книги из ГПНТБ / Глембоцкий В.А. Флотация учебник

превалирует индукционная и дисперсионная компоненты адсорб­ ционной энергии. Если ионная кристаллическая решетка физически адсорбирует аполярные молекулы жидкого углеводорода, электри­ ческое поле, образуемое ионами решетки, индуцирует дипольные моменты в этих молекулах и между возникшими мягкими диполями и ионами решетки возникает индукционное взаимодействие (индук­ ционная компонента сил Ван-дер-Ваальса). Ее величина зависит от напряженности поля, создаваемого кристаллической решеткой Е, и от величины наведенных этим полем дипольных моментов у моле­ кул углеводорода. Величина этих моментов зависит также от особен­ ностей адсорбируемых молекул и чем асимметричнее они построены, чем больше их длина, тем (при прочих равных условиях) будет больше величина индуцированных диполей в молекулах адсорбируемых угле­ водородов. Эти молекулы могут иметь и небольшой по величине собственный дипольный момент. Способность аполярных молекул под действием электрического поля (и, в частности, поля решетки минерала) превращаться в диполь, связана с совокупностью свойств этих молекул, называемых поляризуемостью. Поляризация неполяр­ ной молекулы проявляетя в смещении электронного облака в молекуле под действием внешнего электрического поля и в возникновении благодаря этому у нее дипольного момента т, величина которого пропорциональна напряженности поля Е, создаваемого ионами кри­ сталлической решетки минерала т = аЕ, где коэффициент а назы­ вается поляризуемостью молекулы и характеризует ее способность к деформации. Подобные наведенные (индуцированные) диполи со­ храняются до тех пор, пока действует внешнее электрическое поле. Что касается полярных молекул, то они обладают постоянным (жестким) диполем и под действием внешнего электрического поля не только сильнее поляризуются, но и легко ориентируются по от­ ношению к полю. Поляризуемость молекул увеличивается с их дли­

зуемость увеличивается с ростом числа бензольных колец и доба­ влением к ним боковых парафиновых цепей. Все эти особенности взаимодействия углеводородов с минералами, обладающими ионной решеткой, имеют принципиальное значение для флотации, так как косвенно указывают на возможность закрепления аполярных собира­ телей на предельно окисленных минералах. Это видно из дан­ ных табл. 1, показывающих, что как на окисленных, так и на сульфидных минералах вода и бензол не могут полностью выте­ снять друг друга.

Теоретический анализ показывает, что с увеличением длины моле­ кул аполярных собирателей и их асимметрии условия их закрепле­ ния на поверхности минералов, имеющих ионную решетку, стано­ вятся все более благоприятными.

При рассмотрении адсорбции на минералах углеводородов арома­ тического ряда следует иметь в виду, что бензольное кольцо по-

136

чая в это понятие бензольное кольцо и его боковые цепи, является по современным представлениям одним из наиболее важных призна~ ков принадлежности соединений к ароматическому ряду. Эта осо­ бенность ароматических соединений создает дополнительные бла­ гоприятные условия для их закрепления на минералах любого со­ става, особенно тогда, когда бензольное кольцо располагается своей плотностью параллельно решетке минерала, тем более, что такое расположение энергетически наиболее выгодно, а потому и наиболее вероятно.

При адсорбции аполярных молекул на неполярном адсорбенте (т. е. когда действует в основном дисперсионная компонента ван- дер-ваальсовых сил) энергия адсорбции также растет с удлинением молекул углеводорода (по закону прямой, восходящей линии) [46].

Таким образом, увеличение длины молекул и ее асимметрии по­ вышает адсорбируемость углеводородов на поверхностях минералов.

Существенным теоретическим и практическим вопросом, возни­ кающим при оценке эффективности действия любого класса собира­ телей, является вопрос о том, с каким свойством этих собирателей связан в первую очередь вызываемый ими эффект гидрофобизации.

Критериями гидрофобизирующего действия анионных гетерополярных собирателей, как мы видели, являются химическая актив­ ность их солидофильной группы по отношению к катионам кристал­ лической решетки минерала, длина и разветвленность углеводород­ ной цепи гидрофобизирующего иона. Понятно, что при отсутствии солидофильной группы и способности диссоциировать на ионы дей­ ствие аполярных собирателей не может определяться этими крите­ риями. Несмотря-на то, что в области изучения аполярных собира­ телей было выполнено много исследований, прийти к единому мне­ нию по этому вопросу не удалось. В одних работах наиболее важным для флотации считался состав аполярного собирателя, в других работах не было определенных указаний, с каким из свойств этих реагентов в первую очередь следует связывать их действие при флота­ ции. Некоторые исследователи полагали, что эффективность аполяр­ ных масел зависит от ряда факторов одновременно (состав, вязкость и др.).

Теоретические соображения и специальные экспериментальные исследования [46, 55, 57] позволили сделать вывод, что наиболее важным критерием гидрофобизирующего действия аполярных собира­ телей является их вязкость. Вязкость является таким свойством жидкого углеводорода, в котором, как в фокусе, собраны все осо­ бенности, которые определяются его структурой, длиной молекулы

иэнергией межмолекулярного взаимодействия. Эти особенности

137

Вязкость характеризует силу сопротивления жидкости сдвигу т, возникающую при относительном движении двух смежных слоев жид­ кости; она пропорциональна градиенту скорости v вдоль оси у, нор­ мальной к направлению потока жидкости:

где и — динамическая вязкость (или просто вязкость), измеряемая в пуазах (1П — ЮОсП = 106 мкП; размерность Ш = г/см - с . В тех­ нике часто используют другие единицы измерения вязкости — стоксы 1Ст = см 2 /с . В этом случае вязкость называется кинематической, причем кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости к плотности жидкости.

Известно, что вязкость является аддитивным свойством и в го­ мологических рядах углеводородов возрастает с каждым звеном С Н 2 .

Разветвление углеводородной цепи приводит к увеличению вяз­ кости. Вязкость увеличивается в ряду: углеводороды с нормальным строением — ароматические углеводороды — нафтеновые углеводо­ роды. Вязкость полициклических соединений растет с ростом числа атомов углерода в молекуле и с увеличением числа циклов.

Все эти факты (с учетом компланарности ароматических углево­ дородов) показывают, что чем сильнее притяжение молекул углево­ дородов друг к другу (пропорциональное длине и разветвленное™ цепи и компланарности), тем больше вязкость. Таким образом, вели­ чина вязкости отражает энергию межмолекулярного притяжения аполярных соединений. При взаимодействии молекул углеводорода друг с другом действуют силы того же порядка, характера и при­ роды, которые проявляются со стороны молекул углеводорода по отношению к кристаллической решетке минерала. Это объясняется тем, что молекулы аполярного реагента, расположенные в том их слое, который непосредственно прилегает к поверхности минерала, будут одновременно и взаимодействовать с этой поверхностью, а также и со следующим (вторым от поверхности минерала) слоем тех же молекул углеводорода. По этой причине чем выше энергия взаимодействия молекул углеводорода между собою, тем выше их вязкость и тем выше должна быть энергия взаимодействия молекул углеводорода с кристаллической решеткой минерала (табл. 9).

Как видно из табл. 9, гептан, ундекан и гексадекан являются представителями класса парафинов и по мере удлинения молекулы увеличивают свою вязкость и параллельно с ней повышаются значе­ ния краевого угла и работы адгезии. Интересно сопоставить пред­ ставители различных классов углеводородов (гептан, бензол и циклогексан), имеющие в составе своих молекул почти одинаковое число атомов углерода (7, 6 и 6). Вязкость у этих трех углеводородов уве­ личивается от парафина к ароматическим углеводородам и к нафтенам; в соответствии с этим увеличивается и работа адгезии (7,26; 12,8; 21,2 эрг/см2 ).

138

Переход от бензола к толуолу вызывает снижение вязкости и со­ ответственно работы адгезии. Что касается ксилолов, то хотя они показывают более значительную работу адгезии по сравнению с толуолом, она все же ниже, чем у бензола. Ортоксилол, несмотря на более высокую вязкость, чем у бензола, показывает все же мень­ шую работу адгезии, чем бензол, и меньшую, чем метаксилол. Повидимому, это связано с тем, что дипольные моменты (которые свой­ ственны толуолу и ксилолам, но не бензолу) повышают активность

в,г рад

2

11

8~к

9

f0^j

толуола и ксилолов по отношению к воде, что снижает эффект гидрофобизации, причем тем в большей степени, чем выше значение ди­ поль-момента.

Свидетельством того, что вязкость является определяющим фак­ тором в эффекте гидрофобизации, является то, что различные угле­ водороды, нагретые до температуры, при которой их вязкость стано­ вится одинаковой, показывают одни и те же значения краевого угла и работы адгезии. Так, например, гексадекан при 80° С и ундекан при 20° С имеют одинаковую вязкость, равную 1,18 сП, и имели в этих условиях одинаковые величины краевого угла (39°) и работу смачи­ вания (11,3 эрг/см2 ).

Влияние вязкости углеводородов на величину краевого угла, образуемого на гематите углеводородами различного строения, по­ казаны на рис. 39. Углеводороды, имеющие различный состав, структуру и величину молекул, показали, что с увеличением вяз-

140

из малосернистых и сернистых нефтей показана на рис. 40. Извле­ чение мартита непрерывно увеличивается с повышением вязкости масел. Масла сернистых нефтей, имеющих вязкость такую же, как и масла малосернистых нефтей, являются более сильными собира­ телями.

В настоящее время ассортимент минеральных масел довольно широк, свойства их и вязкость стандартизованы и описаны в лите­ ратуре.

Рис. 40. Зависимость извлечения мартита от вязкости аполярных масел из мало­ сернистых бакинских нефтей (кривая 1) и из восточных сернистых нефтей (кри­ вая 2). Расход олеата натрия и масел по 100 I / T

Применение масел повышенной вязкости требует для использо­ вания их высокой эффективности достаточно длительного перемеши­ вания пульпы перед флотацией.

Наиболее целесообразным является применение аполярных масел совместно с гетерополярными собирателями. Введение последних до загрузки масла позволяет гидрофобизировать минерал до степени, обеспечивающей последующее устойчивое и активное закрепление на минерале и капелек масла. Эффективное действие масел дости­ гается при введении его в процесс в виде тонкодисперсной Эмульсии, подготовленной с помощью ультразвуковых аппаратов. При пере­ ходе к весьма тонкодисперсным эмульсиям следует иметь в виду, что капельки последних поглощают довольно много пенообразователей и их расход необходимо увеличивать.

141

Г л а в а I V

. РЕАГЕНТЫ-ПЕНООБРАЗОВАТЕЛИ

Основным назначением реагентов-пенообразователей является увеличение дисперсности пузырьков воздуха в пульпе и повышение устойчивости пены, насыщенной частицами флотируемого минерала. Кроме основного действия пенообразователи замедляют всплывание пузырьков, а иногда влияют на собирательное действие реагентов и прочность прилипания частиц к пузырькам.

§ 1. Состав и строение пенообразователей

Пенообразующим действием при флотации обладают органиче­ ские вещества и неорганические электролиты. Для флотации мине­ ралов применяют в основном органические вещества.

Реагенты-пенообразователи представляют собой поверхностно-

и относительно слабо закрепляется на минералах. Поэтому пенообра­ зователи, содержащие гидроксил, обладают сравнительно невысокими собирательными свойствами. Это весьма благоприятно влияет на из­ бирательность флотации. Напротив, пенообразователи, молекулы которых содержат карбоксильные полярные группы, обладают зна­ чительным собирательным действием и даже называются реагентами пенообразователями-собирателями. Слабым, но заметным собира­ тельным действием обладают пенообразователи с аминоили сульфогруппами.

Присутствие в молекуле пенообразователя одной — двух поляр­ ных групп вполне достаточно для них активного действия. Даль­ нейшее увеличение числа полярных групп не способствует улучше­ нию пенообразующего действия, а иногда даже снижает его.

142

Свойства пенообразователей во многом зависят и от строения и раз­ меров гидрофобного радикала. Наиболее простым и часто встреча­ ющимся является алифатический радикал ( — С Н 2 — С Н 2 — С Н 2 — СН 3 ) . Существует четкий максимум поверхностной активности и пенообразующего действия реагентов с разной длиной радикала, причем этот максимум несколько различен у реагентов с разными полярными группами. Зависимость между длиной алкильной группы спирта,

личивается (левая ветвь кривой 1 на рис. 42). Однако с достижением определенной (критической) длины радикала в действие вступает все сильнее взаимная ассоциация молекул. Гетероподярные моле­ кулы с короткими гидрофобными радикалами не сцепляются друг с другом. Этому противодействует сильная гидратация полярных групп, которую не могут преодолеть слабые дисперсионные силы сцепления аполярных радикалов на небольшом участке их контакта.

143

до 250

СН3

П р о д о л ж е н и е т а б л . 10