СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Пенообразующим действием обладают органические веще­ства и неорганические электролиты. Для флотации минералов применяют в основном органические вещества, оказавшиеся наиболее эффективными. Реагенты-пенообразователи представляют собой поверх­ностно-активные вещества (ПАВ), способные самопроизвольно адсорбироваться на поверхности раздела вода - воздух со сни­жением при этом поверхностной энергии. Адсорбция ПАВ  -  ориентированная, с нахождением полярной группы в воде, а гидрофобного радикала - на ее поверхности. В отличие от неорганические электролиты, обладаяотрицательной адсорбцией,повышают поверхностное натяжение. Различают пенообразователи кислые, основные, и нейтральные. К кислым относят фенолы, жирные кислоты, производные серной кислоты. К основным – тяжелый пиперидин, ортотолуидин.(токсичны) Нейтральные – пенообразователи с гидроксигруппами (спирты алифатические, терпеновые, циклические)., Эфирными и гидроксильными группами (эфиры полипропилен- и полиэтиленгликолей ОПСБ, ОПСМ, Э-1) циклические эфиры, содержащие гидроксильуюгруппу в боковой цепи (оксаль), эфирные группы – триэтоксибутан, диметилфталат Д-3).

Молекулы пенообразователей имеют гетерополярное строение. В отдельных реагентах полярными (гидрофильными) группами являются гидроксил (ОН), -карбоксил (СООН), карбонил (СО) аминогруппа (NH₂), сульфогруппа ( SO₄), в роли неполярных групп – углеводородные цепочки или циклы и их комбинации. В следствии своей ориентации на поверхности воды они снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз и резко повышают устойчивость пузырьков воздуха. Понижение поверхностного натяжения является необходимым , но не достаточным условием образования устойчивой пены.

Широко применяют реагенты с гидроксильной полярной группой (содержащие терпинеол, различные спирты). Эта группа реагентов слабо закрепляется на минералах, что благоприятно влияет на избирательность флотации. Напротив, пенообразова­тели, молекулы которых содержат карбоксильные полярные группы, обладают значительным собирательным действием и называются реагентами пенообразователями-собирателями. Сла­бым, но заметным собирательным действием обладают пенообразовтели с амино- или сульфогруппами.

Поверхностной энергией называют работу при обратимом и изотермическом процессе, необходимую для создания единицы поверхности Ее единица измерения—Дж/м². Удельная свобод­ная поверхностная энергия численно равна поверхностному натяжению, измеряемому в Н/м. Обе эти величины обозначаются символом а.

Поверхностное натяжение - сила, действующая на еди­ницу длины границы раздела и обусловливающая сокращение поверхности

Присутствие  в молекуле пенообразователя одной - двух по­лярных групп вполне достаточно для их активного действия.

Дальнейшее увеличение числа полярных групп не способствует улучшению пенообразующего действия, а иногда даже снижает его.

Свойства пенообразователей во многом зависятот строения и размеров гидрофобного радикала. Наиболее простым явля­ется алифатический радикал (—СН2—СН2—...СН2—СН3). Существует четкий максимум поверхностной активности и пено­образующего действия реагентов с разной длиной радикала,, причем этот максимум несколько различен у реагентов с раз­ными полярными группами

Наличие максимума поверхностной активности объясняется следующим.

Адсорбция единичных  гетерополярных молекул на поверхности раздела вода— воздух происходит тем значительнее, чем длиннее аполярный радикал, так как при этом возрастает дипольный момент. Это проявляется в снижении поверхностной энергии с увеличением длины гидрофобного радикала. Поэтому вначале с возрастанием числа углеводородных групп вспенивающий эффект увеличивается

Однако, с дальнейшим возрастанием длины радикала все сильнее сказывается взаимная ассо­циация молекул. Гетерополярные же молекулы с ко­роткими гидрофобными радикалами не сцепляются друг с дру­гом из-за противодействия сильной гидратации полярных групп, которую не могут преодолеть слабые дисперсионные силы сцеп­ления аполярных радикалов на небольшом участке их контакта. С увеличением длины радикалов эти силы сцепления возрас­тают, приводя к образованию агрегатов молекул. Это проявля­ется в снижении растворимости реагентов в воде. Ассоциаты молекул обладают меньшей поверхностной активностью и пенообразующее действие реагентов снижается.

Кроме алифатических радикалов встречаются пенообразова­тели с циклическими радикалами, разветвленными алифатическими цепями или в сочетании циклических и алифатических участков.

Пенообразователи должны обладать определенной раствори­мостью в воде. Среди алифатических пенообразователей наибо­лее растворимы кислоты, амины и спирты, среди ароматических соединений — спирты, амины и кислоты (в порядке убывания растворимости).

Присутствие в пенообразователе аполярных соединений (ко­торые сами по себе не обладают пенообразующими свойствами) оказывает положительное влияние на процесс ценообразования. Расположение молекул аполярных углеводородов в адсорбци­онном слое пенообразователя между аполярными группами мо­лекул реагента стабилизирует адсорбционный слой и повышает устойчивость пены. Например, чистый метиловый спирт не дает устойчивой пены, а добавление бензола вызывает появление та­кой пены. Этот положительный эффект обнаруживается даже при весьма незначительных количествах аполярных веществ.

Однако избыток аполярных веществ (например, углеводоро­дов) ведет к разрушению пены, они вытесняют гетерополярные молекулы пенообразователя из поверхностного слоя, облегчая коалесценцию пузырьков. Кроме того, возможно влияние свя­зывания аполярными веществами гетерополярных путем их экстракции.

 МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Органические пенообразователи влияют на пенообразование и флотацию вследствие их адсорбции на поверхности раздела жидкость - газ.

Повышение дисперсности пузырьков является следствием прежде всего улучшения диспергирования воздуха, а также ухудшения слияния (коалесценции) пузырьков в пульпе и подпенном слое. Хотя добавление принятых при флотации количеств пенооб­разователей уменьшает поверхностную энергию всего на 10^-3 Дж/м², этого достаточно для лучшего диспергирования воз­духа всеми известными способами. По-видимому, эта сторона действия пенообразователей является основной.

Имеет значение и действие пенообразователей путем уменьшения коалесценции пузырьков.

Опыты П. А. Ребиндера и К. Венстрём показали, что при полном отсутствии поверхностно-активных веществ, адсорбиро­ванных на поверхностях пузырьков, и при наличии достаточной энергии столкновения коалесценция пузырьков наступает прак­тически мгновенно.

Молекулы пенообразователя, адсорбируясь на пузырьке воздуха, повышают устойчивость гидратных слоев оболочек пузырьков благодаря тому, что гидрофильная группировка атомов обращена в жидкую фазу и активно взаимодействует с молекулами воды. Это приводит к увеличению механической стойко­сти оболочек пузырьков и препятствует разрушению их при столкновении пузырьков. Для коалесценции пузырьков теперь требуется приложить значительно большие усилия. В присут­ствии пенообразователя слияние пузырьков происходит при зна­чительно большем сближении их и требуется большее время их контакта, чем при отсутствии реагента.

Интенсивность процесса флотации определяется площадью поверхности раздела жидкость- газ, которая при одном и том же количестве воздуха увеличивается с увеличением дисперсности воздушных пузырьков. Однако такая пена неустойчива. Пи столкновении пузырьки коалисцируют . площадь поверхности системы уменьшается.

На границе раздела адсорбирован слой пенообразователя, с ориентированными молекулами. Этот гидратированный слой увеличивает механическую стойкость оболочек пузырьков и препятствует их сливанию.

Имеются и чисто кинетические причины повышения пенооб­разователями устойчивости пузырьков воздуха. Их разрушению обязательно предшествует растяжение какого-либо участка по­верхности На этих участках временно уменьшается концентрация молекул пенообразователя и возрастает поверх­ностное натяжение, препятствующее разрушению пузырька. В дальнейшем пузырек приобретает начальную форму. Кон­центрация пенообразователя выравнивается.

Пузырьки, покрытые слоем пенообразователя, имеют довольно жесткую гидратную оболочку. В результате этого их форма близка к сферической. При подъеме такие пузырьки меньше деформируются, поэтому скорость подъема их меньше.

Повышение прочности пены. Пеной называется концентрированная эмульсия газа в жидкости. Если она не содержит твердых частичек ее называют двухфазной, если есть твердые частицы – трехфазной. В обоих случаях пенообразователь увеличивает устойчивость пены.

Причины:

Довольно прочная ассоциация молекул воды около полярных групп пенообразователя препятствует стеканию воды из прослоя при выходе пузырьков в пенный слой. Чем больше гидратированы полярные группы пенообразователя, тем медленнее стекает вода с поверхности пузырька между адсорбционными слоями пенообразователя и тем прочнее и устойчивее пена.

Ассоциация молекул воды полярными группами пенообразователя затрудняет испарение жидкости из тонкой прослойки между пузырьком и атмосферой.

Адсорбционный слой пенообразователя увеличивает эластичность пузырька и его сопротивляемость разрушению пи случайных механических воздействиях.

Последнее обусловлено тем, что при внезапном растяжение пузырька концентрация молекул пенообразователя в зоне растяжения уменьшается и вызывает увеличение поверхностного натяжения и тем самым появление сил, препятствующих дальнейшему растяжению поверхности в данном месте. Прочность пузырька возрастает как раз в том месте, где возникает опасность разрыва пленки и разрушения пузырька.

Степень эластичности пузырька зависит от характера и концентрации пенообразователей в пульпе.

Для пенообразователей, имеющих одну полярную группу радикал имеет определяющее значение. В формировании пузырьков максимальной устойчивости. С увеличением или уменьшением радикала изменяется значение минимальной концентрации вещества, при которой предотвращается разрушение пузырьков.

При уменьшении радикала это обусловлено чрезмерно быстрым выравниванием плотности адсорбционного слоя на поверхности пузырьков в следствии увеличения подвижности молекул пенообразователя, а также неспособностью их значительно изменять поверхностное натяжение из-за низкой поверхностной активности пенообразователей с маленьким радикалом. Уменьшение стабилизирующего действия пенообразователей с большим  радикалом обусловлено уменьшением их растворимости, снижением концентрации и подвижности молекул пенообразователя..

Для каждого пенообразователя есть концентрация, при которой обеспечивается максимальная стабилизация пены. Это  значение соответствует оптимальной скорости выравнивания плотности адсорбционного слоя в зоне растяжения после деформации пузырька. При высоких концентрациях пенообразователя скорость выравнивания плотности будет чрезмерной высокой, а эластичность пузырька очень низкой. Поэтому насыщенные растворы не пенят. При очень низких концентрациях поверхностное натяжение раствора не сильно отличается от пов. натяжения воды. Кроме того при маленькой концентрации молекулы пенообразователя удерживают меньшее количество воды.

На эффективность пенообразователей влияют и рН и температура. Изменение температуры влияет на растворимость, концентрацию и подвижность молекул в пульпе, что приводит к изменению скорости выравнивания плотности адсорбционного слоя на пузырьках. Изменения рН оказывают влияние вследствие изменения степени диссоциации пенообразователей. Наиболее эффективным является использование смесей пенообразователей.

Повышение прочности закрепления пузырька на частице.

Пенообразователи закрепляются еще и на границе твердое-жидкость. Причинами изменения флотируемости минералов под действием пенообразователей могут быть:

образование с собирателем, закрепившимся на поверхности комплексов, способствующих гидратной прослойки между пузырьком и частицей и закреплению минеральных частиц на пузырьке.

Повышение гидрофобности минерала за счет углеводородного радикала пенообразователя, полярная группа которого образует с катионами или атомам поверхности химические, водородные связи или удерживается силами дипольного взаимодействия.

Повышение устойчивости закрепления пузырьков на частице за счет многократного упрочения контакта пузырек-частица в присутствии молекул пенообразователя.

 

Имеются физико-химические исследования, свидетельствую­щие о некотором замедлении всплывания пузырьков в присут­ствии пенообразователя. Это связано не только с уменьшением размеров пузырьков, но и с приданием кормовой части пузырь­ков своеобразной «жесткости» с сохранением сферической по­верхности. Это усугубляется повышенной концентрацией пено­образователя в кормовой области пузырька, куда его молекулы «смываются» встречными потоками воды. Поэтому даже пу­зырьки одинаковых размеров медленнее всплывают в присут­ствии пенообразователя, что подтверждено экспериментально. Количественное значение этого фактора при флотации, по-видимому, невелико.

Пенообразователи обладают в ряде случаев действием, оце­ниваемым как собирательное. Причины его разнообразны:

1. Иногда молекулы пенообразователя закрепляются полярными группами на поверхности минералов, а аполярные ради­калы, направленные в воду, ухудшают ее взаимодействие с по­верхностью. Если полярная группа представлена карбоксилом или сульфогруппой, происходит химическое закрепление. Даже гидроксильные группы закрепляются путем физической сорбции на поверхности слегка окис­ленных природно-гидрофобных минералов (сера, уголь)

2. Пенообразователи повышают устойчивость закрепления пузырьков на частицах, уменьшая капиллярное давление в пузырьках, находящееся прямой зависимости от величины поверхностной энергии. Вследствие этого уменьшается давление на площадь прилипания и, следовательно, сила, отрывающая пузырек от частицы .

3. Реагенты - пенообразователи в отдельных случаях могут повышать дисперсность пузырьков воздуха, что улучшает его собирательное действие,

Весьма своеобразно вспенивающее действие неорганических электролитов. Оно отчетливо проявляется при так на­зываемой соляной флотации угля и других природно-гидро­фобных минералов, а также при флотации растворимых солей. Неорганическим электролитам свойственна отрицательная ад­сорбция, при которой поверхностный слой воды обедняется электролитом. Его ионы стремятся уйти от поверхности вглубь раствора, оставляя на поверхности слой молекул воды с пони­женной концентрацией электролита. В этом слое молекулы воды поляризованы, правильно ориентированы и создают устой­чивый гидратный слой с повышением поверхностного натяже­ния. Такой слой стабилизирует пузырьки.

Неорганические электролиты не используются в качестве пенообразователей, поскольку придают пене чрезмерную вяз­кость и устойчивость. Но растворимые слои, содержащиеся в рудах и угле (гипс, хлористый натрий и др.), значительно влияют на пенообразование.

О степени разрушения пены судят по уменьшению ее высоты с течением времени. Время жизни пены определяется как продолжительность существования столба пены:

, где Н – высота столба пены, см, v – средняя скорость уменьшения высоты пены, см/с. Устойчивость пены опрделяется также временем. В течении которого высота Н убывает в 2 раза.

---

Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 595; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!