Вопрос 34

Смачивание минеральных поверхностей. Краевой угол смачивания, гидратные слои.

Смачивание минеральных поверхностей.

Наиболее важным проявлением взаимодействия минералов с водой является смачиваниеих поверхности, которое является результатом гидратации поверхности минерала. Конечные ре­зультаты взаимодействия минерала с водой зависят не только от величины свободной поверхностной энергии минерала, но и от энергии взаимодействия молекул воды между собой.

Взаимное притяжение молекул одного и того же вещества (например, жидкости), называемое когезией, характеризуется величиной работы когезии (в Дж/м2), которую необходимо произвести для разрыва столба жидкости сечением 1 м²на два столба того же сечения.

Взаимное притяжение молекул двух фаз (например, воды и минерала), проявляющееся на поверхности их раздела, называ­ется адгезией.Притяжение, оказываемое одной фазой на другую через поверхность их раздела, требует затраты энергии на раз­деление этих фаз. Эту работу, отнесенную к единице площади поверхности раздела, называют работой адгезии. Она выража­ется в Дж/м²и равна сумме поверхностных энергий обеих фаз минус межфазная поверхностная энергия на поверхности их раздела. Так, например, если речь идет об адгезии в среде газа между водой и поверхностью минерала, то работа адгезии W может быть выражена следующим образом:W= σ_ж –_г+ σ_{т – г}– σ_{ж –т}, где:

σ_ж –_г , σ_{т – г} и σ_{ж –т} - поверхностная энергия соответственно на разделе фаз Ж-Г, Т-Г, Ж-Т.

Необходимым условием растекания воды на поверхности минерала является превышение работы адгезии между водой и минералом над работой когезии для воды.

Первой стадией молекулярного взаимодействия воды с по­верхностью минерала является гидратация поверхности, обу­словливающая смачивание ее водой. Смачивание обычно на­блюдается на границе соприкосновения трех фаз, одна из кото­рых является твердым телом, а две другие представлены жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями. При смачивании капля жидкости полностью или частично растекается по твердой поверхности взависимости от степени сма­чивания этой поверхности жидкостью.

Краевой угол смачивания.

Степень смачивания твердой поверхности жидкостью (при неполном смачивании) количественно выражается величиной краевого угла смачивания θ, который принято отсчи­тывать в сторону жидкой фазы или, если контактируют вода и жидкий углеводород, в сторону воды (т. е. в сторону более полярной жидкости) (рис. 2). Теоретически величина краевого угла может изменяться в широких пределах — от нулевого зна­чения (что соответствует для воды и минерала случаю его пол­ной гидрофильности, или полного смачивания водой) до 180°, когда капля воды совершенно не растекается по минералупри его полном несмачивании, или предельной гидрофобности. Однако если полное растекание практически может иметь ме­сто в отдельных случаях, то полная несмачиваемость никогда не наблюдается. Причиной этого является то, что некоторая адгезия между двумя любыми контактирующими фазами всегда имеет место. При флотации, когда взаимодействуют три фазы: воздух, вода и минерал, краевые углы могут измеряться как при нанесении на поверхность минерала капли воды в окруже­нии воздуха, так и при подведении под минерал воздушного пузырька в окружении воды. Равновесное значение краевого угла определяется уравнением Юнга, согласно которому: σ_ж –_г*cosθ = σ_{т – г}– σ_{ж –т}, где:

σ – поверхностные энергии на границе раздела фаз или численно равные им силы поверхностного натяжения, Дж/м² или Н/м.

При неполном смачивании водой поверхности минерала ука­занный периметр капли (или воздушного пузырька в водной, среде) является линией соприкосновения всех трех взаимодей­ствующих фаз — твердой, жидкой и газообразной (например; минерала, воды и воздуха). Такой периметр называют трех - фазным периметром смачивания (см. рис. 49).

Степень смачиваемости минерала количественно выражается величиной краевого угла лишь в области его конечных значений, т. е. в пределах 0—180° (так, если два минерала характеризуются одинаковым и нулевым значением краевого угла смачивания, то это не указывает на их одинаковую смачиваемость, т.к. последняя, достигнув определенной величины, соответствующей нулевому значению, при дальнейшем своем возрастании не может характеризоваться величиной краевого угла).

Чем хуже минерал смачивается водой, тем легче пузырек воздуха, вытесняя с поверхности минерала воду, закрепляется на минерале. Уменьшение смачиваемости минерала в интересах флотации (гидрофобизация), характеризуется увеличением краевого угла. Для ее осуществления в пульпу вводят фотореагенты.

Явление гистерезиса проявляется в том, что краевой угол смачивания обычно не принимает своего рав­новесного значения вследствие задержки в его достижении.

Гистерезис смачиваниявозрастает при увеличении микрошероховатости поверхности, проявляющейся особенно за­метно при плохо смачивающихся поверхностях и, в частности, для твердых поверхностей, покрытых ориентированными нор­мально к твердой поверхности углеводородными цепями гетерополярных соединений, адсорбированных химически. На жидких поверхностях гистерезис смачивания не наблюдается.

Основной причиной гистерезиса является проявление силы трения, действующей вдоль периметра смачивания. Гистерезис наблюдается при растекании капли жидкости или при ее перемещении по твер­дой поверхности, или при перемещении твердого тела, частью погруженного в жидкость, вообще при передвижении периметра смачивания под действием какой-либо силы (кинетического гистерезиса смачи­вания).

Кинетический гистерезис проявляется при вытеснении водой с сухой поверхности твердой частицы, ранее адсорбированного на ее поверхности воздуха и чем медленнее будет происходить это вытеснение, задерживающееся шероховатостью поверхности, тем выше вероятность закрепления такой частицы на воздуш­ном пузырьке, т.е. тем выше вероятность ее флотации. Чем менее смачиваема поверхность минеральной частицы, т.е. чем она гидрофобнее, тем сильнее выражен кинетический гистерезис смачивания.

В отличие от кинетического гистерезиса существует поня­тие о статическом (порядковом) гистерезисесмачивания, сущность которого состоит в том, что измеряе­мое значение краевого угла смачивания (или его косинуса) зависит от порядка смачивания. (например, угол, измеряемый при нанесении капли воды на сухую поверхность минерала в ок­ружениивоздушнойфазы, или угол при помещении воздушного пузырька на твердую поверхность в окружении водной фазы)

Гидратные слои. (рис.5.)

В результате взаимодействия твердой и жидкой фаз образуется гидратный слой, который представляет собой полимолекулярный адсорбционный слой молекул воды, прочно связанных с поверхностью и находящихся в равновесии с объемом жидкой фазы.

Гидратный слой представляет собой как бы самостоятельную фазу, имеет следующие свойства, отличные от свойств объема жидкой фазы:

1.повышенное сопротивление на сдвиг;

2.пониженная дифузирующая способность ионов в нем(молекулы трудно пробираются через слой)

3. повышенная вязкость. По мере приближения к поверхности устойчивость гидратного слоя повышается.

Вероятность флотации во втором случае больше.

Флотореагенты влияют на флотацию за счет воздействия на толщину гидратных слоев и их устойчивость.