Зависимость смачиваемости поверхности минералов от значений удельных поверхностных энергий на границе соприкасающихся фаз

Способность минералов закрепляться на поверхности раз­дела воздух — вода (или в общем случае газ — жидкость) и флотироваться зависит от степени полярности минеральной поверхности, энергии взаимодействия ее с молекулами воды (жидкости) и смачиваемости водой (жидкостью).

Гидратация поверхности минерала происходит, когда энер­гия взаимодействия ее с молекулами воды, энергия адгезии (слипания) W_а, больше энергии взаимодействия молекул воды друг с дру­гом, т. е. энергии когезии (сцепления, вследствие межмолеклярного взаимодействия) W_к. Чем больше значение отноше­ния W_а / W_к, тем лучше минерал смачивается водой и хуже фло­тируется.

Смачиваемость поверхности твердого при соприкоснове­нии трех фаз (Т, Ж, Г) характеризуется величиной равновес­ного краевого угла, под которым понимают угол, образован­ный поверхностью раздела двух фаз с поверхностью третьей фазы. Его принято измерять через жидкую фазу и обозначать символом θ_Р. Краевые углы смачивания тел различной степе­ни гидрофобности водой при различных положениях сопри­касающихся фаз приведены на рис. 8.1. Образующаяся линия трехфазного контакта называется периметром смачивания, осо­бенностью которого является наличие трех сил, обусловлен­ных свободной поверхностной энергией на границе раздела фаз. Векторы сил направлены перпендикулярно к линии кон­такта трех фаз по касательной к поверхности раздела каждых двух фаз.

Рис. 8.1. Равновесные краевые углы смачивания (θ_Р) тел (Т) различной степени гидрофобности водой (Ж) и воздухом (Г)

Равновесный краевой угол θ_Р является физико-химической константой для соприкасающихся фаз и не зависит от их раз­мера и взаимного расположения, действия сил гравитации и прочих факторов, не оказывающих влияние на значение сво­бодных поверхностных энергий на границах раздела фаз. Ве­личина его определяется условием равновесия сил, действую­щих на границе раздела трех фаз:

Например, для острого краевого угла (рис. 10.1, а) в усло­виях равновесия

откуда

(8.1)

В свою очередь, для тупого краевого угла (рис. 8.1, б) в условиях равновесия

откуда

Для обоих рассмотренных случаев зависимость

характеризующая смачиваемость твердой поверхности жид­костью или газом, описывается одним и тем же выражением, которое в литературе называют законом Юнга, правилом Неймана, или вторым законом капиллярности.

Чем меньше смачиваемость минеральной поверхности во­дой, тем больше степень ее гидрофобности и значение краево­го угла θр. В подавляющем большинстве случаев практика флотации имеет дело с минералами, значения краевых углов на поверхности которых меньше 90° .