Коллоидная химия. Шпаргалка - С. Егоров

В узких каналах, цилиндрических капиллярах образуется вогнутый мениск – полностью искривленная поверхность жидкости (рис. 1).

Рис. 1.

23. Флотация

Флотация (от фр. flottation, flotter – «плавать») – это процесс разделения мелких твердых частиц (главным образом минералов), основанный на их различной смачиваемости водой. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз (обычно газа и воды) и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При этом пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности. Проекция сил поверхностного натяжения, приложенных к частице по периметру смачивания, на направление, по которому действует сила, отрывающая частицу от поверхности раздела «газ – жидкость», называется флотационной силой. Если отрывающей силой является сила тяжести, то флотационной силой будет вертикальная составляющая сил, приложенных по периметру смачивания.

Поскольку флотационная сила пропорциональна периметру смачивания или диаметру частицы, а сила тяжести – объему частицы или диаметру в третьей степени, то при уменьшении размера частицы флотационная сила будет уменьшаться медленнее, чем сила тяжести. Например, при уменьшении диаметра частиц в 10 раз флотационная сила уменьшится в 10 раз, а сила тяжести – в 1000 раз. Поэтому, если удельная флотационная сила (т. е. сила, действующая на единицу длины периметра) не равна нулю, то всегда можно выбрать частицу столь малых размеров, для которой флотационная сила будет больше силы тяжести.

Флотация – один из основных методов обогащения полезных ископаемых, применяется также для очистки воды от органических веществ и твердых взвесей, разделения смесей, ускорения отстаивания в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и иных отраслях промышленности. В зависимости от характера и способа образования межфазных границ («вода – масло – газ»), на которых происходит закрепление разделяемых компонентов, различают несколько видов флотации. Различают три основных вида флотации – пленочную, масляную и пенную.

При пленочной флотации разделение минералов происходит на плоской поверхности раздела фаз «вода – воздух». Несмачиваемые частицы остаются на поверхности и выделяются во флотационный продукт, смачиваемые частицы переходят в водную фазу. Из-за низкой производительности этот процесс не получил широкого применения.

Масляная флотация заключается в избирательном смачивании частиц минерала диспергированным в воде жидким маслом. Образующиеся при этом агрегаты частиц, заключенные в масляные оболочки, всплывают на поверхность пульпы. Вследствие незначительной подъемной силы капли масла могут нести лишь небольшой груз частиц, а расход масла при этом велик. Поэтому масляная флотация не получила промышленного распространения.

При пенной флотации пульпа насыщается пузырьками газа, обычно воздуха. Флотирующиеся (гидрофобные) частицы закрепляются на пузырьках и выносятся ими на поверхности пульпы, образуя слой минерализованной пены. Гидрофильные частицы остаются в пульпе. В зависимости от способа насыщения пульпы пузырьками газа пенная флотация подразделяется на обычную пенную флотацию, вакуум-флотацию, химическую флотацию, флотацию кипячением. При обычной пенной флотации в качестве газа используется воздух, причем аэрация пульпы обеспечивается или засасыванием воздуха из атмосферы и диспергированием его в пульпе, или же вдуванием в пульпу сжатого воздуха. Аэрация пульпы при вакуум-флотации осуществляется за счет выделения воздуха из раствора, т. к. находящаяся под атмосферным давлением вода содержит некоторое количество растворенного воздуха.

При химической (или газовой) флотации пузырьки газа образуются в результате химического взаимодействия.

При флотации кипячением процесс идет за счет образующихся пузырьков пара и пузырьков выделяющегося растворенного газа.

24. Определение краевого угла. Причины, затрудняющие это определение

Для определения краевого угла, который образован жидкостью на твердом теле, на поверхность наносят небольшую каплю жидкости и с помощью пучка света, который направляется параллельно поверхности, проецируют боковое изображение капли на экран приемника сигнала. На экране очерчивают полученный контур капли, сидящей на поверхности твердого тела, и через точку, в которой соприкасаются все три фазы, строят касательную к полученному контуру капли. Угол наклона к этой касательной есть величина краевого угла. Для измерения угла, образующегося двумя несмешивающимися жидкостями на поверхности твердого тела, пластинку исследуемого вещества погружают в кювету из прозрачного стекла, и потом на поверхность пластинки с помощью пипетки вторично наносят каплю более тяжелой жидкости.

Изотермы краевых углов смачивания низкоэнергетических поверхностей (полимеров) позволяют рассчитать адсорбцию ПАВ на границе «твердое тело – раствор». Для расчета возьмем уравнение Юнга и уравнение Гиббса для разбавленных растворов:

При смачивании низкоэнергетических поверхностей адсорбция ПАВ на границе «твердое тело – газ» равна нулю, т. е.:

σтг = const, σтг / dc = 0.

Получаем:

Но необходимо также упомянуть, что определить истинное значение краевого угла очень затруднительно по следующим причинам.

1. На краевой угол могут влиять следы веществ, которые загрязняют поверхность, такой эффект возникает даже при небольших количествах загрязняющих веществ. На смачивании поверхности может сказываться контакт этой поверхности в течение времени с воздухом, особенно в промышленных городах, где в воздухе содержится некоторое количество углеводородов.

2. Металлы окисляются, и на их поверхности образуется тонкая, очень трудно обнаруживаемая пленка окисла. Она влияет на смачивание. Для определения краевого угла нужно использовать незагрязненные и неокисленные поверхности.

3. Поверхность смачивания хорошо адсорбирует воздух, и он замедляет процесс растекания жидкости по поверхности. Для вытеснения воздуха и установления краевого угла требуется определенное время.

4. На смачивание твердого тела может влиять шероховатость поверхности: чем больше шероховатость, тем резче проявляются свойства поверхности, которые обусловливают отталкивание или притяжение воды. Гидрофильной поверхности шероховатость придает еще большую гидрофильность, а у гидрофобной поверхности шероховатость увеличивает гидрофобность. Поверхность исследуемого вещества должна быть гладкой.

5. На краевой угол могут влиять условия образования поверхности, т. е. это зависит от гидрофобности или гидрофильности молекулы. При нанесении на поверхность смачивания веществ, имеющих в своем составе такие молекулы, краевой угол, являющий мерой смачивания, уменьшается в результате снижения сил поверхностного натяжения, а смачивание возрастает. Использование поверхностно-активных веществ приводит к адсорбции на поверхности. Ориентируясь углеводородными цепями в воздух, на поверхности создается пленка из углеводородов. Понижается поверхностное натяжение раствора и повышается смачивающая способность вещества.

25. Капиллярное поднятие жидкости, уравнение Жюрена

Процесс капиллярного поднятия жидкости является очень важным процессом и имеет достаточно широкое применение.

В этом случае можно рассматривать капиллярное давление (разность давлений в соседних фазах, которые разделены искривленной поверхностью) как добавление, которое в зависимости от знака кривизны может уменьшать или увеличивать давление внутри капли.

При контактах жидкостей с твердыми телами важной характеристикой является краевой угол смачивания, который может образовываться между поверхностями жидкости и твердого тела.

Если происходит достаточное смачивание твердой поверхности, при котором угол смачивания меньше 90°, говорят о гидрофильности вещества, если же угол велик и составляет больше 90°, говорят о процессах гидрофобности.

При условии смачивания поверхности жидкостью стенок капилляра ее поверхность будет казаться искривленной и иметь т. н. отрицательный радиус кривизны r.

В результате такого процесса давление в жидкости над поверхностью оказывается понижено по сравнению с тем давлением, при помощи которого жидкость будет подниматься по капилляру до тех пор, пока капиллярное давление не будет уравновешено:

Pσ = H(ρ1 – ρ11)g,

где r1, r11 – плотности жидкости и ее насыщенного пара; g – ускорение свободного падения; H – высота подъема жидкости.