- •Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды»
- •Часть I
- •Обезвоживание и методы очистки сточных вод
- •Введение
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу
- •1.1 Понятие «энтропия». Принцип существования и возрастания энтропии
- •1.2. Энергоэнтропийная концепция аварийности и травматизма
- •1.3. Воздействие промышленного производства на природу. Ресурсосберегающая технология. Материальный баланс производства
- •1.4. Классификация основных процессов
- •1.5. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
- •1.5.1. Материальный баланс
- •1.5.2. Энергетический баланс
- •1.5.3. Интенсивность процессов и аппаратов
- •1.5.4. Определение основных размеров аппаратов
- •1.5.5. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем
- •2.1. Методы обезвоживания
- •2.2. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом
- •2.3. Влагоудерживающая способность твердых тел. Влияние основных факторов на степень обезвоживания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов
- •3.1. Обезвоживание кускового материала дренированием
- •3.1.1. Гидродинамика течения жидкости под влиянием собственного веса в порах осадка
- •3.2. Отстаивание под действием силы тяжести
- •3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий
- •3.2.2. Способы выражения и расчета концентрации твердого в пульпе
- •3.2.3. Исследование скорости расслоения суспензий I-го и II-го классов методом длинной трубки
- •3.2.4. Качественное описание процесса расслоения суспензий III и IV классов
- •3.2.5. Расчет удельной поверхности сгущения по методу Коу и Клевенжера
- •3.2.6. Расчет удельной поверхности по методу Кинча
- •3.2.7. Определение высоты сгустителя
- •3.2.8. Пример расчета сгустителя по методу Кинча
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании
- •4.1. Основные понятия
- •4.2. Особенности применения гидроциклонов для обезвоживания
- •Порядок расчета гидроциклона.
- •4.3. Особенности применения центрифуг для сгущения суспензий
- •4.4. Основные закономерности разделения суспензий в осадительных центрифугах. Индекс производительности
- •4.5. Физические основы разделения суспензий в фильтрующих центрифугах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Фильтрование
- •5.1. Основные понятия. Классификация
- •5.2. Физические основы фильтрации с образованием осадка. Гидродинамика течения жидкости через пористые и зернистые слои
- •5.3. Основное уравнение фильтрации
- •5.4. Определение оптимальных условий работы фильтров. Экономически выгодный цикл фильтрации
- •5.5. Применение уравнения фильтрации. Определение удельного сопротивления осадка и его сжимаемости
- •5.6. Фильтровальные перегородки
- •5.7. Конструкции фильтров. Периодически и непрерывно действующие. Классификация. Фильтры, работающие под давлением. Вакуум-фильтры. Способы снятия осадка
- •5.8. Выбор и расчет фильтров
- •5.9. Схемы подсоединения вакуум-фильтров
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Агрегирование
- •6.1. Теория процесса агрегирования. Механизмы встреч частиц друг с другом. Понятие о расклинивающем давлении Теория процесса агрегации
- •Два механизма соударения или встречи частиц
- •6.2. Три слагающие поверхностных сил (расклинивающего давления). Двучленный закон взаимодействия
- •6.3. Силы Ван-дер-Ваальса. Слагающие сил Ван-дер-Ваальса. Ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами и конденсированными фазами Силы Ван-дер-Ваальса
- •Электромагнитная теория взаимодействия конденсированных фаз
- •6.4. Природа ионно-электростатических сил. Закономерность изменения их вглубь раствора
- •6.5. Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)
- •6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция
- •6.7. Основные принципы селективной агрегации частиц
- •6.8. Характеристика применяемых высокомолекулярных синтетических флокулянтов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Абсорбция
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Равновесие при абсорбции
- •7.3. Материальный и тепловой балансы процесса
- •7.4. Скорость процесса
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8. Адсорбция
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Характеристики адсорбентов и их виды
- •8.3. Равновесие при адсорбции
- •8.4. Кинетика адсорбции
- •8.5. Десорбция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Флотация
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Теоретические основы процесса флотации
- •9.3.Флотационные реагенты и их классификация
- •9.4. Механизм действия собирателей
- •9.5. Реагенты-депрессоры
- •9.6.Реагенты-активаторы
- •9.7. Реагенты-регуляторы среды
- •9.8. Реагенты-пенообразователи
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Экстракция
- •10.1 Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость
- •10.1.1. Общие сведения
- •10.1.2. Равновесие в системах жидкость - жидкость
- •10.1.3. Методы экстракции
- •10.2. Процессы растворения и экстракции в системах твердое тело - жидкость
- •10.2.1. Общие сведения
- •10.2.2. Равновесие и скорость выщелачивания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Сушка
- •11.1. Основные понятия. Параметры, подлежащие расчету
- •11.2. Равновесное содержание влаги при сушке. Кинетика сушки. Понятие о напряжении объема сушилки
- •11.3. Основные параметры влажного воздуха
- •11.5. Изображение процессов изменения состояния воздуха на j - X на диаграмме
- •11.6. Материальный и тепловой балансы сушки
- •11.7. Расчет удельных расходов воздуха и тепла на сушку
- •11.8. Расчет сушилки в случае частичной рециркуляции обработанного воздуха
- •11.9. Сушка топочными газами
- •11.10. Конструкции сушилок
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу 6
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем 41
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов 50
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании 75
- •Глава 5. Фильтрование 86
- •Глава 6. Агрегирование 117
- •Глава 7. Абсорбция 144
9.4. Механизм действия собирателей
Реагенты-собиратели закрепляются на поверхности материалов путем адсорбции. Различают физическую и химическую адсорбцию или хемосорбцию. Основное различие между этими типами адсорбции заключается в характере сил, связывающих адсорбированное соединение с поверхностью материала. Если эти силы являются электростатическими, имеет место физическая адсорбция. Если же адсорбированные молекулы или ионы связаны с материалом силами обменного типа, т.е. химическими связями, то такая адсорбция называется химической. Энергия связи адсорбированной молекулы с поверхностью материала при хемосорбции значительно больше, чем при физической адсорбции. Так, при хемосорбции энергия связи достигает 1 эВ, тогда как при физической адсорбции эта величина составляет всего лишь 0,01 ÷ 0,1 эВ (1 эВ = 23,053 ккал/моль).
Кроме того, при физической адсорбции адсорбированную молекулу и материал можно рассматривать как две независимые системы. При хемосорбции твердая среда и прочно связанная с ней адсорбированная молекула представляют собой единую систему. Адсорбция в этом случае завершается образованием нового химического поверхностного соединения адсорбированных ионов с ионами кристаллической решетки материалов.
Форма взаимодействия собирателя с материалом определяется состоянием реагента в суспензии. Если реагент диссоциирует на ионы и на поверхности материала закрепляется анион или катион, то адсорбция будет ионной, т.е. будет химическая связь. Неионогенные собиратели адсорбируются, как правило, в молекулярной форме. Молекулярная адсорбция является физической.
Изучение взаимодействия реагентов с поверхностью материалов с учетом адсорбционных явлений и химии флотационных реагентов имеет большое значение для развития процесса флотации.
Применение новых реагентов, изучение их взаимодействия с различными материалами способствует повышению эффективности разделения материалов при флотации, повышению их извлечения и улучшению качества флотационных продуктов.
В результате многочисленных исследований, проведенных российскими и зарубежными учеными, предложены различные гипотезы действия флотационных реагентов и, в частности, собирателей.
Рассмотрим современные представления о механизме действия наиболее распространенного собирателя - ксантогената при флотации сульфидных материалов.
Взаимодействие ксантогената с поверхностью сульфидных материалов происходит за счет химической адсорбции аниона ксантогената с образованием прочной химической связи с катионом кристаллической решетки материала, т.е. с образованием ксантогената металла.
Сульфидные материалы являются соединениями с полупроводниковыми свойствами. Свежеобнаженная поверхность этих материалов обладает электронной проводимостью n-типа. Поэтому, например, свежеприготовленный галенит является гидрофобным и хорошо флотируется одним вспенивателем. Так как поверхность неокисленного сульфидного материала, на которой не адсорбировался кислород, имеет свободные электроны, то на ней не может адсорбироваться отрицательно заряженный анион ксантогената. Сульфидные материалы очень быстро окисляются кислородом, и на их поверхности образуются окисленные соединения, состав которых зависит от условий окисления. Например, на поверхности галенита при окислении образуется пленка окислов PbSО4, PbS2О3, PbСО3 или НРbO2. При окислении адсорбированный кислород связывает свободные электроны на поверхности материала, и поверхность приобретает дырочный тип проводимости (р-тип). В этих условиях анион ксантогената вытесняет с поверхности материала ионы SО42-, S2О32- и СO32- и адсорбируется на поверхности галенита с образованием более прочной химической связи с катионом материала, например:
PbS+2RОСS2- = (RОСS2)2Pb+ S2-.
При длительном действии кислорода на поверхность сульфидного материала образуется толстая окисленная пленка, которая ухудшает адсорбцию ксантогената, так как вызывает повышенные расходы собирателя при взаимодействии с этой пленкой.
Однако процесс образования гидрофобной пленки на поверхности сульфидных материалов не ограничивается адсорбцией ксантогенат-иона. Как показали многочисленные исследования российских и зарубежных ученых, необходимым условием является присутствие на поверхности физически сорбированного продукта окисления ксантогената - диксантогенида. Закрепление ксантогената и диксантогенида на поверхности сульфидных материалов сопровождается одновременно протекающим процессом химической и физической сорбции.
Таким образом, необходимым условием гидрофобизации, а следовательно, и флотации сульфидных материалов является одновременное присутствие на их поверхности ксантогенатов металлов и диксантогенида. Соотношение между этими двумя формами определяется концентрацией водородных ионов (рН) и концентрацией собирателя.
Рассмотрим пример взаимодействия поверхности окисленных материалов с жирнокислотным собирателем - олеиновой кислотой.
О
║
Анион олеиновой кислоты С17Н33—С —O- гидрофобизирует поверхность материала, закрепляясь на ней полярной группой СОO-. Углеводородный радикал С17Н33, являясь аполярной группой, ориентируется в водную фазу, обеспечивая гидрофобность поверхности.
Анион олеиновой кислоты может химически взаимодействовать с катионом материала, образуя на его поверхности соответствующее труднорастворимое мыло. Например, на поверхности кальцита может образоваться олеат кальция по реакции
СаС03 + 2С17Н33СООН = (С17Н33СОО)2Са + Н2СО3,
который обеспечивает гидрофобизацию и флотацию минерала.
Закрепление оксигидрильных собирателей на поверхности несульфидных материалов зависит от состояния поверхности, структуры реагентов и от условий, в которых эти реагенты применяются. Состояние жирнокислотных собирателей, например олеиновой кислоты и олеата натрия, в суспензии определяется концентрацией водородных ионов. В зависимости от рН среды они могут находиться в виде молекул или в виде диссоциированных ионов и могут закрепляться на поверхности материалов в ионной форме (химическая адсорбция) или в молекулярной форме (физическая адсорбция). Обычно адсорбированный гидрофобный слой на поверхности материала представлен этими двумя формами: химически сорбированным олеатом металла и физически сорбированным олеатом натрия или молекулами олеиновой кислоты. Закрепление аполярных реагентов на поверхности материалов происходит в виде физической адсорбции за счет сил Ван-дер-Ваальса. Капельки эмульсии аполярного собирателя при этом закрепляются на материале, и если этих капелек будет много, то они, сливаясь друг с другом, могут образовать на поверхности материала сплошную гидрофобную пленку. Образование такой пленки зависит от степени гидратации самой поверхности материала, которую можно изменять, применяя поверхностно-активные вещества. Эти вещества снижают гидратированность поверхности материала и создают благоприятные условия для адсорбции аполярного собирателя.
Механизм действия катионных собирателей изучен еще недостаточно. Взаимодействие их с поверхностью материалов определяется условиями, в которых они применяются, т.е. состоянием амина в водном растворе. Например, при рН ≤ 10 лауриламин в растворе находится преимущественно в ионной форме и закрепляется в этих условиях на поверхности кварца химически с образованием комплексного соединения. При рН > 11 лауриламин присутствует в растворе в виде молекул, которые сорбируются на поверхности кварца за счет физической адсорбции. Возможно также закрепление амина на поверхности материалов путем связывания иона или молекулы амина с водородом гидроксила у силикатов или водорода амина с серой у сульфидов. Характерной особенностью катионных собирателей является непрочность закрепления их на материалах. Считается, что флотируемость различных материалов катионными собирателями зависит лишь от плотности адсорбированного слоя амина и не зависит от характера этого слоя, образованного ионами или молекулами.