Вопрос 28

Кинетический анализ процессов образования при флотации комплекса частица – пузырек.

Между сближающимися пузырьком и минеральной частицей находится прослойка воды, состоящая из двух частей, обладающих различными свойствами: слоя неизменной воды h и гидратных сло­ев, окружающих частицу h_Ми пузырек hn (рис. 1.4, а). Относительно толстый слой неизменной воды не обладает какими-либо особенны­ми свойствами, в то время как гидратные слои имеют специфические свойства, отличные от свойств объемной фазы.

Процесс сближения частицы и пузырька и их слипание мож­но разделить на три этапа.

1. происходит вытеснение прослойки неизменной воды толщиной h. К концу первого этапа пузырек и частица сближаются на расстояние, при котором соприкасаются их гидратные слои (рис.1.4, б). Расстояние между пузырьком и частицей при этом будет h₁= hn+ h_М. Т.к. в течение первого этапа сближения пузырька и частицы .их гидратные сдои не сопри­касаются, то удельная поверхностная энергия гидратной прослойки W будет оставаться постоянной (участок а-б, рис.1.5) и равной сумме удельных поверхностных энергий на границе, раздела твердое-жидкость и жидкость - газ, т.е. W=δ_{Т - Ж}+ δ_{Ж – Г}.

Удаление прослойки неизменной воды происходит легко в со­ответствии с законами гидродинамики. Однако при быстром сближении пузырька и частицы прослойка как бы затвердевает и удаление ее затрудняется.

2. в течение второго этапа сближения происходит разрушение, уменьшение толщины гидратной прослойки до значения h_КР, при которой она становится неустойчивой (рис.1,4, в). Для разрушения гидратной прослойки необходимо затрачивать определенную ра­боту. При этом свойства гидратной прослойки будут изменяться, и удельная поверхностная энергия ее будет увеличиваться (уча­сток кривой б-в, см. рис.1.5).

3. в течение третьего этапа неустойчивая гидратная прослойка толщиной h_КРмгновенно разрушается и происходит скачкообразное (спонтанное) слипание частицы и пузырька с образованием трех­фазного периметра смачивания (рис.1.5, г). Разрушение гидратной прослойки происходит самопроизвольно и поэтому удельная по­верхностная энергия гидратной оболочки уменьшается (участок кри­вой в-г, см. рис.1.5). Между слипшимися пузырьком и частицей оста­ется гидратная прослойка толщиной h_О, которая называется остаточ­ным гидратным слоем. Остаточный гидратный слой прочно связан с минеральной поверхностью и удалить его трудно, так как это свя­зано с затратой большого количества энергии. Толщина остаточного гидратного слоя h_Озависит от степени гидрофобности поверхности, с увеличением которой она уменьшается.

Рассмотрение кинетики слипания частицы и пузырька пока­зывает, что для закрепления на поверхности пузырька минераль­ной частицы она должна преодолеть энергетический барьер ΔW′. Этот барьер частица может преодолеть за счет своей кинетиче­ской энергии, что характерно для достаточно крупных частиц. Не­обходимым условием закрепления частицы является также и то, что время контакта частицы с пузырьком должно быть больше времени, необходимого для разрушения и медленного утончения гидратной прослойки под действием внешних сил, t₂и времени самопроизвольного мгновенного ее раз рушения t₃, т.е. време­ни протекания второго и третьего этапов, которые определяют время индукции ti. Время индукции — это минимальное время контакта, необходимое для закрепления минеральной частицы на пузырьке.

Таким образом, если минеральная частица имеет кинетиче­скую энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера, и время контакта частицы с пузырьком, больше времени индукции, в результате чего частица и пузырек сблизятся на рас­стояние h_КР, то произойдет мгновенный самопроизвольный разрыв гидратной прослойки и закрепление частицы на пузырьке.

Изменение удельной поверхностной энергии гидратной про­слойки между сближающимися пузырьком и частицей зависит от начальной гидратированности поверхности (рис.1.6).

В случае предельной гидратированности поверхности (кри­вая 1) удельная поверхностная энергия гидратной прослойки непрерывно увеличивается, энергетический барьер равен бесконеч­ности и закрепление частицы с предельно гидратированной по­верхностью на пузырьке невозможно.

При соприкосновении частицы с предельно гидрофобной по­верхностью (кривая 3) с пузырьком происходит мгновенный распад гид ратной прослойки, так как энергетический барьер отсутствует. Такое состояние поверхности частиц свидетельствует об их высо­кой флотационной активности. Однако флотация предельно гид­рофобных частиц затруднена, так как в этом случае флотационная суспензия будет крайне неустойчивой, что будет приводить к обра­зованию крупных хлопьев и снижению показателей флотации.

Минеральные частицы с некоторой степенью гидратированности поверхности (кривая 2 на рис.1.6) наиболее характерны для флотационной суспензии. В этом случае имеется возможность закрепления частицы на пузырьке (ΔW>0) и сохранения агрегативной устойчивости суспензии за счет наличия энергетического барьера (ΔW′>0). При флотации происходит избирательное закрепление на пузырьках частиц, отличающихся степенью гидратированности по­верхности. Применяемые флотационные реагенты изменяют энерге­тическую характеристику гидратной оболочки и время индукции. Установлено, что реагенты-собиратели уменьшают время индукции, а депрессоры увеличивают, замедляя закрепление минеральной частицы на пузырьке.