книги из ГПНТБ / Глембоцкий В.А. Флотация учебник

быть непосредственно измерены. При равновесном закреплении пузырька воздуха на твердой поверхности из условий равновесия точки на трехфазном контакте справедливо следующее соотношение:

° V r — °"т-ж = 0"ж-г C O S в .

В этом случае силы, стремящиеся передвинуть линию, по кото­ рой пузырек контактирует с твердой поверхностью (трехфазный;

Вода (ж)

Рис. 51. Силы, действующие на трехфазный периметр смачивания

периметр смачивания), влево и вправо, взаимно уравновешиваются (рис. 51).

Тогда

Уравнения (1) и (2) показывают, что убыль свободной энергии системы тем больше, чем больше краевой угол смачивания. Другими

словами, чем гидрофобнее поверхность минерала, тем лучше его прилипание к воздушному пузырьку.

Уравнения (1) и (2) свидетельствуют о том, что убыль свободной энергии системы тем меньше, чем ниже а ж - г , т. е. флотационная активность поверхности снижается при снижении о*ж _г . Однако на практике реагенты-пенообразователи, которые всегда несколько

пузырьков воздуха и увеличивая их устойчивость в пульпе и пене.

(закон Генри). Поэтому при понижении давления из воды, содержа­ щей растворенные газы в количестве, близком к насыщению, будут выделяться мельчайшие пузырьки газов.

Возникшие пузырьки обладают свободной поверхностной энер­

Отсюда

Ц\ = Ы* [ о - ж . г - | ( р п - р )

Если пузырек возникает не в объеме воды (будучи со всех сто­ рон окруженным ею), а на твердой поверхности, то приходится затрачивать работу

178

пузырька на твердой поверхности требует меньшей затраты энергии, чем это необходимо при возникновении пузырька в объеме воды. Чем больше в , тем легче пузырьку газов возникнуть на данной поверхности [102].

Другими словами, чем гидрофобнее поверхность частицы мине­ рала, тем вероятнее образование на ней пузырьков газов, выделив­

Кроме двух отмеченных способов образования агрегатов мине­ рал — пузырек при флотации имеет место и третий, комбинирован­ ный способ (выявленный и исследованный В. И. Классеном), при котором на частице минерала вначале возникает, выделяясь из рас­ твора, мелкий пузырек. К этому пузырьку прикасается более круп­

Мелкий пузырек как бы активирует поверхность минерала,, улучшая ее прилипание к другим пузырькам. При таком «коалесцентном» механизме прилипания зерна к пузырьку убыль свободной

Кинетический анализ процессов образования комплекса мине­ рал — пузырек при флотации, в отличие от термодинамического анализа, производится с максимально возможной расшифровкой молекулярного механизма этих процессов при обязательном учете изменений, происходящих с течением времени.

Такой анализ был осуществлен только в последние годы благо­ даря работам советских ученых: А. Н. Фрумкина, П. А. Ребиндера, Б. В. Дерягина и др., давших новые представления относительно сущности процессов смачивания и свойств гидратных слоев, окружаю­ щих зерна и пузырьки воздуха в водной среде [195, 237].

Прослойка воды, разделяющая сближающиеся частицу и пузы­ рек, состоит из двух частей, обладающих различными свойствами. Относительно толстый слой воды h1, несколько удаленный от поверх­ ностей частицы и пузырька, не обладает какими-либо особенными свойствами (рис. 52, а). У поверхностей же зерна и пузырька име­ ются гидратные слои, обладающие специфическими свойствами.

Прослойка неизменной воды удаляется из щели между частицей

минерала и пузырек воздуха (рис. 52, б). Молекулы воды в гид-

Вначале, до соприкосновения гидратных оболочек частицы и пузырька, утончение прослойки воды между ними происходит без возрастания свободной энергии этой прослойки, поскольку удаля­ ется вода, молекулы которой легкоподвижны. Начиная с точки б, свободная энергия возрастает. Другими словами, для компенсации временного возрастания свободной энергии системы приходится затрачивать дополнительную энергию.

По достижении некоторого критического расстояния h3 (см. рис. 52,в) прослойка воды становится тонкой и крайне неустойчи­ вой. Начиная с этого момента, свободная энергия прослойки при дальнейшем утончении ее начинает резко снижаться (см. рис. 53). Следовательно, в данной стадии прилипание осуществляется само­ произвольно с очень большой скоростью. Пузырек как бы скачко­ образно слипается с частицей, контактируя с ней по определенной

•180

площадке диаметром а (см. рис. 52, г). Эта площадка называется площадью контакта, а окружающая ее линия — контуром (пери­ метром) контакта (см. рис. 51).

После прилипания при большой гидрофобности поверхности пло­ щадь контакта может еще увеличиться в результате его расширения.

На поверхности площади контакта обычно остается тончайшая (толщиной /г4 , см. рис. 52, г), сопоставимая с молекулярными раз­ мерами пленка воды, находящаяся в равновесии с парами воды внутри пузырька. Эта пленка очень прочно связана с твердой поверх­ ностью и является как бы ее продолжением. Удаление этой пленки крайне затруднительно и связано с увеличением свободной энергии системы (восстающий участок г — д кривой на рис. 53) и сопряжено с за­ тратой большого количества внешней энергии.

Механизм слипания частицы минерала с пузырьком при их столкновении

Кинетика разрушения прослойки воды, разделяющей пузырек и ча­ стицу минерала, определяет кинетику процесса их слипания при столкно­ вении.

Частица и пузырек должны столкнуться в пульпе с некоторой силой, необходимой для преодоления сопротивления водной про­ слойки разрушению. Время их контакта должно быть таким, чтобы вода успела удалиться из зазора между поверхностями частицы и пузырька. Сила столкновения и время контакта могут быть тем меньше, чем гидрофобнее поверхность частицы минерала.

Влияние реагентов, изменяющих гидратированность поверхности минеральных частиц, на время контакта, необходимое для прилипа­ ния, установлено измерениями.

Имеются контактные приборы (конструкции Свен — Нильсона, М. А. Эйгелеса [248], В. А. Глембоцкого [30], которые при по­ мощи различных приспособлений позволяют касаться пузырьком, закрепленным в держателе 2 (рис. 54), поверхности порошка, находя щегося в кювете 1. Время контакта с пузырьком можно изменять от тысячных долей секунды до минут и часов. При помощи контактных приборов установлено, что реагенты-собиратели повышают скорость прилипания. Реагенты-подавители, наоборот, замедляют прилипание.

Существенное влияние на прилипание оказывает также форма частицы. Если частица ударяется о пузырек острым выступом, то условия разрушения гидратной прослойки и удаления воды из зазора улучшаются. Наоборот, при столкновении с пузырьком большой плоской грани частицы удаление воды затруднено, и прилипание минерала к пузырьку ухудшается.

181

Столкновение частицы с пузырьком может сопровождаться после­ дующим скольжением ее по поверхности пузырька, во время кото­ рого также происходит разрушение гидратной оболочки. Процесс скольжения зерен по пузырькам при флотации экспериментально изучен О. С. Богдановым [13] и другими, а прилипание при первом контакте — Д. И. Брауном и П. Ф. Веланом [256].

Выше рассматривался механизм слипания при столкновении единичной частицы с пузырьком. В пульпе флотационной машины в каждую секунду происходит бесчисленное количество таких столк­ новений, и процесс прилипания частиц к пузырькам носит стати­ стический характер. Определенная часть этих столкновений окан­

Обычно не удается достичь очень резкого различия гидратированности поверхности всех флотируемых и нефлотируемых минера­ лов и, кроме того, невозможно обеспечить лучшие условия для при­ липания к пузырькам воздуха всех частиц, подлежащих переводу в пену. Поэтому при флотации практически никогда не достигается 100%-ное извлечение минералов в абсолютно чистые от примесей концентраты и небольшая часть минеральных частиц, подготовлен­ ных к флотации, не переходит в пену. Наряду с этим в пену попа­ дает некоторое количество минералов пустой породы. Основная задача при флотации состоит в создании условий, обеспечивающих возможно более полное разделение минералов.

при столкновении частицы с пузырьками, но и в результате выделе­ ния последних из раствора [ 10*2].

Кинетика возникновения пузырька показана на рис. 55.

После понижения давления и возникшего вследствие этого пере­ сыщения раствора газов в воде пульпы в течение некоторого (весьма короткого) отрезка времени 1 пузырьки не образуются. В это время молекулы газов перемещаются к участкам, где им легче объеди­ ниться, разорвать связи, существующие между молекулами воды, и образовать пузырек. Когда в таком участке накопится достаточ-

182

ио о количество молекул газов, то они под действием сил Ван-дер- Ваальса (молекулярных) в отрезок времени 2 объединяются и обра­

Для того чтобы зародыш пузырька был устойчивым, его радиус должен быть достаточно большим. Капиллярное давление в пузырьке Р зависит от его радиуса R и от по­

верхностного натяжения о ж - г :

2сгя

Обозначим через р — давление газа, при котором происходило насыщение, рг — внешнее давление газа на жидкость после сниже­ ния давления. Тогда из условия нерастворения пузырька давление газа внутри него, складывающееся из внешнего р± и капиллярного Р, должно равняться р. Отсюда

кулы воды от твердой поверхности, чем оторвать их друг от друга. Чем менее гидратирована минеральная поверхность, тем легче пузырьку возникнуть на ней.

Как и прилипание частиц к пузырькам при столкновении, выде­ ление пузырьков из раствора на частицах имеет статистический

183

характер. Результаты флотации этими пузырьками определяются вероятностью их возникновения на данных минеральных частицах. Эта вероятность возрастает с увеличением гидрофобности поверх­ ности частиц и пересыщения раствора газов в воде.

Очень часто пузырьки, выделившиеся из раствора, имеют слиш­ ком малые размеры и не в состоянии поднять минеральные частицы в пену. Однако и такие пузырьки способствуют ускорению флотации, облегчая прилипание к частицам минерала более крупных пузырь­ ков, имеющих достаточную подъемную силу.

Анализ ограниченных сведений о практике работы машин с выде­ лением газа из раствора и некоторые опыты показывают, что флота­ ция таким путем зависит не только от конечного перепада давлений, но и от кинетики понижения давления. Если давление падает резко и возникает большое пересыщение раствора газов в воде, то пузырьки возникают менее избирательно на частицах даже с весьма различной гидратированностью поверхности. Это приводит к понижению изби­ рательности флотации. Кроме того, в данном случае образуются относительно крупные пузырьки и растворенных газов может не хватить для полного извлечения флотируемых зерен.

§3. Закрепление минеральных частиц на пузырьках

Впульпе флотационных машин возникают различные силы, стре­ мящиеся оторвать от пузырька прилипшие к нему частицы минерала.

Кэтим силам относятся силы трения, тяжести частиц и силы инер­ ции. Наибольшее значение имеют силы инерции [102, 106]. Минера­ лизованные пузырьки движутся по изогнутым траекториям, то замедляя, то ускоряя свое движение. Силы инерции, пропорциональ­ ные массе частиц, обычно стремятся оторвать их от пузырьков. В том же направлении действуют и силы, возникающие при столкновении пузырьков друг с другом, с деталями машины, а также силы трения поверхности пузырьков о пульпу и о другие пузырьки.

Работа силы тяжести А при равномерной скорости всплывания пузырька может быть определена по формуле, выведенной К. Ф. Бе - логлазовым [7],

выше плотность частицы и особенно чем больше ее размеры (при прочих равных условиях размеры площади прилипания пропорцио­ нальны размерам частицы). При возникновении инерционных сил вероятность отрыва значительно возрастает.

184

Для того чтобы противостоять этим воздействиям и не оторваться от пузырька, минеральная частица должна закрепиться на нем достаточно прочно.

Общее уравнение, определяющее прочность прилипания пузырька газа к твердой поверхности в статических условиях, выведено Б. В. Кабановым и А. Н. Фрумкиным следующим образом [90].

Сила прилипания пузырька Fnp, с которой он удерживается поверхностью минерала, действует по периметру площади контакта пузырька и минерала и равна произведению величины этого пери­ метра па на значение вертикальной состав­ ляющей поверхностного натяжения о ж _ г

s i n в , как бы притягивающего твердую по­ верхность к оболочке пузырька:

Гидростатическая сила подъема пузырька жидкостью F, со ­ гласно закону Архимеда,

Для определения условий равновесия необходимо учесть, что давление внутри пузырька больше гидростатического давления в окружающей пузырек жидкости вследствие капиллярного давления.

Разница давлений в жидкости и газе у основания пузырька составит

где h — высота пузырька, см (давление газа во всех участках пу­ зырька практически одинаково, а давление воды у основа­ ния пузырька возрастает по сравнению с давлением у его вершины на величину гидростатического давления hgp).

Это разница давлений внутри пузырька и вне его приводит к появлению добавочной силы отрыва, равной произведению площади

185

Таким образом, полное условие равновесия пузырька на твердой поверхности выражается следующим уравнением:

по линии трехфазного контакта. Чем жестче закреплена эта линия, тем прочнее прилипание. Поэтому гистерезис смачивания обычно увеличивает устойчивость прилипания.

Применительно к реальным условиям флотации уравнение (5) преобразовано Н. В. Матвеенко следующим образом. Учитывая [106], что силы отрыва возникают также вследствие инерции частиц, и отнеся суммарную силу отрыва к единице длины трехфазного периметра,

Если рассмотреть подробнее кинетику отрыва пузырька от твер­ дой поверхности, то можно заметить, что он начинается с сокраще­ ния площади прилипания. В этой стадии вода вытесняет воздз^х с поверхности площади контакта. Чем гидрофобнее поверхность, тем труднее осуществляется этот процесс, тем менее вероятен отрыв пузырька от твердой поверхности.

Кроме гидрофобности поверхности, на прочность прилипания частиц к пузырьку влияет также наличие на этой поверхности острых выступов и ребер. Наблюдениями П. А. Ребиндера установлено, что острые ребра «...всегда являются труднопреодолимой преградой для периметра смачивания, так что, когда при смачивании тел пери­ метр доходит до ребра, то он задерживается на ребре...» [191]. Термодинамическое объяснение этого явления заключается в том, что при изгибе площади прилипания происходит значительное увели­ чение свободной энергии системы, поэтому для того, чтобы передви­ нуть трехфазный периметр смачивания, необходимо дополнительно произвести определенную работу.

180