Условия смачивания тел на границе раздела трех фаз.

Если мы возьмем жидкость и твердое тело, то они в отдельности в газовой фазе будут обладать определенным поверхностным натяжением (σ_ж-г и σ_т-г ). При нанесении капли жидкости на твердое тело между ними возникает межмолекулярное притяжение и межфазное поверхностное натяжение будет меньше суммы поверхностных натяжений отдельных фаз (пренебрегаем силой тяжести). Это положение реализуется в формуле Дюпре:

σ_т-г – поверхностное натяжение на границе твердое тело–газ.

σ_ж-г – поверхностное натяжение на границе жидкость–газ.

σ_жт – межмолекулярное притяжение на границе твердое тело–жидкость (также можно представить как поправку на межмолекулярное взаимодействие)

Это выражение характеризует работу адгезии (прилипания) – работа, которую необходимо приложить для отрыва капли от твердого тела.

Теперь представим себе каплю на твердом теле.

В этом случае имеются три поверхности раздела трёх фаз, и вдоль них действуют силы:

сила σ_т-г стремится увеличить поверхность, хотя она и мала.

сила σ_ж-г стремится сократить до минимума свою площадь – поверхность контакта.

сила σ_жт также стремится сократить свою поверхность соприкосновения жидкости и твёрдого тела.

θ – краевой угол между касательной к поверхности раздела т–г в точке Х и поверхности раздела т–ж. Он характеризует данную трёхфазную систему (равновесие) и направлен внутрь жидкости.

Из равновесия системы можно записать равновесие сил, стремящихся сжать и растянуть каплю.

σ_тг=σ_тж+σ_жгcosθ (уравнение Юнга)

Подставляем σ_тг из уравнения Юнга в уравнение Дюпре, получаем:

W_а= σ_тж+σ_жгcosθ–σ_тж+σ_жг

W_а= σ_жг(1+cosθ) – уравнение Юнга-Дюпре

Рассмотрим примеры систем с разными θ:

1) θ=0, cosθ=1, Wa=2σ_жг – полное смачивание

2) θ=90, cosθ=0, Wa=σ_жг – смачивание уменьшается

3) θ=180, cosθ=–1, Wa=0 – полное несмачивание

На практике обычно θ≤90⁰

Для случая пенной флотации систему Т–Ж–Г можно представить следующим образом:

θ – всегда в жидкости!

Равновесие в системе достигается так:

σ_тг=σ_тж+σ_жгcosθ или

cos θ=

β – флотационная сила – характеризует краевой угол смачивания Т-Ж.

При пенной флотации частица минерала (Т) взаимодействует с пузырьком газа (Г) и жидкостью (Ж), и образуется минерализованный пузырёк, который поднимает минерал на поверхность жидкости. В данном случае важно, чтобы минерал плохо смачивался жидкостью (θ велико) и W > W (работа адгезии минимальная).

Если будет наоборот, то есть минерал лучше смачивается жидкостью (θ мало), чем газом, W < W , и пузырёк не сможет прилипнуть к минералу – нет флотации.

Таким образом θ – краевой угол смачивания характеризует смачиваемость минералов водой.

Следовательно, при флотации минералов основным фактором является смачиваемость минерала, и флотации подвергаются лишь те частицы, которые плохо смачиваются водой. Плотность минерала имеет второстепенное значение (в отличие от классификации).

Смачиваемость поверхности минералов можно изменять, обрабатывая руду небольшими количествами специальных веществ – флотореагентов.

3. Назначение и классификации флотореагентов.Без применения флотореагентов флотация практически невозможна. Влияние флотореагентов позволяет в широком диапазоне изменять поверхностные свойства минералов. Состав флотореагентов разнообразен. В их число входят органические и неорганические вещества. Флотореагенты классифицируются:

a) собиратели (коллекторы)

b) регуляторы: активирующего и депрессирующего действия

c) пенообразователи

Собиратели

Собиратели действуют на границу раздела жидкость–твёрдое тело, увеличивая θ и уменьшая поверхностное натяжение σ_жт. Собиратели, адсорбируясь на поверхности твёрдого тела, обеспечивают уменьшение смачиваемости поверхности твёрдого тела жидкостью. Собиратели разделяются на:

1) неионогенного типа (неполярные углеводороды, не диссоциирующие в воде, вещества, содержащие одновременно кислотную и основную группу, например карбоксильную и амино- группы).

2) ионогенного типа:

a) анионные

· мыла карбоновых кислот

·

· алкилсульфонаты

,

R–SO3Na

· алкиларилсульфонаты

R–C₆H₄–SO₃Na

· алкилсульфаты

R–SO₄Na

b) катионные

· соли аминов (первичные, вторичные, третичные)

· четырёхосновные аммониевые основания

Наиболее широко распространены ионогенные анионные собиратели: для неметаллических материалов – сульфированные масла, для сульфидных руд – ксантогенаты калия.

этиловый R = C2H5 бутиловый R = C4H9

Ксантогенаты также являются собирателями для благородных металлов и самородной меди. Не действуют на окислы, силикаты, алюмосиликаты, солеобразующие минералы. Расход 50-100 г/т руды.

Сланцевая смола получается при сухой перегонке сланца. Является собирателем для окисленных свинцовых и полиметаллических руд.

Контакт Петрова – смесь сульфонафтеновых кислот.

Регуляторы

1. Активирующего действия.

Они действуют на поверхность раздела Т–Ж и способствуют взаимодействию собирателей и минералов, улучшая флотацию

· соли щелочноземельных металлов

· кислород

2. Диспергирующего действия

Они ухудшают адсорбцию собирателя на поверхности минерала и препятствуют флотации. Применяются для увеличения селективности собирателя.

· цианиды (для медных минералов и пирита)

· соли хрома (для PbS)

· Na₂SiO₃ (для кварца)

· Ca(OH)₂ (для железосодержащих сульфидов)

Пенообразователи

ПАВ, которые концентрируются на поверхности Г–Ж, способствуя сохранению пузырьков в дисперсном состоянии, увеличивают стабильность флотационной пены. Наиболее активны пенообразователи, имеющие в своём составе группы

· карбоксильную –COOH

· карбонильную =C=O

· гидроксильную –OH

· аминогруппу –NH₂ и т.д.

Пенообразующая сила связана с длиной молекулы

CH₃OH<C₂H₅OH<C₃H₇OH<C₄H₉OH, в данном ряду увеличивается пенообразующая сила

В основном применяют вещества с –ОН группой, так как другие группы сочетают свойства собирателей и пенообразователей, что затрудняет селективную флотацию, а также используют сосновое масло (перегонка с водяным паром древесной смолы) и содержащие в своём составе ароматические спирты:

крезол

и др.