Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические методы исследования флотационных систем. Жидкая фаза. Граница раздела фаз твердое–жидкость. Учебное пособие
.pdf
№ 2252
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Кафедра обогащения и переработки полезных ископаемых
и техногенного сырья
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
А.А. Николаев
Физико-химические методы
исследования флотационных
систем
Жидкая фаза. Граница раздела фаз
твердое–жидкость
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2017
УДК 622.765
Н63
Рецензент
д-р техн. наук, проф. В.В. Морозов
Николаев А.А.
Н63 Физико-химические методы исследования флотационных
систем : Жидкая фаза. Граница раздела фаз твердое–жидкость :
учеб. пособие / А.А. Николаев. – М. : Изд. Дом НИТУ
«МИСиС», 2017. – 65 с.
ISBN 978-5-906846-72-3
Приведены основные методы физико-химических исследований флотационных систем. Рассмотрены методы измерения поверхностного натяжения,
pH и окислительно-восстановительного потенциала жидкой фазы, концентраций некоторых ионов, электрокинетического потенциала, адсорбции.
Описаны методы изучения физико-химических характеристик смачивания
поверхности минералов и взаимодействия минеральных зерен с пузырьками
воздуха.
Предназначено для студентов магистратуры, обучающихся по направлению подготовки 22.04.02 «Металлургия», магистерская программа «Технология минерального сырья». Может быть рекомендовано студентам, обучающимся по другим магистерским программам направления подготовки «Металлургия».
ISBN 978-5-906846-72-3
2
УДК 622.765
А.А. Николаев, 2017
НИТУ «МИСиС», 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Измерение поверхностного натяжения растворов
флотационных реагентов на границе раздела фаз жидкость–газ ......... 4
2. Измерение pH и окислительно-восстановительного
потенциала жидкой фазы пульпы ......................................................... 10
3. Методы исследования физико-химических
характеристик смачивания минералов ................................................. 24
4. Методы измерения времени индукции в условиях флотации ........ 41
5. Измерение электрокинетического (дзета) потенциала ................... 50
6. Изучение адсорбции на границе раздела фаз
твердое–жидкость ................................................................................... 58
Библиографический список
................................................................... 63
3
1. ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
РАСТВОРОВ ФЛОТАЦИОННЫХ РЕАГЕНТОВ
НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ ЖИДКОСТЬ–ГАЗ
Поверхностным натяжением на границе раздела фаз жидкость–газ
называют работу изотермического обратимого процесса, затраченную на образование единицы поверхности раздела фаз жидкость–газ.
Поверхностное натяжение γ
верхностной энергии, приходящейся на единицу межфазной поверхности, и выражается в джоулях на квадратный метр (Дж/м
лу, действующую на периметре раздела фаз (Н/м). Повышение различий межмолекулярных взаимодействий между фазами приводит к
росту поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение зависит от температуры и концентрации раствора. Повышение температуры приводит к снижению поверхностного натяжения. Влияние реагентов может быть различным.
В случае, если растворяемый реагент понижает
жение, его относят к поверхностно-активным веществам (ПАВ), для
которых зависимость поверхностного натяжения обратно пропорциональна концентрации. Реагенты, которые приводят к снижению
поверхностного натяжения – неорганические соединения–
электролиты.
Во флотации часто требуется понижать поверхностное натяжение
на границе раздела фаз жидкость–газ. Для понижения поверхностного
натяжения используют флотационные реагенты –пенообразователи и
собиратели, к которым относят спирты, органические кислоты и их
производные, амины и др. Например, при 20 °С поверхностное натяжение воды составляет 72,8 мДж/м
шение температуры приводит к росту поверхностного натяжения на
границе раздела жидкость–газ. Поэтому в качестве ПАВ во флотационных системах можно использовать реагенты-пенообразователи и
некоторые собиратели.
Известны две группы методов измерения поверхностного натяжения – статические и динамические. Примером статического метода
измерения поверхностного натяжения является метод капиллярного
поднятия жидкости.
Динамические методы включают метод максимального давления, сталагмометрический метод, метод отрыва кольца, метод пластинки Вильгельми и др. (рис. 1.1).
характеризует избыток свободной по-
2
) или си-
поверхностное натя-
2
, а этанола 22,0 мДж/м2. Повы-
4
а
Рис. 1.1. Методы измерения поверхностного натяжения:
а – максимального давления; б – сталагмометрический;
в – отрыва кольца; г – уравновешивания пластинки Вильгельми
б
в
г
Метод максимального давления заключается в формировании пу-
зырька воздуха (газа) в исследуемой жидкости под внешним давлением P через капилляр радиуса r . Радиус кривизны пузырька воздуха в начальный момент времени максимальный. Повышение внешнего давления приводит к росту пузырька воздуха и уменьшению радиуса кривизны, а форма пузырька становится сферической
. Рост
пузырька воздуха происходит до момента, когда внутреннее давление достигнет своего максимального значения, а радиус кривизны
пузырька становится минимальным (равным радиусу капилляра).
Дальнейшее увеличение размера пузырька не требует повышения
внешнего давления, так как в соответствии с уравнением Лапласа
увеличение радиуса пузырька приводит к снижению внутреннего
давления в нём:
2
ж-г
P
, (1.1)
r
где γ
– поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость–
ж-г
газ; r – радиус капилляра (пузырька).
В дальнейшем это приводит к тому, что воздух в капилляре подводится к уже сформировавшемуся пузырьку, следствием чего является отрыв пузырька от капилляра.
Таким образом, данный метод заключается в измерении максимального давления внутри пузырька воздуха и
расчете на основе этих дан-
ных поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость–газ:
5
rP
K
ж-г
,
(1.2)
2
где r – радиус капилляра.
Если измерить радиус капилляра трудно или не представляется
возможным, то исследователь может использовать относительный
метод. Метод заключается в том, что сначала определяют максимальное давление внутри капилляра для стандартной жидкости, например воды, а поверхностное натяжение для исследуемой жидкости
на границе раздела с газом находят по
где γ
ст
и Pст – поверхностное натяжение и давление для стандарт-
ж-г
ж-г
формуле
ст
P
ж-г
(1.3)
,
P
ст
ной жидкости.
При использовании метода максимального давления следует учитывать гидростатическое давление слоя жидкости над пузырьком.
Сталагмометрический метод измерения поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость–газ заключается в определении
веса капли исследуемой жидкости, которая отрывается от капилляра
(рис. 1.1, б). Отрыв капли жидкости
от капилляра происходит под дей-
ствием силы тяжести. Выдавливание капли из капилляра можно проводить при помощи микрошприца или другого устройства.
Принимают допущение о том, что вес капли уравновешивается
силой, равной поверхностному натяжению на границе жидкость-газ,
умноженному на длину окружности капилляра:
2 r
Q
ж-г
, (1.4)
k
где Q – вес капли; k – коэффициент пропорциональности.
Поверхностное натяжение рассчитывают по формуле
ж-г
kQ
2
r
,
m
(1.5)
где K – постоянная сталагмометра; m – масса капли жидкости; r –
радиус капилляра.
Как правило, отрыв капли наблюдается в шейке, радиус который
меньше радиуса капилляра. Поэтому для расчета действительной ве-
6
личины поверхностного натяжения следует вводить поправочные
F
Fl
коэффициенты, рассчитываемые с учетом радиуса капли и ее объема,
что часто вызывает трудности.
Обычно поверхностное натяжение исследуемой жидкой фазы
данным методом находят следующим образом: подсчитывают число
капель стандартной жидкости, для которой известно поверхностное
натяжение (например, дистиллированной воды), а потом для исследуемой. Поверхностное натяжение находят
0
n
0 и
0
где γ
– поверхностное натяжение на границе жидкость–газ
ж-г
для стандартной жидкости; n
ж-г
ж-г
n
и 0
и n0 – число капель исследуемой
и
по формуле
,
(1.6)
и стандартной жидкости, вытекающей из сталагмометра;
ρ
и ρ0 – плотность исследуемой и стандартной жидкости;
и
В методе отрыва кольца (рис. 1.1, в) тонкое кольцо медленно отрывают от поверхности исследуемой жидкости, измеряя силу, необходимую для его отрыва:
4,r
F
ж-г
(1.7)
k
где k – поправочный коэффициент.
По экспериментально измеренным значениям силы отрыва рассчитывают поверхностное натяжение:
k
ж-г
. (1.8)
r
4
Метод пластинки Вильгельми (рис. 1.1, г) заключается в измерении силы, необходимой для извлечения тонкой пластинки из исследуемой жидкости:
2,
(1.9)
ж-г
где l – ширина пластинки.
Тогда
ж-г
.
(1.10)
2Fl
7
Метод капиллярного поднятия. Основу метода составляет зави-
g
симость высоты поднятия жидкости в узком капилляре от ее поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Лапласа избыточное давление связано с высотой в том случае, если жидкость хорошо
смачивает стенки капилляра, а диаметр капилляра остается постоянным по высоте. В более тонких капиллярах
удается провести более
точные измерения поверхностного натяжения.
В методе капиллярного поднятия измеряют высоту поднятия
жидкости в капилляре и краевой угол смачивания внутренних стенок
капилляра этой жидкостью. Поверхностное натяжение рассчитывают
по формуле Жюрена:
ж-г
2cos 2cos
(1.11)
,
2
hr a g
где Δρ – разность плотностей жидкости и газа; g – ускорение свобод-
ного падения; h – высота поднятия жидкости в капииляре; a – капиллярная постоянная; θ – краевой угол смачивания стенок капилляра жидкостью.
По результатам измерений поверхностного натяжения растворов с
переменной концентрацией (C) ПАВ одним из рассмотренных методов строят изотермы поверхностного натяжения, (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Изотерма поверхностного натяжения растворов ПАВ:
1–3 – водные растворы разных ПАВ
8
Поверхностное натяжение растворов ПАВ на границе раздела фаз
жидкость–газ подчиняется уравнению Шишковского:
ж-г(р) ж-г(0)
ln(1 ).abC
(1.12)
После преобразования уравнения (1.12) в линейный вид
ж-гж-г(р) ж-г(0)
ln ln ,aCab
(1.13)
где a и b – константы уравнения Шишковского, которые находят
аналитическим или графическим методом.
ln 0C
(ln )fC
), находят b.
Из тангенса угла наклона функции
находят a, после
ж-г
чего по отрезку, отсекаемому на оси ординат (
9
2. ИЗМЕРЕНИЕ pH И ОКИСЛИТЕЛЬНО-
ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА
ЖИДКОЙ ФАЗЫ ПУЛЬПЫ
Флотационное обогащение происходит в пульпе, жидкой фазой которой является вода, содержащая флотационные реагенты. Жидкую
фазу флотационной пульпы можно рассматривать как ионные, молекулярные или коллоидные растворы. Растворение минералов происходит в случае, если энергия кристаллической решетки минерала существенно ниже энергии гидратации минеральной поверхности.
В природных водах растворены карбонат- и
ионы магния, калия, натрия, кальция, сульфат-ионы, ионы галоидов,
железа, марганца и других соединений. В жидкой фазе присутствуют
газы, находящиеся в молекулярной форме: кислород, углекислый газ,
сероводород, азот. Отдельно необходимо отметить присутствие в
жидкой фазе различных форм органических и неорганических соединений, образующихся при дозировании флотационных реагентов.
Состав
процесс флотации.
жидкой фазы пульпы оказывает существенное влияние на
Вода слабо диссоциирует на ионы, константа ее электролитической диссоциации при 25
С составляет 1,86·10
гидрокарбонат-ионы,
–16
:
H
+
где [H
], [OH–] и [H2O] – равновесные концентрации-ионов водорода,
O = H+ + OH–; (2.1)
2
+
(2.2)
,
2
K
HO
2
[H ][OH ]
[H O]
гидроксид ионов и воды, моль/л.
Так как равновесная концентрация воды при 25
С составляет
55,56 моль/л (молярная масса воды ≈ 18 г/моль, ее плотность ≈ 1000 г/л),
то произведение
K ·[H2O] составляет 10
HO
2
–14
, а выражение (2.1) за-
писывают в виде
+14
[H ][OH ] 10
K
w
(2.3)
и называют ионным произведением воды.
Водородный показатель (pH) равен отрицательному десятичному
логарифму активности ионов водорода:
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]