقدار کانتراست کاهش خواهد یافت. در نتیجه، تشخیص لبه قطره به درستی انجام نمی‌شود.

در برازش چندجمله‌ای تا حد امکان تعداد داده‌های به‌دست آمده باید زیاد باشد.

ترشوندگی در مهندسی نفت

مفهوم و کاربرد ترشوندگی در مهندسی نفت بسیار مهم است. در مطالب بالا با مفهوم ترشوندگی و انواع آن آشنا شدیم. در این بخش، در مورد نقش ترشوندگی در مهندسی نفت صحبت خواهیم کرد.

ابتدا ترشوندگی را به صورت کاربردی‌تر برای استفاده در مهندسی نفت تعریف می‌کنیم. دو سیال یا بیشتر از دو سیال امتزاج‌ناپذیر را در نظر بگیرید. به تمایل یکی از این سیالات به پخش شدن یا چسبیدن به سطح جامد در حضور سیالات دیگر، ترشوندگی گفته می‌شود. به عنوان مثال صخره‌ یا سنگی را در حضور دو مایع مخلوط نشدنی با یکدیگر مانند آب و نفت در نظر بگیرید. ترشوندگی معیاری از تمایل آب یا نفت به چسبیدن یا پخش شدن روی سنگ است.

ترشوندگی در مهندسی نفت

در محیط متخلخلِ مخازن هیدروکربنی، ترشوندگی عامل اصلی کنترل‌کننده مکان، جریان و توزیع سیالات در مخزن است. ترشوندگی سیستم نفت خام/ آب سازند/سنگ، تاثیر بسزایی بر جریان سیال در مدت بازیافت نفت دارد. همچنین، مشخصه ترشوندگی مخزن برای برنامه‌ریزی و پیش‌بینی استراتژی‌های تخلیه، مانند طر‌ح‌های بازیافت اولیه و پیشرفته، مهم است. ترشوندگی بر نفوذپذیری نسبی، مشخصه‌های الکتریکی، فشار مویینگی و پروفایل‌های اشباع در مخزن، تاثیر می‌گذارد.

انواع ترشوندگی

ترشوند‌گی‌های متفاوتی را می‌توان براساس توزیع نسبی سیالات مخزن نسبت به چارچوب سنگ یا صخره، تعریف کرد. ترشوندگی سیستم با توجه به برهم‌کنش‌های ویژه صخره، نفت و آب‌شور به دو دسته کلی تقسیم می‌شود:

  1. ترشوندگی زیادِ آب (آب‌دوست)
  2. ترشوندگی زیادِ نفت (نفت‌دوست)

هنگامی‌ که سیستم ترجیحی نسبت به آب یا نفت نداشته باشد، ترشوندگی آن خنثی یا متوسط است. سومین نوع ترشوندگی، ترشوندگی کسری است که در آن ناحیه‌های مختلف مخزن، ترشوندگی‌های متفاوتی دارند.

به تصویر زیر توجه کنید. در حالتی که ترشوندگی آب زیاد باشد، نفت در مرکز تخلخل‌ها باقی می‌ماند. حالت مقابل هنگامی رخ می‌دهد که ترشوندگی نفت زیاد باشد. در ترشوندگی کسری یا مخلوط، نفت جایگزین آب در برخی سطوح شده است.

انواع آب‌دوستی

آب‌ تر

در این حالت، سطح صخره یا سنگ توسط لایه نازکی از آب پوشانده شده است. این شرایط برای انتقال موثر نفت بسیار ایده‌آل است. در سیستمی که ترشوندگی آب در آن زیاد باشد، سطح جامد بین نفت، آب و فاز گازی، تمایل به تماس با آب دارد. این سیستم‌ها به طور ترجیحی آب را جذب می‌کنند.

نفت تر

در این حالت، سیستم بین فاز نفتی، گازی یا آب، فاز نفتی را ترجیح می‌دهد.

ترشوندگی کسری

با توجه به آن‌که ترشوندگی سنگ را می‌توان توسط مولفه‌های نفت خام تغییر داد، شکل ناهمگنی از ترشوندگی در سنگ مخزن شکل می‌گیرد. ترشوندگی کسری یا ناهمگن در سال ۱۹۵۶ توسط «بران» (Brown) و «فت» (Fatt) پیشنهاد شد. در این ترشوندگی، اجزای تشکیل‌دهنده نفت خام در قسمت‌های معینی از سنگ جذب می‌شوند، بنابراین قسمتی از سنگ توسط نفت پوشانده شده است. اما، باقی قسمت‌ها با آب پوشانده شده‌اند.

ترشوندگی متوسط یا خنثی

ترشوندگی کسری از نظر مفهومی با ترشوندگی متوسط متفاوت است. در ترشوندگی متوسط با خنثی فرض می‌شود که تمام قسمت‌های سنگ نسبت به جذب آب یا سنگ، ترجیح کم، اما یکسانی دارند.

ترشوندگی مخلوط

ترشوندگی مخلوط توسط «سالاتیل» (Salathiel) در سال ۱۹۷۳ معرفی شد. در این نوع ترشوندگی فرض شد که سطح‌های پوشانده شده توسط نفت، مسیرهای پیوسته‌ای را از طریق منافذ بزرگ‌تر تشکیل می‌دهند. منافذ کوچک‌تر از آب پوشانده شده‌اند و هیچ نفتی در آن‌ها وجود ندارد.

همان‌طور که در مطالب بالا گفته شد، نه‌تنها منافذ کوچک در سنگ‌های ترشونده با آب پر می‌شوند، بلکه بیشتر سطح آن‌ها نیز با آب پوشانده شده است. به طور مشابه، در سیستم‌های ترشونده با نفت، سنگ به طور ترجیحی با نفت در تماس و توسط آن پوشانده شده است. در این حالت، مکان دو سیال برعکس می‌شود و منافذ کوچک توسط نفت پر می‌شوند. توجه به این نکته مهم است که عبارت ترشوندگی برای ترجیح سنگ به کار برده می‌شود و به سیال در تماس با سنگ اشاره‌ای ندارد.

فیلم آموزشی مرتبط

اندازه گیری ترشوندگی

در مطالب بالا، روش‌های مختلف برای اندازه‌گیری زاویه تماس ترشوندگی را توضیح دادیم. در ادامه، در مورد روش‌های اندازه‌گیری این کمیت در مخازن استخراج نفت صحبت خواهیم کرد. در حالت کلی، اندازه‌گیری ترشوندگی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

  • روش کیفی
  • روش کمی

روش‌های کمی عبارت هستند از:

  • زاویه تماس
  • روش «آموت» (Amott)
  • US Bureau | USBM

روش‌های کیفی عبارت هستند از:

  • روش «لگاریتمی» (Wire-line logs)
  • روش عملکرد تولید
  • نرخ‌های جذب
  • بررسی میکروسکوپی
  • شناورسازی
  • روش اسلاید شیشه‌ای
  • نمودارهای نفوذپذیری نسبی
  • نسبت‌های نفوذپذیری/اشباع
  • نمودارهای فشار مویینگی
  • جذب رنگ
  • روش مویینگی متریک
  • جابجایی فشار مویینگی
  • رزونانس مغناطیسی هسته‌ای

گر چه هیچ روش پذیرفته شده‌ واحدی وجود ندارد، به طور کلی از سه روش کمی استفاده می‌شود. میزان ترشوندگی نفت را می‌توان با اندازه‌گیری زاویه تماس نفت خام و آب سازند روی کریستال‌های کلسیت یا سیلیس، مشخص کرد. زاویه تماس مشخص‌کننده ترشوندگی سطحی مشخص است، اما روش‌های آموت و USBM ترشوندگی متوسط هسته را اندازه می‌گیرند. در مطالب فوق، در مورد روش زاویه تماس توضیح دادیم. در ادامه، در مورد دو روش آموت و USBM صحبت خواهیم کرد.

فیلم آموزشی مرتبط

روش آموت

در روش آموت، جابجایی اجباری و جذب برای اندازه‌گیری متوسط ترشوندگی مغزه، ترکیب شده‌اند. به هنگام آزمایش می‌توان از سیالات و مغزه مخزن، استفاده کرد. روش آموت بر این پایه استوار است که سیال ترشونده به طور خودبه‌خودی جذب هسته و جایگزین سیال غیر ترشونده می‌شود. از نسبت جذب خودبه‌خودی به جذب اجباری برای کاهش اثر عامل‌های دیگری مانند نفوذپذیری نسبی، گرانروی و اشباع اولیه مخزن، استفاده خواهد شد.

هسته از سانتریفیوژ تحت آب شور تا رسیدن به اشباع نفت باقی‌مانده، تهیه می‌شود. بنابراین، روش آموت از چهار مرحله تشکیل شده است:

  1. مغزه را در نفت غوطه‌ور کنید و حجم آب جابجا شده توسط جذب خودبه‌خودی نفت را پس از ۲۰ ساعت اندازه بگیرید.
  2. مغزه را در نفت سانتریفیوژ کنید و مقدار کل آب جابجا شده به همراه حجم جابجا شده توسط جذب خودبه‌خودی را اندازه بگیرید.
  3. مغزه را در آب شور غوطه‌ور کنید و حجم نفت را که به صورت خودبه‌خودی با آب جایگرین شده است، پس از ۲۰ ساعت اندازه بگیرید.
  4. مغزه را در نفت تا رسیدن به اشباع نفت باقی‌مانده، سانتریفیوژ کنید و مقدار کل نفت جابجا شده به همراه حجم جابجا شده توسط جذب خودبه‌خودی را اندازه بگیرید.

نتیجه‌های آزمایش به صورت زیر بیان می‌شوند:

  • نسبت حجم آبی که خودبه‌خود جذب می‌شود به کل حجم نفت جابجا شده (مجموع جابجایی اجباری و خودبه‌خود نفت با آب):

$$W_w = \frac{\nu_{W1}}{\nu_{W1} + \nu_{W2}}$$

در رابطه فوق:

    • $$W_w$$ شاخص آب‌دوستی است.
    • $$\nu_{W1}$$ حجم آب جذب شونده خودبه‌خودی است.
    • $$\nu_{W2}$$ حجم آب جذب شونده اجباری است.
  • نسبت حجم نفتی که خودبه‌خود جذب می‌شود به کل حجم آب جابجا شده (مجموع جابجایی اجباری و خودبه‌خود آب با نفت):

$$W_o = \frac{\nu_{o1}}{\nu_{o1} + \nu_{o2}}$$

در رابطه فوق:

    • $$W_o$$ شاخص نفت‌دوستی است.
    • $$\nu_{W1}$$ حجم نفت جذب شونده خودبه‌خودی است.
    • $$\nu_{W2}$$ حجم نفت جذب شونده اجباری است.

شاخص ترشوندگی آموت به صورت زیر تعریف می‌شود:

$$I = W_w - W_o$$

در رابطه فوق، دو نسبت به شاخص ترشوندگی واحدی تبدیل شده‌اند که مقدار آن از ۱+ برای ترشوندگی کامل آب تا ۱- برای ترشوندگی کامل نفت تغییر می‌کند. بنابراین، داریم:

  1. $$+0.3<I<+1$$: آب‌دوست
  2. $$-0.3<I<0.3$$: ترشوندگی متوسط یا خنثی
  3. $$-1<I<-0.3$$: نفت‌دوست

روش USBM

این روش توسط «دونالدسون» (Donaldson) و همکارانش انجام شد و گسترش یافت. در این روش از نسبت مساحت‌های زیر دو نمودار فشار مویینگی برای محاسبه شاخص ترشوندگی استفاده می‌شود:

$$W_{USBM} = \log \ (\frac {A_{II}} {A_I})$$

در رابطه فوق:

  • $$A_{II}$$ مساحت زیر منحنی نفت است.
  • $$A_{I}$$ مساحت زیر منحنی نفت است.

چرا ترشوندگی در بازیافت نفت مهم است ؟

مخزن‌ها به سه گروه آب‌دوست، Mixed Wet و نفت‌دوست، تقسیم می‌شوند. اگر سنگ مخزن آب‌دوست باشد، آب در تماس با مواد معدنی است و نفت فاز احاطه‌کننده خواهد بود. اگر سنگ مخزن نفت‌دوست باشد، نفت در تماس با مخزن قرار دارد. تغییر ترشوندگی در شرایط آزمایشگاهی روشی موثر برای بهبود بازیافت نفت است. هدف از تغییر ترشوندگی، بردن حالت سنگ مخزن به سمت آب‌دوست است. عامل‌های زیادی مانند نفت خام، آب‌شور، ترکیب سنگ، فشار و دما بر ترشوندگی تاثیر می‌گذارند.

ترشوندگی جیوه

گفتیم ترشوندگی و کشش سطحی مایع، رابطه بسیار نزدیکی با یکدیگر دارند. هر چه کشش سطحی بزرگ‌تر باشد، مایع با احتمال بیشتری به شکل دانه‌های تسبیح روی سطح جامد قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، کشش سطح جیوه بسیار بزرگ است، بنابراین از آن به عنوان مایعی غیر ترشونده یاد می‌شود.

ترشوندگی جیوه

جمع‌بندی

در این مطلب، ابتدا ترشوندگی را تعریف و انواع آن را با توجه به مقدار زاویه تماس بیان کردیم. اگر مایع مورد نظر آب باشد، ترشوندگی به سه دسته کلی زیر تقسیم می‌شود:

  • سطح آب‌دوست
  • سطح آب‌گزیر
  • سطح فوق‌ آب‌گریز

در ادامه، در مورد نقش ترشوندگی در بازیافت نفت و روش‌های کلی اندازه‌گیری آن صحبت کردیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۷ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.