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
относительные доли поверхности твердого тела, приходящиеся
на гидрофильные χ
=
S2/S1–2
W
);
краевой угол смачивания гидрофильных участков поверхности
краевой угол смачивания гидрофобных участков поверхности
= σ
т-ж(1–2)
и гидрофобные χ2 участки (χ1 = S1/S
1
{ S
ж-г
[χ1 (cos1 – cos2) + cos2] + S
1–2
, χ2 =
1–2
;
1
2
}. (3.19)
ж-г
Зависимость смачивания химически неоднородной поверхности
сульфидов металла и его ксантогената от массовой доли последнего
приведена на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Зависимость смачивания химически неоднородной
поверхности, состоящей из сульфида металла и его ксантогената,
от массовой доли последнего (Б.Е. Горячев):
1 – PbS–Pb(X)
; 2 – Zn–Zn(X)2; 3 – CuS–CuX
2
Из рис. 3.5 следует, что с увеличением массовой доли гидрофобного соединения (ксантогената свинца, ксантогената цинка и ксантогената меди) в составе двухкомонентной поверхности показатель
смачивания (cosθ) снижается, что свидетельствует о повышении ее
гидрофобности.
Краевые углы смачивания некоторых минералов, по данным Г.С. Бергера, приведены в табл. 3.1.
В условиях флотации смачивание
поверхности минералов регули-
руют, дозируя флотационные реагенты.
Действие собирателей при флотации заключается в повышении
разности σ
т-г
– σ
[см. уравнения (3.3) и (3.5)], проявляющемся в
т-ж
31
увеличении краевого угла смачивания и росте флотационной силы
(3.16); действие подавителей флотации противоположно.
Таблица 3.1
Значения краевых углов смачивания некоторых минералов (Г.С. Бергер)
Минерал Химическая формула θ, °
Сера S 78
Тальк Mg3[Si4O10](0H)2 69
Графит C 55…60
Галенит PbS 47
Смитсонит ZnCO3 47
Халькопирит CuFeS2 46…47
Сфалерит ZnS 46
Вольфрамит CaWO
Пирит FeS
Антимонит Sb2S3 24
Малахит Cu2CO3(OH)
Кварц SiO
4
2
2
2
29
26…33
17
0…10
По данным Уорка, значения краевых углов смачивания различных
минералов, покрытых плотным слоем собирателя, близки. Гидрофобность поверхности минерала зависит от длины углеводородного
радикала собирателя: увеличение его длины приводит к росту краевого угла смачивания (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Зависимость краевых углов смачивания от типа собирателя (Уорк)
Тип собирателя
Ксантогенаты 60 74 72 70
Дитиофосфаты 59 76 – –
Меркаптаны 60 74 71 70
Тритиокарбонаты 61 74 – –
Монотиокарбонаты 61 73 – –
Этил (C2H5) Бутил (C4H9) Бензил (C6H5CH2) Фенил (C6H5)
Углеводородный радикал
С увеличением концентрации собирателя происходит рост краевого угла смачивания, что объясняют повышением плотности адсорбции собирателя на минеральной поверхности и изменением ее
дзета-потенциала. Адсорбция собирателя на поверхности минерала
влияет на гистерезис смачивания: повышение плотности адсорбционного слоя приводит к увеличению значений гистерезисных краевых углов смачивания (рис. 3.7–3.9).
32
Для экспериментального исследования влияния концентраций флотационных реагентов на значение краевого угла смачивания изучают
взаимодействие поверхности минералов с растворами переменных концентраций при постоянной температуре и строят изотермы смачивания.
Влияние концентрации додецилацетата аммония на краевой угол смачивания кварца и его адсорбцию на нем, дзета-потенциал и флотационное
извлечение кварца (рис
. 3.6) показывает корреляцию этих факторов.
Рис. 3.6. Влияние концентрации додецилацетата аммония на краевой
угол смачивания кварца, плотность адсорбции, дзета потенциал
и флотационное извлечение кварца (pH = 6…7, при 20…25 С):
1 – краевой угол смачивания; 2 – плотность адсорбции;
3 – дзета-потенциал; 4 – флотация
На рис. 3.7 показано влияние расхода этилового ксантогената калия и плотности его адсорбции на галените на краевой угол смачивания и флотационное извлечение геленита по объединенным данным
Годена, Уорка и Богданова.
Увеличение расхода собирателя увеличивает плотность его адсорбции на галените, что приводит к гидрофобизации его поверхности, проявляющейся в росте
краевого угла смачивания, и увеличе-
нию его флотационного извлечения.
На рис. 3.8 показаны результаты исследований Drelich с соавторами гистерезисных краевых углов натекания и оттекания, измеренных на поверхности флюорита при нанесении капли, от степени покрытия его покрытия 10-ундеценовой кислоты.
33
2
1
3
Флотационноеизвлечение,%
Краевойуголсмачивания,градус
Расходсобирателя,[мкмоль/кггаленита][0,1]
Плотностьадсорбции,%условногомонослоя
Рис. 3.7. Зависимость флотационного извлечения галенита, краевого
угла его смачивания от расхода собирателя и плотности адсорбции
этилового ксантогената калия:
2 – краевой угол (Уорк, 1934); 3 – адсорбция (Богданов, 1957)
1
1
1 – флотация (Годен, 1928);
2
2
Краевой угол смачивания, градус
Степень покрытия поверхности, %
Рис. 3.8. Зависимость гистерезисных краевых углов смачивания
поверхности флюорита от степени покрытия его покрытия
10-ундеценовой кислоты:
1 – угол натекания; 2 – угол оттекания
Зависимость извлечения галенита от плотности сорбции m этилово-
го ксантогената. по данным О.С. Богданова. изображена на рис. 3.9.
34
Рис. 3.9. Зависимость извлечения галенита от плотности
сорбции
m этилового ксантогената (О.С. Богданов)
Повышение плотности адсорбционного слоя собирателя на поверхности минералов приводит к росту значений гистерезисных
краевых углов смачивания, гидрофобизации минеральной поверхности и росту их флотационного извлечения.
Под характеристиками смачивания поверхности минерала понимают не только краевой угол смачивания, но и диаметр, высоту и
форму капли жидкости, смачивающей поверхность, или пузырька
воздуха
, закрепившегося на поверхности минерала, длину трехфазного периметра смачивания. Эти характеристики позволяют изучить
влияние типа флотационного реагента, изменение его концентрации
в жидкой фазе пульпы, а также других переменных факторов на гидрофобность минеральной поверхности.
Для оценки смачивания поверхности минералов используют разные методы исследований: расчет краевого угла смачивания по параметрам капли жидкости, метод измерения краевого угла при нанесении капли жидкости на поверхность шлифа минерала на воздухе,
закреплении пузырька воздуха на поверхности минерала в воде, измерение смачивания измельченных минералов и др.
Расчет краевого угла смачивания по параметрам капли
жидкости, смачивающей поверхность твердого тела
Одним из методов является расчет краевого угла смачивания по
параметрам капли жидкости. На поверхность минерала (ровную, однородную) наносят каплю жидкости (воды) постоянного объема и
проводят прямые измерения радиуса (диаметра) и высоты капли
жидкости (рис. 3.10).
35
г
ж
r
R
минерал
θ
р
h
Рис. 3.10. К расчету краевого угла смачивания
по параметрам капли жидкости
Метод применим, если форма капли в условиях равновесия близка
к сферической или является сегментом шара. Тогда краевой угол
смачивания рассчитывают, используя формулы:
22
rh
при θ < 90°
при θ > 90°
cos ;
cos 1 ,
p
p
22
rh
(3.20)
h
(3.21)
r
где r – радиус основания капли жидкости; h – высота капли.
Следует отметить, что особенностью равновесного краевого угла
смачивания θ
является его независимость от расположения и размера
p
граничащих фаз, сил гравитации и других факторов, которые не оказывают влияние на значения σ на границах раздела фаз. Например, θ
не
p
должен зависеть от объема капли жидкости или пузырька воздуха.
При смачивании поверхности каплей большого объема может наблюдаться искажение ее радиуса и высоты, отклонение ее формы от
сферы. В этом случае краевой угол смачивания можно рассчитать с
учетом объема капли (V) по следующей формуле:
2
31cos
rh
V
2cos
.
(3.22)
Выражения (3.20) – (3.22) справедливы для идеальных поверхностей, когда формой трехфазного периметра смачивания является окружность. При смачивании поверхностей большинства минералов
форма трехфазного периметра смачивания отличается от окружности
вследствие гетерогенности поверхности.
36
Измерение краевого угла смачивания нанесением
капли жидкости на поверхность минерала
Данный метод широко распространен, прост и заключается в нанесении капли жидкости постоянного объема на ровную горизонтальную
поверхность минерала на воздухе. В основе метода, как правило, лежат
модификации прибора П.А. Ребиндера. Измерение краевых углов проводят как при измерения характеристик смачивания проекции капли
жидкости на поверхности минерала с использованием измерительных
инструментов (транспортир, кульман и др.), так и с помощью более современных методов, например увеличения изображения капли под микроскопом или фотографирования ее изображений с использованием фотокамер и анализа изображений на персональном компьютере.
Поверхность минерала (шлиф или аншлиф) перед измерениями
шлифуют, полируют и очищают от загрязнений. Как правило, в
измерениях используют дистиллированную воду и реагенты в виде
растворов химически чистых веществ переменных концентраций.
В качестве примера рассмотрим измерение физико-химических
характеристик смачивания на установке, приведенной на рис. 3.11.
Рис. 3.11. Схема установки для измерения физико-химических
характеристик смачивания (А.А. Николаев):
3 – предметный столик с поворотной осью; 4 – микрошприц; 5 – объектив;
6 – цифровая видеокамера; 7 – персональный компьютер;
8 – платформа с виброизоляцией; 9 – минерал; 10 – капля жидкости
1 – микроскоп; 2 – осветитель;
37
Установка для измерения краевых углов смачивания включает
микроскоп 1, оптическая ось которого параллельна горизонтальной
плоскости, осветитель 2, предметный столик с поворотной осью 3
для размещения на нем минерала, микрошприц 4 для смачивающей
жидкости, объектив 5, цифровую видеокамеру 6, подсоединенную к
персональному компьютеру 7. Установка закреплена на виброизоляционной платформе 8.
Измерение краевого
угла смачивания нанесением капли жидкости
на поверхность твердого тела является, на первый взгляд, несложным методом измерения краевого угла смачивания, однако требует
целого ряда рутинных подготовительных мероприятий, точности и
аккуратности при проведении измерений с каплями малого объема и
серии параллельных опытов. Поиск мономинеральных образцов достаточных размеров и с ровной
поверхностью порой представляет непростую задачу, так как такие образцы редки, а минералы, как правило, находятся в сростках, имеют дефекты и разрушаются при выделении образцов.
Для изучения влияния реагентов на физико-химические характеристики смачивания требуется приготовление рабочих растворов переменных концентрации, pH и других условий. Требуется выдерживать поверхность
минерального образца в растворах флотационных
реагентов заданное время для обеспечения их взаимодействия с поверхностью, после чего поверхность промывают дистиллированной
водой, удаляют ее остатки с поверхности и наносят каплю для проведения измерений.
Измерения краевых углов проводят сразу после нанесения капли
жидкости постоянного объема на поверхность минерала. Также могут
быть замерены высота и диаметр капли. Как правило, измеряют
краевые углы смачивания с левой θ
и правой θп стороны медиально-
л
го сечения капли, после чего рассчитывают среднее значение:
лп
;
(3.23)
2
n
1
i
с
.
(3.24)
n
где n – число параллельных опытов.
Как правило, минимальное количество капель жидкости в одной
серии опытов равно пяти.
38
В большинстве случаев поверхность минералов является химиче-
L
ски неоднородной, что на практике приводит к изменению краевого
угла смачивания по длине трехфазного периметра.
Поэтому для измерения характеристик смачивания неоднородных
поверхностей желательно проводить «сканирование» всего периметра
смачивания. Один из таких способов реализуется следующим образом:
проводится измерение краевых углов смачивания, диаметра и высоты
капли
, нанесенной на поверхность твердого тела (аншлифа), после чего минерал с каплей поворачивается в горизонтальной плоскости на
заданный угол и проводятся аналогичные измерения. Процедура повторяется до тех пор, пока угол поворота не достигнет 360. Пример
результатов измерения характеристик поверхности твердого тела с
помощью капли воды на воздухе приведен на
рис. 3.12.
, см
Рис. 3.12. Форма трехфазного периметра смачивания (а) и распределение
краевого угла смачивания по его длине (
неоднородной поверхности твердого тела, состоящего из хромата свинца
и ксантогената свинца (Б.Е. Горячев и А.А. Николаев)
б) при смачивании химически
39
Поверхность твердого тела состоит из участков, представленных
хроматом свинца (гидрофильное соединение) и бутиловым ксантогенатом калия (гидрофобное соединение), что приводит к скачкообразному изменению краевого угла смачивания на длине периметра смачивания и его формы. Когда участок капли на длине трехфазного периметра смачивания (ТПС) попадает на гидрофобный участок, краевой
угол увеличивается, а на гидрофильный – понижается. С повышением химической неоднородности поверхности при увеличении
доли гидрофильного компонента в ее составе форма периметра смачивания больше отличается от окружности, а его длина возрастает.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]