oht-course (Флотационный метод получения хлористого калия из сильвинита), страница 3

Газы, и в частности воздух, имеют низкую диэлектрическую постоянную на границе, поэтому на границе раздела воздуха с разными жидкостями удельная поверхностная энергия будет более высокой для жидкости с большими диэлектрическими постоянными (табл. 6)

таблица 6

Зависимость удельной поверхностной энергии от диэлектрических постоянных соприкасающихся фаз.

Эта закономерность справедлива также для поверхностей раздела жидкость - твердое и газ -твердое. Например, удельная поверхностная энергия на границе раздела полярный минерал -вода будет малой величиной, так как обе фазы полярны и поэтому разницы в полярности фаз невелика.

Взаимная растворимость жидкостей также связана с различием в их полярности: если разница в полярности большая, то взаимная растворимость мала, и наоборот. Поэтому между взаимной расторимостью жидкостей и удельной поверхностной энергией должна существовать качественная зависимость: чем больше взаимная растворимость жидкостей, тем меньше удельная поверхностная энергия на границе раздела этих жидкостей и наборот (табл. 7)

таблица 7

Зависимость поверхностной энергии на границе двух жидкостей от их взаимной растворимости

Всякая поверхность двух фаз стремится к самопроизвольному сокращению и внешне это проявляется так, как будто на поверхности раздела фаз существует упругая растянутая пленка, стремящаяся сократиться. Отсюда возникли понятия "поверхностное натяжение" и "сила поверхностного натяжения".

Численно удельная поверхностная энергия, выраженная в эрг/см², всегда равна удельному поверхностному натяжению, выраженному в динах на один сантиметр. Водные растворы солей увеличивают поверхностное натяжение (табл. 8)

таблица 8

Поверхностное натяжение водных растворов KCl и NaCl при 18С, 10^-3 Н/м.

Поверхностное натяжение водных растворов KCl – NaCl в присутствии флотореагентов уменьшается. Причем, чем выше концентрация флотореагентов, тем ниже поверхностное натяжение раствора.

Поверхностное натяжение на границе жидкость – газ зависит также от состава газа. Так, поверхностное натяжение расплавленного хлорида калия при 800 градусах Цельсия на границе с различными газами изменяется следующим образом:

5.1.Обзор гипотез элементарного акта флотации

Для объяснения причин избирательного закрепления разных минералов на межфазовой поверхности было высказано несколько гипотез:

5.1.1.Гипотеза избирательной адсорбции кислорода воздуха

В начальный период развития пенного флотационного процесса флотировали только сульфидные минералы. Закрепление сульфидов на пузырьках воздуха объясняли сродством серы к кислороду. Предполагалось, что растворенный в воде кислород воздуха адсорбируется на поверхности сульфидов, образуя газовую пленку и частица оказывается закрепленной на пузырьке. Позднее эта гипотеза была опровергнута, так как оказалось, что сульфиды могут флотироваться инертными газами, а минералы, не содержащие серы, также могут закрепляться на пузырьках воздуха. Тем не менее кислород воздуха имеет очень важное значение для флотации сульфидов, но основная его роль заключается в окислении поверхностного слоя сульфидов.

5.1.2.Гипотеза электростатическая

В этом случае закрепление объясняли тем, что пузырек и флотирующая частица имеют электрические заряды разного знака. При экспериментальной проверке оказалось, что частицы графита и пустой породы имели заряды одного знака, однако флотировался только графит. Позднее несостоятельность этой гипотезы была доказана и теоретически. Заряд поверхности частиц играет важную роль при флотации, но не ту, которую приписывали ему сторонники этой гипотезы.

5.1.3.Гипотеза смачивания, или гипотеза краевого угла.

Способность минералов закрепляться на поверхности раздела газ – жидкость зависит от смачиваемости их жидкостью. Чем сильнее минералы смачиваются водой, тем хуже они флотируются, и наоборот. Так как смачиваемость характеризуется величиной краевого угла, то эту гипотезу называют также гипотезой краевого угла. Гипотеза смачивания включает в себя две трактовки элементарного акта флотации. Первая исходит из представления о силах поверхностного натяжения и рассматривает силы, действующие на частицу. Такую трактовку называют еще "силовой". Вторая трактовка основывается только на представлении о существовании поверхностных энергий на границах фаз. Возможность закрепления частицы при этом оценивается на основе второго закона термодинамики, т.е. как показано выше, по величине свободной энергии системы до и после закрепления частицы. Вторая трактовка является наиболее правильной (строгой) и называется термодинамической. Выводы и формулы обеих трактовок идентичны.

5.1.4.Адсорбционная гипотеза К.Ф. Белоглазова

Гетерополярные молекулы коллектора закрепляются на поверхности флотируемых частиц, причем углеводородные концы молекул обращены в водную фазу. Такое ориентированное закрепление происходит вследствие возникновения сильных связей между полярной частью молекулы коллектора и полярным минералом.

Закрепление покрытых коллектором частиц на поверхности пузырька объясняется уменьшением поверхностной энергии, так как в этом случае поверхность раздела воздух – вода, обладающая большой удельной поверхностной энергией, как бы заменяется поверхностью раздела воздух – углеводород с низкой поверхностной энергией. Закрепление частицы на междуфазовой поверхности по гипотезе Белоглазова в энергетическом отношении эквивалентно адсорбции того числа молекул гетерополярного вещества, которое находится на грани минерала, контактирующей с газообразной фазой. Поэтому элементарный акт флотации рассматривается как адсорбция гетерополярных молекул и на него распространяются закономерности, установленные для процесса адсорбции. Вследствие этого, гипотеза Белоглазова может быть названа адсорбционной. Основные исходные ее предпосылки, как признавал и сам автор, не вполне точны. Адсорбционную гипотезу можно рассматривать как частный случай гипотезы смачивания.

6.Флотационная сила

Флотационной силой называется проекция сил поверхностного натяжения , приложенных к частице по периметру смачивания, на направление, по которому действует сила, отрывающая частицу от поверхности раздела газ – жидкость.

Если отрывающей силой является сила тяжести, то флотационной силой будет вертикальная составляющая сил , приложенных по периметру смачивания.

Так как флотационная сила пропорциональна периметру смачивания или диаметру частицы, а сила тяжести – объему частицы или диаметру в третьей степени, то при уменьшении размера частицы флотационная сила будет уменьшаться медленнее, чем сила тяжести. Например, при уменьшении диаметра частиц в 10 раз флотационная сила уменьшится в 10 раз, а сила тяжести – в 1000 раз. Поэтому, если удельная флотационная сила, т.е. сила, действующая на единицу длины периметра, не равна нулю, то всегда можно выбрать частицу столь малых размеров, для которой флотационная сила будет больше силы тяжести. Это важное положение нужно помнить при рассмотрении сил, действующих на частицу.

Возможны три положения частицы малых размеров на поверхности раздела воздух – вода в соответствии с тремя краевыми углами смачивания: тупым, острым и равным нулю.

7.Максимальный размер частицы, флотирующейся на поверхности пузырьков при пенной флотации.

Для осуществления пенной флотации необходимо турбулентное движение пульпы, так как при ламинарном ее движении частицы минералов осаждаются на дно машины.

При вихревом движении пульпа вместе с увлекаемыми частицами и пузырьками перемещается по криволинейным траекториям. Это вызывает появление центробежных сил, под влиянием которых пузырьки воздуха, имеющие меньшую плотность, чем жидкость, начинают двигаться в пульпе от центра вихря к периферии и одновремено тонут под действием силы тяжести. Таким образом, скорости пузырька и частицы до ее закрепления на пузырьке складываются из скорости их переносного движения в пульпе. Так как центробежные силы, возникающие при вихревом движении пульпы, намного больше сил тяжести, то вертикальные составляющие относительных скоростей движения пузырьков и частиц малы по сравнению с радиальными составляющими этих скоростей. Поэтому скоростями всплывания пузырьков и падения частиц можно пренебречь по сравнению со скоростью радиального движения пузырьков к центру вихря.

Вследствие относительного движения пузырька пульпа обтекает его поверхность (рис. 1). Частица после столкновения с пузырьком начинает скользить по его поверхности к кормовой части пузырька, проходя положения 2-6. Вектор абсолютной скорости скользящей частицы будет равен геометрической сумме трех векторов: скорости переносного движения (т.е. скорости движения пульпы), скорости относительного (радиального) движения пузырька в пульпе, скорости относительного движения частицы по пузырьку. Вектор абсолютного ускорения чатицы также равен геометрической сумме трех векторов: ускорения переносного движения пульпы, ускорения относительного движения (скольжения) частицы по поверхности пузырька и кориолисова ускорения (преполагается, что скорость радиального перемещения пузырька V_R постоянна, поэтому ускорение относительного движения пузырька в пульпе равно нулю). Подсчеты показывают, что при работе механической флотационной машины ускорение относительного движения частицы по пузырьку во много раз больше переносного движения и кориолисова ускорения. Поэтому в первом приближении можно считать, что абсолютное ускорение частицы равно ускорению скольжения частицы по пузырьку и направлено от центра тяжести к центру пузырька.

рис.1. Закрепление частицы на пузырьке (R – радиус вращения пульпы и пузырька)

Грань частицы, контактирующую с пузырьком, принято называть верхней гранью, а противоположную – нижней гранью.

На частицу будут действовать следующие силы:

1. Центробежная

2. Сила давления воздуха на верхнюю грань частицы

Удельное давление воздуха сложится из гидростатического давления пульпы на уровне точик А, дополнительного движения пульпы на пузырьке в точке А, возникающее вследствие движения пузырька в пульпе (давление лобового сопротивления), дополнительного капиллярного давления, обусловленного поверхностным натяжением и кривизной пузырька.

Отрыву частиц препятствуют следующие силы::

1. Флотационная

,

где периметр площади контакта газ – твердое;