благодаря которым она активно взаимодействует с молекулами воды (или их комплексами), присоединяя их.

Взаимодействие воды с минералами может приводить к их частичному растворению. Вследствие того, что в состав полезного ископаемого всегда входит несколько минералов, в воде обычно всегда присутствуют определенные количества молекул и ионов, входящих в состав этих минералов.

Растворение минералов в воде происходит в том случае, если энергия гидратации Н превышает энергию кристаллической решетки U. Энергия гидратации иона увеличивается с ростом его валентности и уменьшением ионного радиуса, при этом одновременно возрастает и энергия кристаллической решетки.

1.1.3.Образование двойного электрического слоя при взаимодействии минерала с водой

Взаимодействие воды и присутствующих в ней ионов с минералами может изменить не только их состав, но и электрическое состояние поверхности. Наиболее важным результатом этого взаимодействия является образование на поверхности раздела минерал – жидкая фаза пульпы двойного электрического слоя. Энергия взаимодействия воды с различными ионами минерала неодинакова. Ввиду этого ионы одного знака переходят в раствор в большем количестве, чем ионы другого знака, и электронейтральность поверхности нарушается. В результате поверхность минерала приобретает заряд.

Возникновение заряда на поверхности минерала и образование двойного электрического слоя может происходить и в результате преимущественной адсорбции минералом из раствора ионов одного знака по сравнению с ионами другого знака.

Увеличение электрического заряда поверхности затрудняет переход ионов противоположного знака в раствор из кристаллической решетки минерала. В конце концов устанавливается состояние равновесия между раствором и твердой поверхностью, которая будет окружена двойным электрическим слоем.

Поскольку поверхность частицы имеет заряд, в пространстве, окружающем частицу, появляется электрическое поле. Это поле характеризуется термодинамическим (полным) потенциалом ξ и электрокинетическим (дзета) потенциалом (рис. 1.1). Электрокинетический потенциал всегда составляет часть термодинамического.

21

Предположим, что в раствор с внешнего слоя (1–1, 2–2) кристаллической решетки минерала переходят катионы. М – это минерал. Линия 1–1 является границей неизменённой решетки PbS. Ряд А является как бы продолжением решетки PbS, но из него удалена часть ионов свинца, поэтому здесь находятся в избытке ионы серы, которые и создают отрицательный заряд поверхности. Линия 2–2 является физической границей минерала. Ряд ионов слоя Б представляет собой упорядоченный слой внешней обкладки, находящейся в жидкости. Линия 3–3 – это граница жидкости, тесно связанной с поверхностью минерала. Зона от 3–3 до 4–4 – это диффузный слой ионов.

Число катионов во внешней обкладке представляет только часть катионов, перешедших в раствор. Остальные катионы образуют диффузный слой с постоянно убывающей концентрацией ионов. Ионы, расположенные между 2–2 и 4–4, имеют знак, противоположный ионам внутренней обкладки, и называются противоионами. Слой Б противоинов расположен упорядоченно на расстоянии радиуса этих ионов. Это слой Штерна, диффузная часть – это слой Гюи.

Плотная часть двойного электрического слоя, т. е. совокупность внутренней его обкладки и

плотной части внешней обкладки, называется слоем Гельмгольца (Перрена).

При движении частиц минерала в жидкости или наоборот противоионы слоя Б, плотно связанные с поверхностью, будут перемещаться вместе с ней, а ионы диффузного слоя будут отставать от них. В этом случае между поверхностью минерала с увлеченной пленкой воды и жидкостью в объеме появляется разность потенциала (ζ-потенциал) (рис. 1.2).

Разность потенциалов между ионами внешней обкладки (суммарно) с одной стороны и ионами внутренней обкладки (слева от линии 2–2) – с другой – представляет собой термодинамический (или полный) потенциал ξ.

22

Измерение этих потенциалов производится различными методами. ζ-потенциал измеряется методом протекания, электрофорезом и электроосмосом; ξ-потенциал можно измерить только у проводящих минералов.

ξ

Рис. 1.2. Изменение электрического потенциала в двойном электрическом слое (ДЭС): М – неизменный слой кристаллической решетки; А – измененный слой (внутренняя обкладка двойного слоя); Б – внешняя обкладка двойного электрического слоя

Изучение изменения потенциалов позволяет изучать явления адсорбции на поверхности минералов, что важно при исследовании механизма действия флотационных реагентов, что будет рассматриваться в дальнейшем.

Если в поверхностном слое наблюдается избыток анионов, то ζ-потенциал имеет отрицательный заряд.

Знак заряда поверхности одного и того же минерала в дистиллированной воде может быть различным. Он зависит от условий образования месторождения и вида преобладающих ионов в пульпе.

Представление о строении двойного электрического слоя дает возможность понять процесс взаимодействия поверхности минеральных частиц с водой и флотационными реагентами.

В коллоидных растворах носителем двойного электрического слоя является свободно передвигающаяся в жидкости коллоидная частица, равномерно окруженная со всех сторон диффузным облаком противоионов.

При наложении электрического поля ранее наблюдавшееся равновесие в обкладках двойного электрического слоя мицеллы нарушается. Электрически заряженная частица с находящимся на ее поверх-

23

ности адсорбционным (неподвижным) слоем противоионов, который нейтрализует часть заряда поверхности, начинает перемещаться к одному из полюсов, в то время как диффузное облако противоионов смещается в противоположном направлении. Явление перемещения частиц золя в электрическом поле к электроду, знак которого противоположен знаку заряда частиц, называется электрофорезом.

Наблюдая электрофоретическое движение частиц, можно установить, каков знак заряда частиц, а также определить электрокинетический потенциал (ζ-потенциал), от которого зависит устойчивость частиц золя. Расчет ζ-потенциала производят по формуле

где η – вязкость среды; u – электрофоретическая скорость частицы; D – диэлектрическая постоянная среды; Н – градиент потенциала.

Градиент потенциала находят делением величины внешней ЭДС E на расстояние между электродами l в приборе для изучения электрофореза:

Уравнение (1.8) относится к частицам, имеющим цилиндрическую форму.

В случае частиц сферической формы используют формулу

Величина электрокинетического потенциала зависит от концентрации ионов электролитов в растворе и их валентности. Чем больше концентрация электролита, тем меньше толщина диффузной части двойного электрического слоя и тем меньше величина потенциала. В предельном случае, когда все ионы диффузного слоя перейдут в адсорбционный слой, ζ-потенциал становится равным нулю.

Пример. Электрокинетический потенциал частиц гидрозоля, найденный методом электрофореза, равен 50 мВ. Приложенная внешняя ЭДС равна 240 В, а расстояние между электродами 40 см. Вычислить электрофоретическую скорость частиц золя, полагая, что они имеют цилиндрическую форму. Вязкость воды 0,001 Н·с/м2, а диэлектрическая постоянная среды 81.

24

Решение

Используем формулу (1.8):

По формуле (1.9) определяем, чему равен градиент потенциала Н:

Коэффициент 1/9.10–9 служит для выражения диэлектрической постоянной D в единицах системы СИ (ф/м). Его можно найти из закона Кулона.

Необходимым условием электроосмоса являются: заполнение пор проводящей жидкостью, определённый диаметр пор и наличие потенциала на границе адсорбционного и диффузного слоёв.

В отличие от электрофореза в этом случае под влиянием приложенной разности потенциалов наблюдается перемещение к электроду жидкости относительно твёрдой противоположно заряженной поверхности.

Математическая теория, созданная Гельмгольцем, основана на следующих экспериментально установленных закономерностях: количество перенесённой жидкости пропорционально силе тока; объём перенесённой жидкости, отнесённый к единице силы тока, не зависит от площади сечения диафрагмы и длины капилляров, но возрастает с уменьшением концентрации раствора (увеличением сопротивления жидкости).

Длярасчётаэлектроосмотическойскорости применяетсяформула

где v – объёмная скорость (м3/с); I – сила тока, А; χ – удельная электропроводность, 1/(Ом·м).

Если под действием давления заставить проводящую жидкость продвигаться через пористое тело, то возникает разность потенциалов, называемая потенциалом течения Е.

Потенциал течения связан с расположением ионов в двойном электрическом слое. Чем больше ионов находится в диффузной части, т. е. чем больше величина электрокинетического потенциала, тем больше величина потенциала течения. Такая же зависимость существует и между приложенным давлением и потенциалом течения:

25