книги из ГПНТБ / Олофинский Н.Ф. Трибоадгезионная сепарация

лябтси в основном электростатическими силами и что величина электрических сил адгезии значительно больше молекулярных сил.

Поверхностная плотность заряда crs двойного элек­ трического слоя частицы играет существенную роль при определении электрической составляющей силы адгезии. Авторы экспериментально установили, что поверхностная плотность зарядов частиц диэлектри­ ков размером от 0,5 до 100 мкм не зависит от их диа­ метров и составляет ~ ІО3 CGSE .

Величина as определяется состоянием поверхности частиц и подложки. Измерить ее очень сложно, так как нарушение адгезионного контакта всегда сопро­ вождается нейтрализацией зарядов, возникающих на разделяемых поверхностях. Механизм этой нейтрали­ зации зависит от скорости отрыва. При увеличении

ряда, не зависящая в дальнейшем от скорости от­ рыва.

Важными для понимания сущности электрической теории адгезии являются вопросы, касающиеся при­ чин образования двойного электрического слоя на границе раздела твердых тел и механизма электри­ зации при контакте этих тел, особенно при разделе­ нии таких материалов как диэлектрик (или полупро­ водник) — металл, обычно встречающихся при обога­ щении полезных ископаемых.

Явления контактной электризации при трибоадге­ зионной сепарации проявляются в процессе образова­ ния зарядов сепарируемых порошков вследствие раз­ деления двойного электрического слоя при отрыве ча­ стиц от заземленной металлической поверхности. Сила адгезии порошков к металлической поверхности может быть приравнена к силе отрыва. Зависит она от большого числа различных факторов и свойств контактирующих тел.

М е х а и и з м э л е к т р и з а ц и и. Механизм элек­ тризации обусловливается комплексом физических и химических процессов, приводящих к заряжению тел вследствие разделения в пространстве зарядов про­ тивоположных знаков или к накоплению зарядов од­ ного знака. Электрические явления особенно имеют

'место при сухих материалах и большой скорости раз­ деления.

Как уже указывалось, важным для понимания сущности электрической теории адгезии является во­ прос о причинах образования двойных электрических 'слоев. Теория двойного электрического слоя впервые развита X. Гельмгольцем и завершена и уточнена позднее в работах В. Лебель, Г. И. Скаиави, Л. Б. Ле­ ба, Н. А. Фрумкина [33—35]. Явления контакта рас­ сматривались как образование двойного электриче­ ского слоя толщиной в несколько молекулярных рас­ стояний, с определенной разностью потенциалов. Так как при контакте двух тел неизбежен переход ионов или электронов с одной поверхности на другую, то в месте контакта образуется двойной электрический ■слой. При нарушении контакта обкладки двойного электрического слоя разъединяются и каждая из них

•оказывается заряженной электричеством противопо­ ложного знака. Рассматривая различные случаи об­ разования двойных электрических слоев при сопри­ косновении двух поверхностей, Н. К. Адам [26] при­ шел к выводу, что одним из возможных механизмов их образования является поверхностная ориентация нейтральных молекул, содержащих электрические ди­ поли. При этом слой ориентировочных диполей на поверхности и представляет собой двойной электриче­ ский слой.

Г. И. Сканави [34] показал, что полярные молеку­ лы диэлектрика ориентируются под действием элек­ трического поля (поляризуются), что эквивалентно образованию некоторого заряда на его поверхности. В этом случае заряд накапливается на поверхности раздела слоев диэлектрика и в отличие от металлов распределяется по всей его толщине. Накопление объ­ емного заряда вызывает медленное спадение тока во времени (часы и сутки).

Позднее Я. И. Френкель :[37] предложил теорию образования статического электричества при контак­ те, исходя из современных представлений о строении атома. Эта теория двойного слоя, используемая в на­ стоящее время при рассмотрении явлений электрон­ ной эмиссии, наглядно объясняет электризацию не только разнородных, но и однородных тел.

20

По Френкелю, при тесном соприкосновении по­ верхностей двух тел (при их трении) на поверхности контакта образуется двойной слой зарядов, величина которых определяется контактной разностью потен­ циалов между поверхностями. Заряд одного знака возникает при этом на одной поверхности, а проти­ воположного знака — на другой. Если эти поверхно­ сти разделить, то двойной слой разрывается и заряды противоположных знаков остаются на поверхности обоих тел.

Электричество трения Френкель связывает также с явлениями местного нагрева соприкасающихся по­ верхностей за счет шероховатости, в результате чего происходит местное увеличение числа свободных электронов (и положительных «дырок») в поверх­ ностной пленке.

Описание электронных процессов в кристаллах приводится в квантовой механике (зонная теория твердого тела) [38, 39].

Согласно этой теории, электроны в свободных ато­ мах имеют вполне определенные уровни энергии, от­ деленные друг от друга соответствующими запрет­ ными зонами. Благодаря тепловой энергии электроны занимают не только самые глубокие, но и более вы­ сокие энергетические уровни. Верхний уровень энер­ гии, заполненный электронами (уровень Ферми), ха­ рактеризуется для каждого проводника определен­ ной величиной энергии.

Чтобы оторвать от атома валентный электрон, ему надо сообщить энергию, необходимую для преодоле­ ния потенциального барьера, обусловленного силами кулоновского притяжения. Величина этого барьера определяется свойствами кристаллической решетки и представляет собой работу выхода, измеряемую в электрон-вольтах. Для различных полупроводников она составляет от 1 до 6 эв. При высокой темпера­ туре часть электронов обладает энергией, достаточной для преодоления этого барьера и выхода в вакуум. Поток электронов, переходящих в вакуум с 1 см2 по­ верхности за 1 с, определяется работой выхода и тем­ пературой [40],

Ф

Чем выше температура и меньше работа выхода, тем больше поток электронов. Другими словами, при определенной температуре количество электронов, способных выйти за пределы тела, больше у того те­ ла, работа выхода которого меньше. Если два таких тела находятся в контакте друг с другом, они нач­ нут обмениваться электронами. При этом большее число электронов перейдет на то тело, работа выхода которого больше. Через некоторое время процесс до­ стигнет некоторого равновесия, при котором общая энергия системы будет минимальной, а между кон­ тактирующими поверхностями установится опреде­ ленная разность потенциалов:

Следует отметить, что переход электронов из од­ ного тела в другое при их контакте облегчается по сравнению с выходом в вакуум, так как высота прео­ долеваемого барьера уменьшается на величину рабо­ ты выхода второго тела, и ширина потенциального барьера вследствие близкого касания будет очень мала [41].

Уравнение (9) определяет количественно процесс перехода электронов с поверхности твердого тела в вакуум (это так называемый процесс термоэлектрон­ ной эмиссии).

В практике сепарации минеральных смесей имеют дело с образованием зарядов на контактирующих ча­ стицах в области невысоких температур при атмос­ ферном давлении. Сами минеральные зерна являются довольно прочными полупроводниками или диэлект­ риками. В этом случае переход электронов с одного тела на другое существенно отличается от процесса термоэлектронной эмиссии в вакууме или от процес­ са образования электрического тока при контакте различных металлов, либо металла и полупроводника при довольно высоких температурах и большой чи­ стоте самих веществ и их поверхностей.

Однако несомненно, что в основе всех этих процес­ сов лежит одно и то же явление перехода носителей тока с одной поверхности на другую, обусловленное

22

возникновением определенной разности потенциалов при их контакте (контактной разности потенциалов).

Действительно, рассмотренные выше процессы происходят в любом теле и при некоторой темпера­ туре в зоне проводимости оказывается в наличии оп­ ределенное количество свободных электронов, обла­ дающих энергией, достаточной для оставления по­ верхности тела и выхода за его пределы на некото­ рое, хотя и очень малое, расстояние. На такие элек­ троны будет действовать электрическая сила притя­ жения наружного слоя положительно заряженных ионов тела..

Таким образом, поверхность тела оказывается как бы покрытой тонким слоем отрицательно заряженной жидкости. Образуется конденсатор, положительным полюсом которого является поверхностный слой по­ ложительно заряженных ионов тела, а отрицатель­ ным — покрывающий его слой электронов.

Напряженность поля этого конденсатора создает силу, удерживающую электроны зоны проводимости, т. е. она является тем потенциальным барьером, ко­ торый должны преодолеть электроны для оставления тела. При контакте тел переход носителей тока с од­ ного тела на другое по сравнению с переходом в ва­ куум облегчен на величину работы выхода другого тела, и ширина потенциального барьера значительно сокращается. Во всех случаях переход зарядов про­ исходит до тех пор, пока не будет достигнуто равно­ весие, что соответствует возникновению контактной разности потенциалов.

В работе [35] исследованы влияние давления и влажности воздуха на заряд. Указывается, что про­ цесс электризации протекает, как правило, вне связи с давлением. ,

Знаки зарядов каждого из пары электризующихся материалов хорошо воспроизводятся в опытах раз­ ных авторов, выполненных как в лабораторных, так и в производственных условиях [4, 35, 42—45]. Эмпи­ рические данные о знаках зарядов часто представ­ ляются в виде трибоэлектрических рядов, в которых каждый из вышерасположенных материалов заряжа­ ется положительно при контакте с любым располо­ женным ниже материалом.

23

Как видим, вопросы механизма возникновении двойного электрического слоя и явлений электриза­ ции при контакте твердых тел являются очень слож­ ными и до сих пор еще полностью не изученными. Отсутствует единая теория электризации, позволяю­ щих определить величину заряда частиц, а следова­ тельно, и рассчитать силы адгезии.

Рис. 2. Энергетические уровни:

Э л е к т р и ч е с к а я с о с т а в л я ю щ а я с и л ы а д г е з и и, о б у с л о в л е н н а я д в о й н ы м э л е к- т р и ч е с к и м слоем. При соприкосновении частиц с подложкой электрические заряды, находящиеся на поверхности частиц, притягивают равные по величине и обратные по знаку заряды. В зоне контакта проис­ ходит выравнивание уровней Ферми и искривление зоны проводимости и валентной зоны (рис. 2) с одно­ временным появлением на границе контактирующих тел контактной разности потенциалов фк.

А. Д. Зимон [22] указывает, что частицы всегда заряжены еще до контакта с подложкой (т. е. части­ ца всегда несет на себе определенный заряд, так как до этого находилась в контакте с какими-то предме­ тами). А. Д. Зимон и другие [42] установили, что величина заряда зависит от электропроводности кон­ тактирующих тел и может быть в некоторых случаях весьма малой или равной нулю, например при отрыве пылевидных частиц от медной подложки. В этом случае электрическая компонента силы адгезии, об-

24

условленная двойным электрическим слоем, не будет влиять на величину силы адгезии. Результаты влия­ ния на адгезию электрических сил приведены в ра­ ботах [42—46]. Установлено, что с уменьшением раз­ меров частиц увеличиваются электрические заряды, а следовательно, и электрическая компонента сил ад­ гезии.

Электрическая компонента сил адгезии слоя по­ рошка, измеренная при отрыве частиц от заземленной металлической поверхности, меньше, чем при окра­ шенной поверхности, и больше, чем при подаче на­ пряжения на металлическую поверхность.

Уменьшая или увеличивая заряды частиц порош­ ка можно изменять поверхностную плотность зарядов и тем самым менять величину электрической состав­ ляющей силы адгезии. При этом, сообщая поверх­ ности частиц донорные или акцепторные свойства, можно модифицировать поверхность, придавая ей те или иные свойства. Можно также изменять контакт­ ную разность потенциалов усилением металлических или металлоидных свойств (донорных или акцептор­ ных) .

Большую роль в формировании электрической со­ ставляющей силы адгезии играют кулоновские силы, возникающие под действием зарядов частиц.

К у л о н о в с к и е силы. Электрическая состав­ ляющая Силы адгезии заряженных частиц к незаря­ женной поверхности определяется кулоновским взаи­ модействием между заряженной частицей и индуци­ рованным ею на поверхности зарядом, равным по величине, но противоположным по знаку. Возникают так называемые силы зеркального отображения. Си­ ла адгезии за счет зеркального взаимодействия заря­ дов частиц и индуцированных зарядов подложки Fa определяется уравнением

F3= -^г . Дин.

пли

дин. (Ю)

Чтобы рассчитать силы зеркального отображения, необходимо знать величину зарядов частиц порошка,

25

взвешенных в воздухе и искусственно заряженных в поле высокого напряжения.

В электрофильтрах при коронном разряде заряд одной кварцевой частицы диаметром 115 мкм увели­ чивается до 0,32-ІО-12 к. В этом случае сила зеркаль­ ного отображения составляет около 4,6 дин, т. е. она значительно превышает обычные величины сил адге­ зии [27]. Увеличение силы адгезии за счет кулоновских сил наблюдается тогда, когда частицы порошка пред­ варительно заряжены (например, в электрофильтрах, электросепараторах). В этом случае электрические силы, обусловленные зарядом частиц, оказывают решающее влияние на адгезионное взаимодействие.

Трибозаряд частицы на заземленной поверхности не постоянен. Он уменьшается в зависимости от вре­ мени нахождения частицы на такой поверхности, что приводит к снижению величины кулоновского взаи­ модействия. После контакта с поверхностью частицы разряжаются через сопротивление, являющееся сум­ мой собственного и контактного сопротивлений части­ цы. Чем больше сопротивление, тем медленней будет стекать заряд. При попадании на заземленную по­ верхность проводящие частицы быстро (доли секун­ ды) разряжаются, т. е. если сопротивление R— й), то заряд q^O . Силы зеркального отображения, а сле­ довательно, и сила адгезии будут стремиться к нулю. Заряд сохраняют только частицы, являющиеся изоля­ торами или полупроводниками.

Экспериментально показано [30, 31], что все мате­ риалы, имеющие переходное сопротивление меньше ІО3 ом, не сохраняют своего заряда (поверхностное сопротивление определяется не только внутренним сопротивлением вещества, но и в большей степени поверхностным емкостным сопротивлением).

Из сказанного можно сделать вывод, что силы зеркального отображения при отсутствии подзарядки частиц будут максимальными в первый момент кон­ такта их с заземленной поверхностью. В процессе трибоадгезионной сепарации заряд частиц сепарируе­ мых порошков, попадающих на заземленную поверх­ ность барабана, уменьшается медленно, так как по­ следняя всегда покрыта тонким слоем сепарируемого материала [47]. Если поверхность непроводящая или

26

не заземленная, а также при снижении утечек заря­ дов (например, за счет ионизации воздуха), кулонов­ ская сила может продолжительное время обусловли­ вать адгезию частиц.

сорбционных слоев.

3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СИЛУ АДГЕЗИИ

Сложность расчета силы адгезии обусловливается большим разнообразием явлений, воспринимаемых как прилипание, различием сил, вызывающих эти явления, а также большим числом факторов, ослож­ няющих их определение. Если между двумя тверды­ ми или жидкими телами возникнет контакт, то для их разделения необходимо преодолеть сопротивление сил адгезии, зависящее от характера этих тел, состоя­ ния, размеров и формы их поверхности, условий кон­ такта, природы внешней среды, механических и теп­ ловых напряжений и др.

Р а з м е р ы ч а с т и ц при сепарации тонкоизмельченных полезных ископаемых и материалов играют существенную роль, так как при их уменьше­ нии возрастает удельная поверхность частиц, а сле­

прилипания частиц порошков к плоским поверхно­ стям с целью выяснения влияния размера частиц на величину адгезии применили вибрационный метод определения отрывающей силы. Зная частоту ф и амплитуду колебания g подложки они рассчитали максимальное ускорение /, получаемое частицей. От­ рывающая сила при j^>g будет

Применение звуковых и ультразвуковых колеба­ ний позволило им получать большие диапазоны зна­

'27

чений отрывающей силы. При этом обнаружен рост сил адгезии в воздушной среде при уменьшении раз­ меров стеклянных шарообразных частиц крупностью менее 100 мкм. Подобная закономерность была уста­ новлена [35] при исследовании адгезии к стеклу стек­ лянных, песчаных и угольных частиц (рис. 3). Так, для частиц сахара, мела, сажи, дерева и муки диа­

стем (подложка — частица) выражается различны­ ми эмпирическими формулами [22]. Одна из них, ха­ рактеризующая адгезию слоя порошка стеклянных шарообразных частиц диаметром 10—60 мкм к сталь­ ной поверхности (обработанной по 9-му классу чисто­ ты) в расчете на 1 см2, имеет вид

где cl — диаметр частицы.

Аналогичные зависимости предложены и другими авторами. Из сказанного видно, что сила адгезии уве­ личивается с уменьшением размеров частиц.

Ф о р м ы ч а с т и ц . Влияние формы частиц раз­ личных материалов на процесс сепарации почти не изучено. При одних и тех же условиях частицы одно-

23