Surface Adsorption of Water-alcohol Binary Solutions

doi:10.7503/cjcu20230316

Abstract

Abstract:

Algebraic equations of the Gibbs surface excess（Γ₂） and adsorption layer thickness（τ） were developed for binary liquid mixtures based on the surface aggregation adsorption（SAA） model and the Gibbs differential equation， which can predict the change of Γ₂ and τ with the bulk composition（such as the molar fraction of component 2， x_2，b） in the whole concentration range. The model equations were used to investigate the surface adsorption of water（1）-alcohol（2） binary solutions. The alcohols involved include methanol（MeOH）， ethanol（EtOH）， iso-propanol（iPrOH）， n-propanol（nPrOH）， and tert-butanol（tBuOH）. It was found that their adsorption trend on the water surface increases in turn， consistent with the enhancement trend of their hydrophobicity. Their Γ₂ and τ increase in turn in the low x_2，b region， while decrease in turn in the high x_2，b region， which arise from the differences in adsorption trend and molecular size between alcohols. In addition， for a given alcohol system， with an increase in x_2，b from 0 to 1， its Γ₂ initially sharply increases and then decreases， showing a maximum， but its τ exhibits a continuous reduction. This work provides a better understanding of the surface adsorption behavior of water-alcohol liquid mixtures.

Key words: Liquid mixture, Surface adsorption, Surface aggregation, Adsorption layer thickness, Thermodynamic model

CLC Number:

O647

TrendMD:

YU Xianchao, QI Wenshuai, DENG Quanhua, HOU Wanguo. Surface Adsorption of Water-alcohol Binary Solutions[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(11): 20230316.

Figures/Tables 8

Table 1 Molar volumes, surface tensions, and solubility parameters of pure liquids

Pure liquid	v⁰/（cm³·mol^-1）	l_ec/nm	σ⁰/（mN·m^-1）	δ_t/MPa^1/2［39］	δ_d/MPa^1/2［39］	δ_p/MPa^1/2［39］	δ_h/MPa^1/2［39］
Water	18.07	0.31	72.01^［37］	47.8	15.5	16.0	42.3
MeOH	40.73	0.41	22.51^［37］	29.6	15.1	12.3	22.3
EtOH	58.66	0.46	22.22^［25］	26.5	15.8	8.8	19.4
iPrOH	76.98	0.50	21.22^［37］	23.6	15.8	6.1	16.4
nPrOH	75.17	0.50	23.28^［37］	24.6	16.0	6.8	17.4
tBuOH	94.97	0.54	20.11^［38］	21.8	15.2	5.1	14.7

Table 2 Model parameter values of water-alcohol mixtures

Alcohol	n	K^*	K	$Δ G ˜ a d 0$ /（kJ·mol^-1）	χ₁₂
MeOH	0.96	6.58	3.04	‒2.87	1.23
EtOH	0.90	16.80	5.75	‒4.82	1.71
iPrOH	0.95	48.76	12.05	‒6.49	2.28
nPrOH	1.06	134.24	30.44	‒7.99	2.09
tBuOH	0.89	86.43	18.48	‒8.12	2.61

Table 2 Model parameter values of water-alcohol mixtures

Alcohol	n	K^*	K	$Δ G ˜ a d 0$ /（kJ·mol^-1）	χ₁₂
MeOH	0.96	6.58	3.04	‒2.87	1.23
EtOH	0.90	16.80	5.75	‒4.82	1.71
iPrOH	0.95	48.76	12.05	‒6.49	2.28
nPrOH	1.06	134.24	30.44	‒7.99	2.09
tBuOH	0.89	86.43	18.48	‒8.12	2.61

Table 3 Adsorption parameter values of water-alcohol mixtures

Alcohol	Γ_2，max/（μmol·m^-2）	x_2b，m_Γ	x_2s，m_Γ	Γ_2（_x_→1）/（μmol·m^-2）	τ_x_→0/nm	τ_x_→1/nm
MeOH	5.60	0.15	0.36	3.04	1.19	0.19
EtOH	4.77	0.05	0.26	1.19	1.31	0.09
iPrOH	4.95	0.02	0.20	0.42	1.64	0.04
nPrOH	5.24	0.01	0.20	0.15	1.61	0.01
tBuOH	4.69	0.006	0.17	0.24	1.88	0.02

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