1.4 Флотация

Умение оценить величину краевого угла и связать его со свойствами сосуществующих объемных фаз с целью управления этой величиной имеют существенное значение для процесса флотации, используемого при обогащении полезных ископаемых. В основе флотации лежит процесс избирательного смачивания; основные виды флотации — пенная, масляная и пленочная.

Наибольшее распространение получила пенная флотация, которую проводят следующим образом. Измельченную породу, содержащую рудные включения, перемешивают с водой до получения густой суспензии (пульпы), через которую непрерывно, снизу вверх, пропускают поток пузырьков воздуха. Добавление специальных пенообразователей создает условия для образования в пульпе пены с очень большой суммарной площадью границы раздела вода — воздух. Частички руды, содержащей чистые металлы или их сульфиды (вещества неионогенной структуры), смачиваются водой хуже, чем частицы пустой породы (кварц, алюмосиликаты). Поэтому частицы руды «прилипают» к пузырькам пены, всплывают вместе с ними и собираются в специальном отделении.

В процессе масляной флотации, вместо пены используют эмульсию, и частицы руды всплывают с капельками масла. При пленочной флотации измельченные частицы высыпаются на непрерывно движущуюся поверхность воды. Частицы, хорошо смачиваемые, тонут, тогда как плохо смачиваемые остаются на поверхности раздела вода — воздух, и далее снимаются с движущейся поверхности при помощи специального устройства. Таким образом, все виды флотации не различаются принципиально между собой и основываются на различиях в величине  для частиц различной химической природы.

Флотация протекает при любых положительных значениях . Однако на практике используется условие, когда флотирующая сила (f_фл.) удерживающая частицу больше веса частицы (mg)

f_фл.  =   _ТЖ  +  _ЖГ  -  _ТГ  =  _ЖГ (1  -  cos )  >  mg

Это условие может быть выполнено всегда за счет уменьшения размеров частиц, поскольку сила тяжести убывает пропорционально кубу, а флотационная — линейному размеру. Следовательно, теория флотации позволяет вычислить необходимую для флотации степень измельчения, если из опыта известны _ЖГ и (1 - cos ).

Коллоидная химия открывает возможности для решения практической задачи — увеличения разности (1 - cos ) путем повышения гидрофобности. Это достигается посредством модификации поверхности частиц и добавления к пульпе специальных веществ — коллекторов (собирателей), приводящих к изменению свойств поверхности, вследствие адсорбции этих веществ. Наряду с коллекторами и пенообразователями добавляют активаторы и депрессоры — реагенты, варьирующие действие коллекторов. Все вещества, применяемые в процессе флотации, называются флотореагентами. Таким образом, флотация представляет собой сложное сочетание многих коллоидно-химических процессов и нахождение оптимальных технологических параметров для конкретных систем требует глубокой и всесторонней разработки теории флотации.

1.5 Капиллярное давление

При смачивании возникает искривление поверхности, изменяющее свойства поверхностного слоя. Существование избытка свободной энергии у искривленной поверхности приводит к так называемым капиллярным явлениям. Своеобразие их заключается, например, в том, что давления в двух объемных фазах, разделенных искривленной поверхностью, оказываются различными в состоянии равновесия. Эти явления особенно существенны для дисперсных систем, характеризующихся большой кривизной (1/R).

Найдем выражение для давлений в объемных фазах при наличии искривленного поверхностного слоя.

Проведем вначале, для уяснения физического смысла, качественное рассмотрение на примере мыльного пузыря. Если мы в процессе выдувания пузыря откроем конец трубочки, то увидим, что пузырь, находящийся на ее конце, будет уменьшаться в размерах и втянется в трубку. Поскольку в этом обратном процессе воздух внутри пузыря сообщается с атмосферой, постольку для поддержания равновесного состояния давление изнутри должно быть больше внешнего. Если в этом опыте соединить трубку с манометром, то на нем устанавливается некоторая разность уровней, регистрирующая избыточное давление (P) в объемной фазе газа с вогнутой стороны поверхности пузыря.

Для нахождения количественной зависимости между P и 1/R используем общее термодинамическое выражение для свободной энергии системы. Рассмотрим две объемные фазы  и , разделенные сферической поверхностью, находящиеся в состоянии равновесия при Т = const [например, пузырек газа () в жидкой среде () или каплю жидкости () в фазе пара ()]. В состоянии равновесия возможны вариации поверхности S и объема V пузырька без переноса вещества из одной фазы в другую (т.е. d n_i = 0). Пусть объем V увеличится на dV, a поверхность S — на dS. В этих условиях выражение получаем:

(1.25)

В состоянии равновесия при постоянстве общего объема системы, всех n_i  и  Т, dF = 0 (над системой не совершается работа, и она работы не совершает). Из уравнения (1.25), с учетом dV ^  =  - dV ^, находим:

(1.26)

Таким образом: Р ^  >  P ^. Учитывая, что  V ^  =  ⁴/₃   R ³  и  S  =  4  R ², где R — радиус кривизны, получаем:

(1.27)

Подстановка соотношения (1.27) в (1.26) дает уравнение Лапласа:

(1.28)

Можно показать, что в более общем случае, для эллипсоида вращения с главными радиусами кривизны R₁ и R₂, закон Лапласа формулируется следующим образом

(1.28a)

При R₁  =  R₂ (сфера) получаем (1.28); при R₁  =  R₂  =   (плоскость) Р ^  =  P ^.

Разность Р ^  -  P ^ называют капиллярным давлением. Рассмотрим физический смысл и следствия закона Лапласа, являющегося основой теории капиллярных явлений. Уравнение (1.28) показывает, что разность давлений в объемных фазах возрастает с увеличением   и с уменьшением радиуса кривизны поверхности натяжения R.

Для капельки воды в фазе пара при R  =  10^-7 м, P    15 ат., а при R  =  10^-8 м, P    150 ат. Можно представить это избыточное давление как результат действия некоторой силы поверхностной «пленки», стягивающей фазу, расположенную с вогнутой стороны поверхности разрыва (сама фаза обладает выпуклой поверхностью), т.е. каплю. Поскольку действие равно противодействию, эта стягивающая сила вызывает повышение давления в фазе капли.

Независимо от агрегатного состояния фаз, в состоянии равновесия давление с вогнутой стороны поверхности всегда больше, чем с выпуклой.

Уравнение (1.28) дает основу для экспериментального измерения _ЖГ методом наибольшего давления пузырьков.

Одно из важнейших следствий существования капиллярного давления — поднятие (опускание) жидкости в капилляре.