工程过程中分子间和表面间相互作用

张嘉文，曾宏波

1.引言

分子间和表面间相互作用在许多工业界面过程中起着关键作用，如气泡附着、乳液稳定和聚结、絮凝和混凝、污垢和防污现象以及废水处理[1]。通过研究分子间及表面间相互作用，可以促进对决定气/油/水/固界面间相互作用行为的基本工作原理的认识，有利于调控相关工程过程并提高生产效率[2-5]。例如，在石油工业中，在水/油界面上吸附的沥青质可以稳定油包水（water-in-oil, W/O）或水包油（oil-in-water, O/W）乳液，导致油水分离困难、管道污垢积累和腐蚀。由于其他界面活性成分的存在（如细小固体颗粒、天然表面活性剂和聚合物添加剂），在石油生产过程中，乳液液滴的表面间相互作用是复杂的，决定了乳液的稳定性。了解这些相互作用机制有助于解决石油生产中与乳液和沥青质相关的技术难题。在矿物浮选中，气泡选择性地附着在所需矿物的颗粒上，而非脉石矿物上，这对有效分离矿物至关重要。这种选择性附着可以通过调节气泡和矿物颗粒之间的相互作用，以及添加某些化学添加剂（如活化剂、捕收剂或抑制剂）和水化学手段（如pH值、盐度）来调节矿物颗粒的表面化学。因此，理解各种工程过程中涉及的分子间和表面间相互作用具有根本和实际的重要性。

人们在解读各种材料体系和工程过程中涉及的分子间和表面间相互作用方面付出了巨大的努力，包括范德华（van der Waals, VDW）相互作用、静电相互作用[如离子、氢键、双电层（electrical double-layer, EDL）相互作用]、空间位阻效应、溶剂化相互作用（如水合、疏水和结构相互作用）等。……