Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Пусть на границу воды с воздухом (плоскую или принадлежащую достаточно крупному пузырьку) помещена сферическая частица радиусом г (рис. И1-7). В отсугствие силы тюкести равновесию отвечает такое положение, когда угол между плоской поверхностью волы и поверхностью частицы равен краевому углу смачивания 9. Расстояние от поверхности воды до горизонтальной диаметральной плоскости равно при этом Н = г сох 9. При смачивании поверхности частицы водой (9 < 90') Н > 0 и частица более чем наполовину погружена в воду; при несмачивании (9 > %') Н < 0 и частица погружается в воду лишь незначительно. Радиус окружности смачивания, образуемый краем мениска, равен г = гз!л В.
Под действием силы тяжести частица погружается в волу и поверхность воды «прогибается», образуя с горизонталью угол ю — это ведет к изменению значений Ни г,. Считая (в отсутствие гистерезиса), что угол смачивания сохраняется постоянным, для новых значений Н' и г' (положение П) можно написать: Н'= гсвг (9 — т); г« = гз!п( — у). Так как в оба выражения явно входит т, в дальнейшем рассмотрении именно угол т удобно использовать в качестве варьируемого параметра (вместо Н'). Возникающая флотирующая сила Р равна: Р=2яг~о зшх 2ягзш( — 8)зшхп . Максимальное значение флогнрующей силы Н будет иметь место при условии «(à — =2ялт [зш(9-х)созт — зштсоз(9-Х)]=2ялг з!п(9-2т)=0, т. е.
при )(= 9/2. Отсюда лля максимального веса частицы Г (с учетом архимедовой подъемной силы) находим; ' См., например: Шелудко А., Тошев Б., Платиканов Д. В кнл Современная теория капиллярности. Лс Химия, 1980. 137 Л = 2япг яп'(О/2). Из этого выражения следует, что флотация возможна при любом конечном угле 0 > О, но флотируюшая сила тем меньше, чем меньше значение краевого угла. Помимо условий смачивания, в сложном физико-химическом процессе флотгагии значительную роль могут играть процессы сближения частиц и пузырьков с разрывом прослойки среды между ними, а также гистерезисные явления при смачивании. Для практического осуществления флотации необходимо, чтобы флотирующая сила была больше силы тяжести частиц. Этодостигается оптимальным выбором размеров частиц при дроблении породы.
Разделяемые частицы ценной и пустой породы, отличающиеся значением краевого угла смачивания, обычно имеют близкие друг к другу размеры. Если частицы пустой породы значительно меньше частиц ценной породы, то они будут флотироваться, несмотря на малые значения О, и мешать обогащению. Высокая эффективность флотационного метода обогащения полезных ископаемых, возможность разделения с помощью флотации даже близких по химическим свойствам минералов в полиминеральных рудах обеспечиваются применением разнообразных ПАВ, которые избирательно гидрофобизуют поверхность флотируемого минерала и гидрофилизуют минералы, не подвергаемые флотации (либо наоборот). Вследствие относительно малой удельной поверхности пород, подвергающихся флотацион ному обогащению, расход ПАВ-флотореагентов невелик и может составлять сотню граммов на тонну породы.
Это позволяет использовать даже сравнительно сложные и дорогие ПАВ для тонкого регулирования поверхностных свойств разделяемых минералов. Флотореагенты, применяемые при флотации, по своему механизму действия делятся на следующие группы. 1. Коллекторы или собиратели — ПАВ,какправило, хемосорбирующиеся на поверхности флотируемого материала и гидрофобизующие (намасливающие) ее. Ярко выраженная химическая специфичность хемосорбции обеспечивает возможность проведения селективной флотации — последовательного выделения различных минералов из полиминеральных руд. В качестве собирателей применяют преимущественно анионные ПАВ для минералов основного характера и катионные — для силикатов. При обогащении и разделении полиметаллических сульфидных руд эффективными собирателями служат анионные ПАВ, содержащие тиоловую — БН, тионовую = Б группы и их комбинацию.
Сюда относят ксантогенаты КОС Ме и тиофосфаты, так называемые аэрофлоты с Ф81 ч 138 ми металлами труднорастворимые соединения. Примерами тонкого использования собирателей является флотационное разделение таких близких по свойствам минералов, как гадит ХаС1 и сильвии КС1 в их смеси, называемой сильвинитом. Флотацию проводят в насыщенном водном растворе солей, собирателями служат высшие амины или другие ПАВ.
2. А к т и в а т о р ы действия собирателей — вещества, часто не являющиеся поверхностно-активными, преимущественно электролиты, модифицирующие поверхность частиц и облегчающие адсорбцию (хемосорбцию) ПАВ-собирателей, например сульфид натрия при флотации окисленных минералов цветных металлов. Активаторами могут служить и вещества, обеспечивающие заданное значение рН раствора и тем самым определенное состояние ионизации поверхности минеральных частиц.
3. Д е п р е с с о р ы — ПАВ или неорганические электролиты, усиливающие смачивание водой тех минералов, которые не должны флотироваться. В качестве депрессоров широко используют крахмал, декстрин, карбоксиметилцеллюлозу и другие вещества-смачиватели. Для предотвращения флотации пустой силикатной породы применяется жидкое стекло. 4.
Слабыеп е н о об р аз о в ател и (иногдаихрольвыполняют сами коллекторы), обеспечивающие образование умеренно устойчивой пены, способной удержать в себе минеральные частицы. Слой пены должен содержать как можно меньше воды, с тем чтобы облегчить дальнейшую переработку. Флотации в настоящее время подвергается большинство руд, и, по мере истощения наиболее богатых месторождений, роль флотационного обогащения все возрастает. Флотационному обогащению подвергаются даже такие сравнительно дешевые полезные ископаемые, как уголь и сера. И!.3. Адсорбция ионов; строение двойного электрического слоя Многие свойства дисперсных систем связаны с особенностями распределения заряда вблизи поверхности раздела фаз при адсорбции электролитов.
Специфика адсорбции электролитов обусловлена относительно более дальнодействующим характером электростатических (кулоновских) взаимодействий ионов по сравнению с ван- 139 дер-ваальсовским взаимодействием молекул. Это (с учетом теплового движения) вызывает большую размытость межфазных слоев, образованных ионами, сравнительно с молекулярными адсорбционными слоями, благодаря чему поверхность разрыва приобретает заметную толщину. С таким диффузным характером ионизированных адсорбционных слоев связаны важнейшие свойства дисперсных систем, в частности возникновение электрокинетических явлений (гл. 1Ч) и устойчивость дисперсных систем (гл.
ЧП, Ч1П). Другой существеннойособенностьюадсорбционныхявленийврастворахэлектролитов (как правило водных) является то обстоятельство, что адсорбция всегда имеет конкурентный характер — помимо растворителя в системе присутствует по крайней мере два типа ионов (а с учетом диссоциации молекул растворителя — три или четыре), и конкуренция между ними определяет характер строения поверхности разрыва в подобных системах — возникновение пространственного разделения зарядов, называемого двойным злентричееним (правильнее — ионным) слоем. Строение двойного электрического слоя подробно рассматривается в курсе электрохимии; в приводимом ниже рассмотрении основной акцент делается на тех аспектах проблемы, которые наиболее существенны для коллондной химии.
В соответствии с простейшей моделью Гельмгольца пространственное разделение зарядов вблизи поверхности может рассматриваться как двойной электрический (ионный) слой, представляющий собой две параллельные обкладки заряженного конденсатора, разделенные прослойкой дисперсионной среды с некоторой средней (эффективной) толщиной Ь. Одна обкладка конденсатора образована потенииалопре+ о деллющими ионами, закрепленными на Ь Ю самой поверхности, другая — щютиео- ионами, находящимися в среде.
При этом + о ионы, одноименно заряженные с поверх+ о постыл — так называемые коионы, оттеснены в объем раствора. Такое разделение зарядов приводит к возникновению раз+ в ности потенциалов Л~р между контакти+ р рующими фазами и (в данной модели) к линейному падению потенциала между обкладками конденсатора (рнс. П1-8). о х Современная теория строения двой- Р с ш-8 схема с и ного электрического слоЯ Развитал в тру двойного влсксричсского слоя дах Г Гуи, Д. Чепмена, О. Штерна, ло гслвигольцг А.Н. Фрумкина, Д.
Грэма и др., основана на анализе электростатических взаимодействий ионов в двойном электрическом слое в сопоставлении с межмолекулярными взаимодействиями и тепловым движением ионов. Как известно из электрохимии, равновесие в системе, в которой контактирующие фазы имеют разные электрические потенциалы ф, определяется условием равенства электрохимических поте н ц пал о в ионов рь связанных с их химическими потенциалами р; соотношением Н~ — Н~+ 4 ефХА. Здесь г, е — заряд иона (с учетом знака); е — заряд электрона; Х— число Авогадро; произведение еХх — число Фарадея.
При малой концентрации ионов кз (число ионов/м ) условию равз новесия отвечает постоянное значение электрохимического потенциала по всей системе, т. е. (П1.2) р, = рв + КТ!и л, + г; ефХ„= сопзк Такая запись учитывает три основных фактора, определяющих поведение ионов в системе: их молекулярное взаимодействие с окружающей средой рв, участие в тепловом движении КТ!п л~ и взаимодействие с электрическим полем г~ ефХл. Соотношение (П1.2) должно выполняться для всех ионов, присутствующих в системе. Иногда какие-либо ионы практически отсутствуют в одной из фаз или в обеих контактирующих фазах.
В последнем случае ионы присутствуют только на поверхности раздела фаз (поверхностная диссоциация, характерная для неорганических веществ сложного строения, например силикатных и алюмосиликатных минералов). Кроме того, возможна поляризация поверхности, когда для одного из ионов из-за кинетических затруднений электрохимическое равновесие не устанавливается, и разность потенциалов между фазами без изменения их состава может быть задана приложением внешней разности потенциалов.
В отсутствие поляризации поверхности изменение разности потенциалов между фазами всегда связано с изменением состава фаз; дифференцирование соотношения (П1.2) приводит в этом случае к уравнению Нернста: -бф= — д1пл,. 'г.Т г,е нн Рис. 111-9. Схема строения двойного электрического слоя 142 Заметим, что фигурирующая здесь разность потенциалов между фазами гр не может быть определена экспериментально, тогда как ее изменения измеряются сравнительно просто.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
