Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В частности, специфическая хемосорбция ПАВ на поверхности -! минералов лежит в основе применения флотореагентов при флота- Рвс. пьв. изотермвз гвлрофвввзацвв ции (см. с. 136). Существенной осо- (кривыс !, з ' и 2! и гвлрофоовзацив бенностью хемосорбции молекул (крввые 3 в 4! тверлых поверхностей ПАВ является необратимость про- растворами ПАВ цесса. Другой важной особенностью процесса взаимодействия хемосорбируюшегося ПАВ с гидрофильной поверхностью, которую надо учитывать при использовании подобных ПАВ, является возможность «перемасливания» поверхности при высоких концентрациях ПАВ (см. П1.1).
В этом случае на изотерме смачивания возникают две точки инверсии смачивания (рис. Ц! 6, П-б, кривая 3) — с увеличением концентрации поверхность сначала гидрофобизируется„а затем гидрофилизируется из-за образования второго слоя молекул ПАВ. П АВ ри управлении избирательным смачивание нем П могут вводиться как в водную (водорастворимые), так и в масляную (маслорастворимые) фазу. В зависимости от природы ПАВ здесь п в могут осуществляться как пшрофилизация, так и гндрофобиза ия оверхности.
При этом (рис. П!-6, кривая 4) маслорастворимые ПАВ ц способны только к олеофилизации поверхности за счет их физической адсорбции или хемосорбции на полярной поверхности (напомним, что при избирательном смачивании угол 6 отсчитывают в более полярной фазе — воде). При избирательном смачивании гидрофобной поверхности маслорастворимые ПАВ способны к адсорбции только на поверхности вода — масло, в этом случае они увеличивают краевой угол. При гидрофобизации поверхности величина (о — о. — зз,,)/О ркз МОжЕт СтатЬ МЕНЬШЕ -1; ЭТОМУ ОтВЕЧаЕт РаетЕКание масляной фазы по границе твердого тела с водой и полное оттеснение последней. Аналогично при полной гидрофилизации поверхности водная фаза оттесняет масляную. (зз Для всех случаев, когда ПАВ вводится непосредственно в жидкую фаз, контактирующую с твердой поверхностью, характерен резко выраженный гистерезис смачивания, так как уменьшение (или увеличение при хемосорбции) краевого угла происходит постепенно, по мере того как на новых поверхностях, покрываемых жидкой фазой, успевает происходить адсорбция ПАВ.
Особенно существенна роль кинетики адсорбции и диффузии ПАВ при управлении капиллярной пропиткой; в этом случае, поданным Чураева, впитывающийся в капилляры раствор быстро обедняется ПАВ из-за адсорбции на стенках капилляров, так что скорость процесса пропитки может лимитироваться диффузионным подводом ПАВ из объема раствора к менискам в порах. Модификация поверхности твердой фазы при предварительном нанесении адсорбционного слоя может производиться различными способами в зависимости от природы ПАВ и характера его взаимодействия с твердой поверхностью. Так, можно растворить ПАВ а жидкости, противоположной по полярности данному твердому телу; тогда, в соответствии с правилом уравнивания полярностей, произойдет адсорбция ПАВ на межфазной поверхности.
Таким образом может быть проведена гидрофилизация неполярных поверхностей обработкой их водными растворами ПАВ или, наоборот, гидрофобизацня полярных поверхностей при адсорбции ПАВ из раствора в углеводороде. Однако более удобным способом гидрофобизации полярных поверхностей является применение ПАВ, способных к хемосорбции на таких поверхностях и из водного раствора. Это позволяет избежать использования огнеопасных и токсичных углеводородных растворителей.
Применение хемосорбируюшихся ПАВ позволяет достичь высокой прочности закрепления адсорбционного слоя на поверхности твердого тела. При этом важно, однако, не «перемаслить» поверхность. Высокая прочность закрепления адсорбционного слоя достигается также при использовании необратимо адсорбирующихся высокомолекулярных ПАВ. Все перечисленные способы применения ПАВ для управления смачиванием и избирательным смачиванием и для модификации поверхности широко используют в технике.
Прежде всего следует отметить использование ПАВ в качестве так называемых «текстильных вспомогательных веществ» (ТВВ) на большинстве стадий переработки всех натуральных и синтетических волокон. Сюда входят отмывка сырой шерсти„«замасливание» (гидрофобизацня волокон с целью предохранения их поверхности от повреждений и уменьшения сцепления волокон); «мягчение» (адсорбционное модифицирование ткани), применение ПАВ в процессах на крашения тканей и печатания на них рисунка, а также такие специальные виды обработки тканей, как нанесение антистатических (препятствующих электризации) и гндрофобизирующих («водоотталкивающих») покрытий. Модифицирование поверхности твердых тел широко применяют для регулирования поверхностных свойств наполнителей резин, синтетических полимеров и других материалов (см.
гл. 1Х). Нанесение гидрофобизирующих адсорбционных слоев, модифицирующих поверхность, используют для предотвращения слеживания гигроскопичных порошков (удобрений), защиты металлов от коррозии и в других процессах. Введение ПАВ в воду, водные растворы и эмульсии для улучшения смачивания различных поверхностей широко применяют при обработке растений ядохимикатами. Это связано с тем, что поверхность листьев растений гидрофобна и для лучшего прилипания капель ядохимикатов необходима гцдрофилизация листьев.
ПАВ вводятся и в состав клеев на водной основе, в частности эмульсионных. Добавки ПАВ улучшают смачивание поверхностей водой при тушении пожаров, особенно торфяных, поскольку поверхность высохшего торфа гидрофобна и вода без ПАВ не впитывается в него. Водные растворы смачивателей используют и с целью уменьшения пылеобразования в угольных шахтах. Гидрофилизация поверхностей необходима также при нанесении светочувствительного слоя на кинофотоматериалы. Управление избирательным смачиванием с помощью водо- и маслорастворимых ПАВ лежит в основе многих технологических процессов; среди них одним из самых важных является д о б ы ч а н е ф т и.
Нефть — сложная по составу смесь веществ, среди которых имеются природные высокомолекулярные ПА — залегает в гидрофильных породах совместно с сильно засоленной водой. Адсорбция поверхностно-активных компонентов нефти на породах приводит к их олеофилизации и избирательному смачиванию нефтью, причем участки гидрофобизованных пород перемежаются с контактирующими с водой гидрофильными участками.
После бурения скважины, как правило, бывает необходимо облегчить доступ к ней нефти — «вскрыть коллектор», по выражению нефтяников. Этому может помочь закачка в скважину раствора хемосорбирующегося ПАВ, гидрофобизующего гидрофильные участки пород и тем самым облегчающего поступление нефти по трещинам и капиллярам к скважине. При последующей эксплуатации скважины самым важным является обеспечение как можно более полного извлечения нефти из пласта; к сожалению, даже в самых лучших усло- 135 виях удается извлекать не более 50 — 70 % нефти, а часто всего 30— 40% и менее. Для повышения степени извлечения нефти из пород применяют так называемое законтурное заводнение; в ряд вспомогательных скважин, окружаюших центральную промысловую, закачивают воду, растворы ПАВ или сложные композиции, называемые «мицеллярны растворами» (см.
гл. Ч1), которые улучшают избирательное смачнвание водой и тем самым содействуют оттеснению нефти к промысловой скважине. На управлении избирательным смачиванием основаны процессы отмывания — удаления неполярных загрязнений с полярных поверхностей (см. гл. Ч11). Среди других примеров регулирования избирательного смачивания можно назвать офсетную печать, в которой используется различие в смачиваемости краской печатающих элементов и пробелов. Печатающие элементы на форме, несущей изображение, гидрофобизуются, тогда как пробелы между ними остаются гндрофильными. Краска на углеводородной основе, не затрагивая пробелов, избирательно смачивает печатающие элементы и затем перенОсится с них на бумагу.
На использовании хемосорбции водорастворимых ПАВ для гидрофобизации поверхности гидрофильных порошков основано изготовление пигментов для масляных красок. Высокодисперсные пигменты получают в водной фазе, затем в раствор вводят водорастворимое хемосорбируюшееся ПАВ, гидрофобизуюшее поверхность пигмента. Это позволяет перевести пигмент в масляную фазу. Одним из самых крупномасштабных технологических процессов, основанных на использовании смачивания, является флотационное обогащение и разделение минералов. Различают пенную, масляную и пленочную флотацию. В основе всех видов флотации лежит различие в смачивании жидкой фазой частиц пустой породы и ценного извлекаемого минерала.
В пенной и пленочной флотации обычно ценная порода, плохо смачиваемая водой, концентрируется на границе вода — воздух, а хорошо смачиваемая пустая порода переходит в воду. При пенной флотации измельченная порода интенсивно перемешивается в воде, через которую барботируется воздух. Частицы ценного минерала (относительно маленькие по размеру) захватываются пузырьками воздуха, которые выносятся в виде пены на поверхность воды, откуда эта пена затем механически удаляется и поступает на дальнейшую переработку.
В пленочной флотации частицы измельченной породы высыпаются на поверхность текущей воды: при этом частицы ценной породы остаются на поверхности воды, а частицы пустой породы тонут. Реже 1Зб Рис. П1-7. Расположение пщрофобной сферической частицы на поверхности воды без учета (0 и с учетом (П) действия силы тяжести используют масляную флотацию, в которой для выноса частиц пенной породы используют капельки масла, т.
е. образование пены заменено образованием эмульсии. Расс ассмотрим более подробно основы флотации на примере пенной флотации . Пусть на границу воды с воздухом (плоскзто или принадлежашую достаточно крупному пузырьку) помещена сферическая частица радиусом г (рис.
Ш-7). В отсутствие силы тяжести равновесию отвечает такое положение, когда угол между плоской поверхностью воды и поверхностью частицы равен краевому углу смачивания В. Расстояние от поверхности воды до гориюнтальной диаметральной плоскости равно при этом Н = г сов В. При смачивании поверхности частицы водой (В с 90') Н > 0 и частица более чем наполовину погружена в воду; при нес мачивании (В > 90 ) Н < 0 и частица погружается в воду лишь незначительно. Радиус окружности смачивания, образуемый краем мениска, равен г„гйпв. Под действием силы тяжести частица погружается в воду и поверхность воды «прогибается»„образуя с гориюнталью угол Х, — это ведет к изменению значений Ни г . Считая (в отсутствие гистерезнса), что угол смачивания сохраняется постоянным, для новых значений Н' и г' (положение г0 можно написать: Н" = гсов( — х); г'.
гз(п( — 7). Так как в оба выражения явно входит Х, в дальнейшем рассмотрении именно угол Х удобно использовать в качестве варьируемого параметра (вместо Н'). Возникающая флотируюшая сила Р равна: Р= 2яг„'и зш2 = 2ягяп( — Х) ашкп . Максимально«значениефлотируюшей силы Г будет иметь место при условии лр — =2япз [ап(В-7)со»Х — а)пксоз(В-Х)1=2ялт яп(0-2Х)=0, т.
е. при Х = В/2. Ото ю да для максимального веса частицы Г (с учетом архимедовой подьемной силы) находим: 1 См., например: Шелудко А., Тошев Б., Платикановд. В кнз Современная теория капиллярности. Лс Химия, 1980. 137 Д = 2япт„мп'(В/2). Из этого выражения следует, что флотапия возможна при любом конечном угле О > О, но флотирующая сила тем меньше, чем меньше значение краевого угла. Помимо условий смачивания, в сложном физико-химическом пропессе флотапни значительную роль могут играть процессы сблюкення частил и пузырьков с разрывом прослойки среды между ними, а также пютерезисные явления при смачивании. Для практического осуществления флотации необходимо, чтобы флотирующая сила была больше силы тяжести частиц. Это достигается оптимальным выбором размеров частиц при дроблении породы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
