colloid_grig

						Таблица N!!l
х	<р(х}	Х	<р(х}	Х		ф(х)
о		0,34	0,503818		0,68	0,518774
0,01	0,500003	0,35	0,50406		0,69	0,519523
0,02	0,500013	0,36	0,504311		0,7	0,5203
0,03	0,500028	0,37	0,504571		0,71	0,521106
0,04	0,50005	0,38	0,50484		0,72	0,521944
0,05	0,500078	0,39	0,505118		0,73	0,522816
0,06	0,500113	0,4	0,505406		0,74	0,523723
0,07	0,500153	0,41	0,505704		0,75	0,524667
0,08	0,500201	0,42	0,506012		0,76	0,525652
0,09	0,500254	0,43	0,50633		0,77	0,52668
0,1	0,500314	0,44	0,506659		0,78	0,527754
0,11	0,50038	0,45	0,506998		0,79	0,528878
0,12	0,500453	0,46	0,507349		0,8	0,530057
0,13	0,500532	0,47	0,507711		0,81	0,531293
0,14	0,500618	0,48	0,508085		0,82	0,532594
0,15	0,50071	0,49	0,508471		0,83	0,533964
0,16	0,50081	0,5	0,50887		0,84	0,535412
0,17	0,500915	0,51	0,509281		0,85	0,536944
0,18	0,501028	0,52	0,509706		0,86	0,53857
0,19	0,501147	0,53	0,510145		0,87	0,540303
0,2	0,501273	0,54	0,510597		0,88	0,542155
0,21	0,501407	0,55	0,511065		0,89	0,544144
0,22	0,501547	0,56	0,511548		0,9	0,54629
0,23	0,501695	0,57	0,512046		0,91	0,548621
0,24	0,501849	0,58	0,512561		0,92	0,55117
0,25	0,502011	0,59	0,513092		0,93	0,553983
0,26	0,502181	0,6	0,513642		0,94	0,557125
0,27	0,502358	0,61	0,51421		0,95	0,560688
0,28	0,502542	0,62	0,514797		0,96	0,564815
0,29	0,502735	0,63	0,515404		0,97	0,56975
0,3	0,502935	0,64	0,516032		0,98	0,575974
0,31	0,503144	0,65	0,516682		0,99	0,58474
0,32	0,50336	0,66	0,517355		1	0,609476
0,33	0,503585	0,67	0,518051

30

Таблица Х22

	х			М(х)	х		М(х)		х		М(х)
			О			0,34	0,07129			0,68	0,220599
	0,01			0,001875		0,35	0,073908			0,69	0,228804
	0,02			0,003751		0,36	0,076579			0,7	0,237463
	0,03			0,00563		0,37	0,079306			0,71	0,24662
	0,04			0,007511		0,38	0,082091			0,72	0,25632
	0,05			0,009397		0,39	0,08494			0,73	0,26662
	0,06			0,011287		0,4	0,087853			0,74	0,277579
	0,07			0,013184		0,41	0,090836			0,75	0,289269
	0,08			0,015089		0,42	0,093891			0,76	0,301771
	0,09			0,017001		0,43	0,097024			0,77	0,315176
	0,1			0,018923		0,44	0,100237			0,78	0,329595
	0,11			0,020856		0,45	0,103536			0,79	0,345155
	0,12			0,022801		0,46	0,106925			0,8	0,362004
	0,13			0,024758		0,47	0,11041			0,81	0,380322
	0,14			0,02673		0,48	0,113996			0,82	0,400321
	0,15			0,028717		0,49	0,117688			0,83	0,42226
	0,16			0,030721		0,5	0,121494			0,84	0,446452
	0,17			0,032742		0,51	0,12542			0,850,473287
	0,18			0,034782		0,52	0,129473			0,860,503253
	0,19			0,036843		0,53	0,13366			0,87 0,536969
	0,2			0,038926		0,54	0,137992			0,88 0,575236
	0,21			0,041032		0,55	0,142475			0,890,61911
	0,22			0,043163		0,56	0,147121			0,9 0,670017
	0,23			0,045321		0,57	0,15194			0,91 0,729934
	0,24			0,047506		0,58	0,156943			0,920,801693
	0,25			0,049721		0,59	0,162144			0,93 0,889525
	0,26			0,051967		0,6	0,167555			0,94 1,000077
0,27				0,054246		0,61	0,173193			0,951,14452
0,28				0,056559		0,62	0,179073			0,961,343419
0,29				0,05891		0,63	0,185213			0,971,640041
0,3				0,0613		0,64	0,191634			0,982,147275
0,31				0,06373		0,65	0,198358			0,99 3,317387
0,32				0,066204		0,66	0,205408			1 7565494
		0,33		0,068723		0,67	0,212812

31

Термодинамический расчет теплот смачивания по напря­

жению смачивания позволяет получить более надежные данные

по теплотам смачивания молекулярно гладких поверхностей от­

дельных кристаллов или поверхностей твердого тела с контро­ лируемой шероховатостью.

В заключении отметим, что общетермодинамический спо­ соб описания смачивания открывает возможности использовать

многочисленные термодинамические соотношения для анализа

этого сложного процесса.

20.9 Растекание жидкости по поверхности жидкости и твердого тела, эффект Марангони, правило Антонова

Смачивание - это процесс взаимодействия жидкой фазы с

поверхностью твердого тела или другой жидкости, в результате

которого происходит растекание жидкости по поверхностям

вплоть до установления равновесия. Движущей силой процесса

является разность свободной поверхностной энергии в момент исходного контакта с поверхностью и свободной энергии в рав­

новесном состоянии (нормальное сродство смачивания). При

этом, как отмечалось выше, изменяются площади контакта жид­

кости на границах трех разных фаз при сохранении величин межфазных натяжений. Поскольку поверхностное натяжение

зависит от температуры и в растворах от поверхностной актив­

ности, то при возникновении градиента температуры или кон­

центрации протекает процесс, связанный с выравниванием этих

величин, приводящих к поверхностному течению жидкости, по­

лучивший название эффект Марангони. Обычно течение проис­ ходит из области с малым поверхностным натяжением в область с большим поверхностным натяжением. Полагая, что течение в

поверхностных слоях следует закону Ньютона, напряжение

сдвига можно выразить как

	р= da	(61)
	dx

где х - расстояние в направлении движения жидкости. Умножая

и деля на dC, получим
_ dadC _ da dC	(62)
Р------

dxdC dC dx

Скорость течения жидкости в межфазном слое можно вы­

разить

(63)

где к - коэффициеJП пропорциональности, ~C - разность кон­

центраций на данном участке.

из (63) следует, что скорость поверхностного течения про­ порциональна поверхностной активности. Эффект Марангони

играет существенную роль во многих явлениях экcrpакции, уда­

лении неметаллических включений, движении пузырьков в жид­ кости, устойчивости nленок, флотационных процессах и др. Раз­

рыв пленки под действием эффекта Маранroни легко наблюдать, если в центр пленки, образованной водой на поверхности твердо­

го тела, капнуть жидкостью с меньшим поверхностным натяже­

нием, например, спиртом. Пятно спирта будет расширяться, от­ тесняя пленку воды. Такой же эффект обнаруживаетея, если со­ брать спички головками вместе на поверхности сосуда и капнуть между ними спирта. Спички будут двигаться к периферии сосу­ да. Поскольку поверхностное натяжение, как правило, с увеличе­

нием температуры уменьшается, то при нагреве поверхности

жидкость будет двигаться в направлении холодных участков, где

поверхностное натяжение выше.

При нанесении одной жидкости на другую несмешиваю­

щуюся с ней жидкость происходит растекание верхней жидко­ сти и их взаимное насыщение. В результате высокой подвижно­ сти нанесенной жидкости устанавливается истинное равновесие капли верхней жидкости на нижней. Проекцию межфазных на­ тяжений можно, в отличие от твердой подложки, получить на оси х и у и записать два уравнения (рис 5).

33

у

Рис 5	х
где а, р, r -углы, образованные линзой верхней
жидкости на нижней.
о'Ж2-Z cosr -О'ж.-z cosa -О'ЖГЖ2 cosp =О		(64)
О'Ж2-Z sin r- О'ж.-z sin а - О'Ж.-Ж2 sin р =о		(65)

В тех случаях, в которых сродство верхней жидкости к

нижней велико, (66) и (67) не выполняются и верхняя жидкость

растекается в тонкую пленку.

Если процесс растекания рассматривать исходя из коэф­ фициента растекания Харкинса (без учета изменения поверхно­ стей раздела фаз), то в результате установления равновесия ко­ эффициент растекания в процессе взаимного насыщения жидко­

стей стремится к нулю. Тогда

j	_	нас	нас	нас-о	(66)
	-	0'3.1 -	0'2.1	- 0'3.2 -
	Откуда			0';:;"=О';:;С -O'~	(67)

и следует правило, сформулированное Антоновым, со­

гласно которому межфазное натяжение двух взаимно насыщен­

HblX жидкостей равно разности поверхностных натяжений их взаимно насыщенных растворов на границе с воздухом. К сожа­

ленmo, это правило более или менее удовлетворительно выпол­ няется только для нескольких систем (см таб .M~ 3).

34

Таблица N2 3. Прuмеры соблюдения правилаАнтонова при

контакте жидкости с водой

			Жид-	Т,К	СТ	Щ	3,J)мДж/ м2			cтНQCмДжI м2
			кость							2.3
					Водный			Органи-		вычис-	экспе-
					слой			ческий		лено	римент
								слой
		Бензол		292	63,2			28,8		34,4	34,4
		Анилин		299	46,4			42,2		4,2	4,8
		Хлоро-		291	59,8			26,4		33,4	33,8
		фОDМ
		Крезол		291	37,8			34,3		3,5	3,9

для многих систем оно не выполняется по вполне очевид­ ной причине, Т.К. исходит, как и коэффициент растекания Хар­

кинса, только из значений межфазных натяжений, не учитывая

при установлении равновесия изменений межфазных поверхно­

стей раздела.

Несмотря на очевидную ограниченность правила Антоно­

ва, его можно использовать для качественной приближенной

оценки возможного межфазного натяжения между граничащи­ ми фазами.

20.1 О Использование явления смачивания в техноло­

гии производства цветных и редких металлов, флотация,

рафинирование, экстракция.

Явление смачивания весьма распространено в природе. от

него зависят многочисленные процессы как в живой, так и в не­ живой природе. Достаточно ВСПОМНlПь, что от смачивания зави­

сит доставка воды к листьям различных растений, регулирова­

ние испарения влаm листьями, доставка влаги к корням расте­

ний, движение жидкости в капиллярах почвы, движение жидко­ сти в живых организмах и многое другое. Смачивание

35

определяет и геологические процессы, протекающие в неживой

природе. для перечисления всех процессов, в которых смачива­

ние имеет большое значение, потребовался бы огромный объем описания. Ограничимся рассмотрением основных областей

применения этого явления, прежде всего, в химической техно­

логии и металлургии.

Весьма распространенным примером применения процес­

са смачивания для обогащения полезных ископаемых является

флотация. Этим методом обогащается 90 % руд цветных и ред­

ких металлов, а также значительная часть углей, графитов, се­ ры, кальцита, флюорита, борита и других природных минера-

лов.

Особенно актуальным становится обогащение минералов в современных условиях, когда все больше вовлекаются бедные

ценным компонентом руды, которые раньше уходили в отвалы.

Флотационное обогащение основано на различной смачи­

ваемости водой ценных минералов и пустой породы. Применя­

ют в технологии пенную, пленочную и масляную флотацию. Наиболее распространенной является пенная флотация. При

этом через водную суспензию определенной дисперсности руды

(пульпу) барботируют воздух. К пузырькам прилипают гидро­ фобные частицы ценного минерала, которые выносятся с обра­

зовавшейся пеной на поверхность. Пена вместе с частицами ме­ ханически снимается для дальнейшей переработки. Пустая по­ рода хорошо смачивается и опускается на дно флотационных

машин. для получения концентрата перерабатывается огром­ ный объем породы, т.к. многие цветные металлы в добываемых рудах составляют проценты или десятые доли процента от объ­ ема добываемого минерала. Таким образом, обогащению под­

вергаются практически все руды цветных и редких металлов и

даже железные руды, хотя содержание железа в них составляет

даже в бедных рудах 25-30 %. Флотационному обогащению

подвергаются огромные (порядка 109 т) массы исходных руд.

Схему механизма пенной флотации можно представить

следующим образом. Частица твердой породы должна

36

прилипнyrь к большому пузырьку, способному вынести ее на

поверхность. Поэтому порода должна быть измельчена до такой

степени, чтобы подъемной силы пузырька было вполне доста­

точно для подъема частицы. Кроме того, селективность отделе­

ния ценного продукта от пустой породы будет тем выше, чем больше различие адгезии их к пузырьку. Механизм взаимодей­

ствия частицы зависит как от термодинамических, так и от ки­

нетических параметров. Пузырек при столкновении с частицей

должен вьпеснить пленку жидкости на поверхности частицы

(преодолеть расклинивающее давление) и закрепиться на ней, что требует определенного времени взаимодействия. Термоди­ намические условия прилипания пузырька можно приближенно оценить исходя из следующей схемы (рис 6).

До Koнraктa частицы с пузырьком энергия Гиббса системы

равна сумме межфазных натяжений на границе частица - жид­

кость (j т-ж И межфазного натяжения на границе газ

(пузырек) (j ж-г (положение 1). По­

сле контакта с пузырьком энергия

Гиббса равна межфазному натяже­ нию на границе частица - газ (пузы­ рек) (j т-г (положение 2, рис 6).

Рис 6 Таким образом, термодинамическим

условиемприсоединения

частицы и пузырька будет уменьшение свободной энергии, рав-

ной м' =FKOH - FIUJ'I =(j т-г - (j т-ж - (jж-г	(68)
а работа адгезии пузырька Wa будет равна
Wa =-!1G =(jж-г - (j т-г +(j т-ж	(69)

или, заменяя (j т-г - (j т-ж =(jж-г cos8 из уравнения Юнга,

окончательно получим через экспериментально измеримые ве­

личины (j ж-г И cos8

- м' = Wa = (j ж-г(1- cos8)

(70)

Убьmь свободной энергии Гиббса, как следует из (70), тем

больше, тем больше краевой угол (гидрофобность частицы).

37

Обычно разность в гидрофобности поверхности ценного

минерала и пустой породы сравнительно невелика, поэтому для

повышения селективности флотации применяют коллекторы (собиратели). В качестве коллекторов применяются органиче­

ские вещества с дифильной молекулой. Наиболее часто в

R - О - С = S	качестве коллекторов применяют
\	ксантогенаты, где R -
SM	углеводородный радикал, М -

щелочной металл. Имеются данные, что ксантогенаты

вступают с поверхностью сульфидов металлов в химическое

взаимодействие, например:

РЬ(ОН)2 + 2 ROCS2" ~ РЬ [ - S - с = О ] 2+ОН -

\

OR

для флотации несульфидных минералов применяют жир­ ные кислоты и их мыла. Особенно пригодны такие коллекторы

для солеобразных минералов, в которые входят ионы щелочно­

земельных металлов Са+2, Mg+2, Sr+2. для неполярных неметал­

лических минералов ( графит, сера, ископаемый уголь, тальк и

др), которые плохо смачиваются водой, нет необходимости в

сильных коллекторах, поэтому для них используют малораство­

римые в воде коллекторы, например, масла. Обычно при флота­

ции применяют относительно малое количество коллекторов,

порядка сотен грамм на 1 т руды.

Кроме коллекторов при флотации применяют пенообразо­

ватели и регуляторы.

В качестве пенообразователей применяют длинноцепочечные спирты, кетоны, сосновое масло. При выборе пенообразовате­ лей следует избегать веществ, сильно понижающих поверхно­

стное натяжение воды. С технологической точки зрения пено­

образование должно быгь умеренным. Регуляторы применяют для увеличения избирательности флотационного процесса. Они

изменяют рН среды, снижают смачиваемость минерала,

38

улучшают смачиваемость пустой породы. Часто регуляторы

взаимодействуют совместно с коллеICГОРами.

Флотацию применяют не только для выделения одного

ПРОДУICГ~ но и для разделения в комплекснь~ рудах цeHHЬ~

компонентов. Такую флотацию называют селеICГИВНОЙ, она реа­

лизуется с помощью регуляторов. В том случае, когда регулято­

ры затрудняют действие коллектора с минералом, их называют депрессорами. В качестве депрессора может служить жидкое стекло, которое ухудшает флотацию силикатнь~ минералов. Так, например, при флотации свинцово-цинковь~ руд В пульпу

добавляют депрессоры, предотвращающих флотацию цинковь~

минералов, для извлечения свинцового концентрата и затем с

помощью активаторов извлекают цинковый концентрат.

Менее распространенными в нестоящее время являются масляная и пленочная флотации. для осуществления масляной

флотации измельченную руду перемешивают с минеральным маслом и водой. При этом сульфидные минералы селективно

смачиваются маслом, всплывают вместе с ним и удаляются с

поверхности воды, а пустые породы (кварц, полевой шпат и др)

остаются. В России масляная флотация была применена для

обогащения графитовой руды. При извлечении MapгaHцeBЬ~ руд использовалась эмульсия м/в. Способность мелких гидро­

фобнь~ частиц минерала удерживаться на поверхности воды, а

гидрофильной пустой породы смачиваться, используется в тех­

нологии пленочной флотации, при которой ценный минерал

удаляется механически из поверхностного слоя воды. В послед­ нее время эти два метода для флотационного обогащения в хи­

мической технолоmи используются довольно редко.

для извлечения полезнь~ компонентов из разбавленнь~

растворов и для очистки промышленнь~ и сточнь~ вод исполь­

зуется ионная флотация, разработанная в 50-е годы прошлого

века. При этом отдельные ионы, тонкодисперсные осадки и коллоидные частицы взаимодействуют с флотореагентами - со­

бирателями, обычно катионного типа, образуя нерастворимые

соединения, и извлекаются пузырьками газа в пену либо в

39