Процессы и механизмы агрегирования частиц

Сгущаемые суспензии по крупности находящихся в них частиц можно разделить на грубце, содержащие частицы с d>100 мкм, тонкие (d = 0,5-100 мкм), мутности (d = 0,l~0,5 мкм) и коллоид­ные раствора (d<0,l мкм) (d — средний размер частиц).

Твердые частицы в грубых суспензиях легко осаждаются под действием сил тяжести. В тонких суспензиях частицы почти не осаждаются под действием сил тяжести, поэтому применение сгу­щения становится малоэффективной операцией. Увеличить ско­рость осаждения таких частиц можно с помощью их агрегирова­ния коагуляцией и флокуляцией.

Коагуляция (свертывание, сгущение) — укрупнение частиц в коллоидных и грубодисперсных системах под действием молеку­лярных сил сцепления и уменьшения сил отталкивания.

Флокуляция — процесс образования флокул (агрегатов) из нескольких минеральных частиц, взвешенных в воде, наблюда­ется при уменьшении их поверхностной энергии и молекулярной связи поверхности частиц с жидкой фазой суспензии.

Пептизация — явление, обратное коагуляции и флокуляции. Пептизация может происходить при уменьшении в суспензии концентрации коагулирующих ионов, в результате чего на поверхно­сти частиц образуется двойной электрический слой или сольватные оболочки.

Процесс агрегирования протекает в две стадии: соударение частиц и их слипание. Не каждое соударение приводит к слипанию частиц. Число соударений частиц определяется гидродинами­ческим режимом перемешивания жидкости, а эффективность их слипания — поверхностными силами, действующими между части­цами. К таким силам относятся силы молекулярного притяжения (ван-дер-ваальсовые) и ионно-электростатические силы отталкива­ния. Кроме того, сближению частиц до расстояний, на которых преобладают силы притяжения, препятствуют образующиеся на поверхности частиц сольватные оболочки из молекул жидкой фазы.

Силы Ван-дер-Ваальса имеют электрическую природу и обусловлены полярностью и поляризуемостью молекул. Различа­ют три типа межмолекулярного взаимодействия: ориентационное, индукционное и дисперсионное.

Ориентационное взаимодействие наблюдается при сближении полярных молекул, которые ориентируются относительно друг дру­га противоположно заряженными концами диполей. Чем более полярны молекулы, тем прочнее связь между ними.

Индукционное взаимодействие проявляется между полярной и неполярной молекулами, причем полярная деформирует электрон­ное облако у неполярной. В результате у неполярной молекулы возникает временный электрический дипольный момент и обе мо­лекулы взаимодействуют как диполи.

Дисперсионное взаимодействие проявляется между двумя не­полярными молекулами. Это взаимодействие тем сильнее, чем лег­че поляризуются молекулы и чем меньше расстояние между ними.

Энергия взаимодействия зависит от формы и размеров твердо­го тела. Силы прилипания мелких частиц к крупным гораздо боль­ше, чем к мелким, поэтому агрегация грубодисперсной системы протекает гораздо эффективнее, чем тонкодисперсной.

Рис. 2.4. Зависимость энергии V взаимодействия коллоидных частиц от

расстояния h между ними:

/ — электростатическое отталкивание:1 — молекулярное притяжение;

3 — результирующая

Ионно-электростатические силы отталкивания между частицами обусловлены образованием на их поверхности одноименного заряда, который появляется вследствие возникнове­ния двойного электрического слоя на границе твердое — жидкое. Механизм его образования связан с преимущественной адсорбци­ей катионов или анионов из раствора, направленной ориентацией диполей молекул в пограничном слое, образованием полимерных связей и преимущественным переходом в жидкость катиона у ме­таллов и аниона или катиона у солей и окислов. Силы отталкива­ния возникают при перекрытии диффузных двойных ионных слоев,, которые образуются в растворах на границе с поверхностью лю­бой инородной фазы.

Сольватные слои из молекул жидкой фазы, образующиеся на поверхности частиц, являются одной из причин устойчивости коллоидных систем с жидкой дисперсионной средой. П. А. Ребиндер объясняет способность сольватных оболочек препятствовать слипанию частиц тем, что оболочки обладают сопротивлением сдвигу, мешающему их выдавливанию из зазора между частица­ми. Кроме того, на границе сольватного слоя и жидкости отсут­ствует поверхностное натяжение. Между сольватными оболочками отсутствует молекулярное притяжение, так как сила взаимодейст­вия молекул сольватного слоя практически равна силе взаимо­действия молекул среды. Для сближения частиц необходимо со­вершить работу, расходуемую на удаление сольватного слоя (работа десорбции). Сольватация наблюдается только тогда, когда поверхностные молекулы твердой фазы достаточно интенсивно взаимодействуют с молекулами жидкой фазы в результате хими­ческих сил или прочных водородных связей.

В зависимости от расстояния между частицами с двойными электрическими слоями на поверхности преобладают либо силы притяжения, либо силы отталкивания (рис. 10).

При относительно больших расстояниях до hi в большей мере проявляются силы молекулярного притяжения, чем отталкивания. При средних расстояниях ai—А₂ результирующая кривая лежит над осью абсцисс, т. с. существует энергетический барьер U& — преобладают силы электростатического отталкивания. При рас­стояниях меньше А₂ снова преобладают силы притяжения, резуль­тирующая кривая находится ниже оси абсцисс.

Наличие энергетического барьера С/_б объясняет тот факт, что не все частицы слипаются друг с другом при сближении. Если средняя кинетическая энергия двух движущихся частиц больше или равна энергии энергетического барьера U₆, то частицы смогут преодолеть электростатические силы отталкивания. В этом случае частицы сблизятся до расстояния, на котором преобладают силы притяжения, слипнутся и образуют агрегат. Если кинетическая энергия двух частиц меньше С/б, то такие частицы не смогут его преодолеть и образовать агрегаты. На близких расстояниях, менее /ц, частицы прочно соединя­ются в результате действия ван-дер-ваальсовых сил. Снизить энер­гетический барьер можно с помощью подачи в суспензию электро­литов, ионы которых вызывают сжатие двойного электрического слоя.

Коагуляция частиц происходит при введении в пульпу электро­литов (NaCl, FeCl₃, H₂SO₄ и т. п.). В качестве коагулянтов на обогатительных фабриках наибольшее распространение получили известь и серная кислота.

Коагуляция очень часто обусловливается и чисто физическими факторами — механическим воздействием, нагреванием или замо­раживанием, разбавлением или сгущением. Коагуляция может происходить под влиянием видимого и ультрафиолетового света, рентгеновских лучей, радиоактивного излучения, при действии электрического разряда и ультразвука. Коагуляция наблюдается при длительном хранении дисперсной системы.

Гидрофобная флокуляция частиц осуществляется в ре­зультате искусственной гидрофобизации поверхностей частиц, при подаче в суспензию собирателей, имеющих гетерополярное строе­ние. При этом наблюдается ориентированное закрепление на по­верхности частиц молекул и ионов-реагентов, что приводит к уменьшению сил притяжения между поверхностью частиц и водой и к увеличению сил притяжения между частицами. Скорость осаж­дения образующихся флокул значительно выше, чем частиц. Они довольно прочны и могут не разрушаться даже при перемешива­нии.

Полимерная флокуляция наблюдается при применении высокомолекулярных полимерных флокулянтов. Молекулы таких флокулянтов имеют цепочечное строение.

Механизмы флокулирующего действия высокомолекулярных полимеров разнообразны, однако главным и общим для всех их является снижение дзета-потенциала поверхности частиц в резуль­тате адсорбции противоположного по знаку с поверхностью час­тиц иона и связывание поверхности двух частиц «мостиком» по­лимерной цепочки флокулянта.