Поверхностные явления.

План лекции:

1 Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение в дисперсных системах

2. Смачивание

3. Флотация

4. Адсорбция на границе жидкость – газ

5 Адсорбция на твердых поверхностях и ее применение в пищевой промышленности

Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение в дисперсных системах

Средние во времени значения равнодействующих сил взаимодействия молекулы в глубине жидкой (твердой) фазы с окружающими молекулами равны нулю вследствие симметрии силового поля. На границе раздела с газом силы взаимодействия поверхностных молекул с жидкой фазой больше, чем с газообразной, поэтому равнодействующая сил направлена нормально к поверхности в сторону жидкой фазы. Молекулярное (внутреннее) давление. Процесс увеличения площади поверхности (при постоянном объеме) выводит молекулы из объемной фазы в поверхностный слой, совершая при этом работу против межмолекулярных сил. Эта работа в изотермических условиях равна увеличению свободной поверхностной энергии. Точно также к увеличению свободной поверхностной энергии приводит работа разрыва связей при дроблении твердых тел, сопровождающаяся увеличением поверхности разрыва. Гиббс назвал поверхностный слой поверхностью разрыва. Поверхность разрыва - неоднородный тонкий слой, разделяющий объемные фазы и обладающий конечной толщиной

и объемом. Если не учитывать толщину этого тонкого слоя, тогда механическая работа заключается в изменении его площади. Свободная поверхностная энергия единицы поверхности равна силе, отнесенной на единицу длины.

Смачивание

Смачивание явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твёрдого тела или другие жидкости. Оно выражается, в частности, в растекании жидкости по твёрдой поверхности, находящейся в контакте с газом (паром) или другой жидкостью, пропитывании пористых тел и порошков, искривлении поверхности жидкости у поверхности твёрдого тела. Так, С. вызывает образование сферического мениска в капиллярной трубке, определяет форму капли на твёрдой поверхности или форму газового пузырька, прилипшего к поверхности погруженного в жидкость тела. С. часто рассматривают как результат межмолекулярного (вандерваальсова) взаимодействия в зоне контакта трёх фаз (тел, сред). Однако во многих случаях, например при соприкосновении жидких металлов с твёрдыми металлами, окислами, алмазом, графитом, С. обусловлено не столько межмолекулярным взаимодействием, сколько образованием химических соединений, твёрдых и жидких растворов, диффузионными процессами в поверхностном слое смачиваемого тела. Тепловой эффект, сопровождающий соприкосновение жидкости со смачиваемой поверхностью, называется теплотой смачивания.

Мерой смаиваемости обычно служит краевой угол θ между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре смаиваемости (рис. 1). Угол θ отсчитывают со стороны жидкости. При статическом (равновесном) С. он связан с поверхностным натяжением жидкости (σ_ж), поверхностным натяжением твёрдого тела (σ_т) и межфазным натяжением на границе твёрдое тело — жидкость (σ_тж) уравнением Юнга: cosθ = (σ_т — σ_тж)/(_ж. Величиной угла θ оценивают лиофильность илиофобность поверхностей по отношению к различным жидкостям. На лиофильной поверхности жидкость растекается, т. е. имеет место частичное (0° <θ< 90°) или полное С. (θ→ 0°); на лиофобной — растекания не происходит (θ>90°) (см. рис. 2). Краевой угол зависит от соотношения сил сцепления молекул жидкости с молекулами или атомами смачиваемого тела (Адгезия)и сил сцепления молекул жидкости между собой (Когезия). Обратимую работу адгезии и когезии вычисляют соответственно по уравнениям: W_a =σж (1 + cosθ) и W_k=2σ_ж. При W_a<wK всегда θ>0°, причём с увеличением отношения Wa<wk улучшается С. Разность S = Wa/Wk называется коэффициентом растекания. Часто наблюдаемая задержка в установлении равновесных краевых углов называется гистерезисом С. Различают кинетический (динамический) и статический гистерезис С. Причиной гистерезиса может быть шероховатость поверхности, особенности структуры поверхностного слоя, релаксационные процессы в жидкой фазе и др. Если твёрдое тело соприкасается одновременно с двумя несмешивающимися жидкостями, происходит избирательное С. Эффективные регуляторы С. — Поверхностно-активные вещества, которые могут как улучшать, так и ухудшать С.</w</w

С. имеет важное значение в природе, промышленной технологии, быту. Хорошее С. необходимо при крашении и стирке, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий, пропитке волокнистых материалов, склеивании, пайке, амальгамировании и т. д. Снизить С. до минимума стремятся при получении гидрофобных покрытий, гидроизоляционных материалов и др. В некоторых случаях, например при флотации и эмульгировании твёрдыми эмульгаторами, требуется сохранение краевых углов в определённом интервале значений. С. играет первостепенную роль в металлургических процессах, при диспергировании твёрдых тел в жидкой среде. Оно влияет на распространение грунтовых вод, увлажнение почв, разнообразные биологические и другие природные процессы. В развитие теории и разработку прикладных вопросов С. большой вклад внесли П. А. Ребиндер, А. Н. Фрумкин, Б. В. Дерягин и др.

Рис. 1. Капля на твердой поверхности.

Рис. 2. Положение капли (пузырька) на твердой поверхности при различных условиях смачивания; г — газ; ж — жидкость; т — твёрдое тело.

Флотация

Флотация (франц. flottation, англ, flotation, букв.- плавание на поверхности воды), разделение мелких твердых частиц (главным образом минералов) и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость - газ (очень редко твердые частицы - жидкость). Осуществляют флотацию главным образом с использованием специальных веществ - флотационных реагентов (флотореагентов).

Области применения

Флотация - один из главных методов обогащения полезных ископаемых. С ее помощью обогащаются: все медные, молибденовые и свинцово-цинковые руды, значительная часть бериллиевых, висмутовых, железных, золотых, литиевых, марганцевых, мышьяковых, оловянных, ртутных, серебряных, сурьмяных, титановых и других руд; неметаллические ископаемые - апатит и фосфориты. барит. графит. известняк (для производства цемента), магнезит, песок (для производства стекла), плавиковый и полевой шпаты и т. д.

Посредством флотации можно разделять также водорастворимые соли, взвешенные в их насыщенных растворах [например, отделять сильвин (KCl) от галита (NaCl)]. Благодаря флотации в промышленное производство вовлекаются местрождения тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых. Флотацию применяют также для очистки воды от органических веществ (нефти, масел и др.), тонкодисперсных осадков солей и шламов, для выделения и разделения бактерий и т. д.

Помимо горноперерабатывающих отраслей промышленности флотацию используют в химической, пищевой и других отраслях для ускорения отстаивания, выделения твердых взвесей и эмульгирования органических веществ; для разделения синтетических органических ионитов и выделения из пульп ионитов, нагруженных различными адсорбатами; при переработке бумажных отходов для отделения чистых целлюлозных волокон от испачканных; для очистки натурального каучука от примесей; для извлечения нафталина из воды, охлаждающей коксовый газ; очистки промышленных стоков и др.

Разновидности процесса Широкое применение флотации привело к появлению большого числа разновидностей процесса.

Пенная флотация- наиболее распространенный способ флотации, которым в мире ежегодно обогащают 1 млрд. т горной массы - более 20 типов руд. Первый патент на этот способ был выдан братьям Адольфу и Артуру Бесселям (Германия, 1877). Согласно патенту, частицы графит., закрепившиеся на газовых пузырьках, образующихся при кипячении суспензии (пульпы), всплывали на поверхность жидкости и выводились из зоны разделения. В дальнейшем для увеличения числа и суммарной поверхности пузырьков такой способ их образования заменили принудительной подачей газа (обычно воздуха) в аппарат для разделения - флотационную машину.

Физико-химические основы. Применительно к пенному режиму флотация осуществляется в трехфазной среде "твердые частицы-жидкость - газ", называемой пульпой. Твердая фаза представлена частицами минералов, получаемых при дроблении и помоле руды с целью выделения полезных компонентов из сростков с минералами пустой породы; тяжелые минералы измельчают до крупности 0,1-0,2 мм, легкие (уголь, сера. фосфаты и др.) - до 0,2-3 мм. Жидкая фаза содержит воду, продукты выщелачивания минералов, флотореагенты, растворенные газы, продукты износа оборудования, коллоидные частицы и т. д. Газовая фаза состоит из пузырьков (размеры от десятков мкм до 1-2 мм), образующихся при прохождении воздуха через диспергирующее устройство (аэратор). Положительную роль во флотации могут играть газовые пузырьки, выделяющиеся из раствора.

Сущность элементарного акта флотации заключается в следующем. При сближении в водной среде пузырька газа и гидрофобной поверхности минеральной частицы адгезия которой к воде меньше когезии воды, разделяющая их водная прослойка при достижении некоторой критической толщины становится неустойчивой и самопроизвольно прорывается. Этот этап завершается полным смачиванием частицы, обеспечивающим прочное слипание пузырька и частицы. Вследствие того, что плотность комплексов, или агрегатов "пузырьки - частицы", меньше плотности пульпы, они всплывают (флотируют) на ее поверхность и образуют пенный минерализованный слой, который удаляется из флотационной машины.