3. Физико-химические основы пенной флотации.

Главную роль при проведении флотации диспергированных примесей играют поверхностные силы, а именно силы межмолекулярного притяжения (силы Ван-дар-Ваальса), силы электростатического взаимодействия, которые возникают при перекрывании двойных электрических слоев частиц, или частиц и пузырьков газов и силы гидратации любых гидрофильных групп на поверхности частиц. Именно действие этих трех сил определяет смачиваемость или несмачиваемость частицы водой. Следует отметить, что в основе пенной флотации лежит выделение нерастворенных примесей разной степени дисперсности с помощью пузырьков газов. Поэтому процессы ионной, молекулярной флотации следует отнести к пенному фракционированию, где процесс сводится к изъятию самого активного-поверхностно-активного вещества из раствора, так как ионы или молекулы, образуя стабильные комплексы с активными-поверхностно-активными веществами, приобретают свойства самих поверхностно-активных веществ. Т.е. изъятие молекул и ионов из ПАВ осуществляется по тому же механизму, что изъятие самых ПАВ.

В процессе пенной флотации эффективность очистки главным образом зависит от эффективности прилипания частиц к газовым пузырькам. Именно благодаря образованию ассоциатов пузырьков с взвешенными примесями происходит очищение воды. Агрегаты взвешенных веществ с пузырьками газов имеют меньшую плотность чем плотность воды, которая оказывает содействие их выплыванию на поверхность воды. Прилипание взвешенной частицы к пузырьку газов тем сильнее, чем меньшая ее смачиваемость водой, или чем меньше ее гидрофильность. Мерой смачиваемости, или гидрофильности твердого вещества водой является краевой угол смачиваемости. Полное смачивание вещества водой будет при краевом угле смачивания, равном нулю и полное прилипание частицы к пузырьку воздуха будет при краевом угле смачивания, равном 180^о. Большие значения угла смачивания соответствуют гидрофобным веществам, а малые значения – гидрофильным веществам. Есть много веществ в которых угол смачивания равен нулю (полное смачивание) и практически из всех известных гидрофобных веществ ни в одной угол смачивания не превышал 150^о.

При проведении флотации для повышения эффективности процесса целесообразно тем или другим способом повышать гидрофобность примесей. Изменение гидрофобности примесей может происходить при адсорбции их на поверхности ПАВ. Поскольку, ПАВ используют в случае гидрофильных примесей, то при использовании ПАВ гидрофобность примесей повышается. ПАВ в процессе пенной флотации используют как пенообразователи так и коллекторы. В том случае, когда ПАВ используется для повышения гидрофобности взвешенных примесей их можно рассматривать как коллекторы. В том случае, когда они используются для снижения поверхностного натяжения жидкости, то их можно рассматривать как пенообразователи. На самом деле, при внесение ПАВ они влияют и на поверхностное натяжение, и на гидрофобность частиц. При малых концентрациях ПАВ в основном оказывают содействие гидрофобизации частиц, а при повышении концентрации приводят и к снижению поверхностного натяжения жидкости. Роль ПАВ как коллекторов сводится не только к уменьшению гидрофобизации частиц, но и к их укрупнению, т.е. как коллекторы мы можем рассматривать вещества способные к флокулирующему действию, которые оказывают содействие укрупнению и гидрофобизации частиц. При этом флокулянты в меньшей мере оказывают содействие уменьшению поверхностного натяжения жидкости. Уменьшение поверхностного натяжения жидкости приводит к повышению пенообразования, но при этом приводит к стабилизации пленки, которая образуется между пузырьками газов, и к стабилизации пленки, которая образуется между пузырьками газов и взвешенными частицами, что в общем случае ухудшает эффективность процесса флотации.

Процесс флотации можно рассматривать как трехстадийный процесс:

1. Постепенное сближение частицы с пузырьком воздуха с образованием на поверхности частицы смачивающей пленки;

2. Уменьшение толщины смачивающей пленки, которая разделяет пузырек и частицу, до достижения нестабильного состояния;

3. Разрушение смачивающей пленки и адгезия частиц к пузырькам воздуха. В этом случае все добавки, которые будут стабилизировать смачивающую пленку, будут приводить к снижению эффективности процесса флотации.

Эффективность флотации высокодисперсных частиц, размеры которых близки к коллоидным, в значительной мере зависит от эффективности взаимодействия двойных электрических слоев частиц и пузырьков. Чаще всего, снижение электростатического потенциала как частиц так и пузырьков приводит к снижению энергетического барьера и улучшению их способности к флотации. Чаще всего, наблюдается повышение эффективности флотации при снижении - потенциала частиц до нулевых значений. В этом случае эффективность процесса очистки повышается и за счет коагуляции частиц (их укрупнение). Тем не менее в отдельных случаях лишь нейтрализации поверхностного заряда частицы недостаточно для повышения эффективности процесса. Очевидно, что кроме нейтрализации поверхностного заряда частицы большую роль играет и нейтрализация зарядов пузырьков воздуха. Эффективность процесса также может быть высокой при снижении - потенциала частиц до значений отличных от нуля, в том случае, когда пузырьки воздуха также заряжены и заряд их противоположный заряду частиц. В этом случае электростатическое притяжение пузырьков к частицам оказывает содействие их адгезии, т.е. эффективность процесса флотации повышается при таких концентрациях добавок, при которых пузырьки воздуха и частицы противоположно заряжены, или имеют нулевое значение - потенциала. При одинаковых значениях поверхностных зарядов пузырьков и частиц и при высоких значениях - потенциала эффективность процесса флотации резко снижается.

Существенное влияние на эффективность процесса флотации имеют размеры частиц и пузырьков газов. При больших размерах частиц и микроскопических размеров пузырьков подъемная сила, которая будет действовать на агломераты может быть недостаточной для вынесения их на поверхность воды потому, что суммарная масса и объем пузырьков газов будут очень малыми в сравнении с массой и размером частиц.

В другом случае, когда размеры частиц будут существенно меньшими, чем размеры пузырьков газов эффективность флотации также может быть невысокой. В этом случае очень мелкие частицы будут двигаться по току жидкости, которая обтекает пузырьки и столкновение частицы с пузырьком происходить не будет. Для каждого размера пузырьков существует критический размер частички, которая может флотироваться. Столкновение меньших частиц с пузырьками не происходит. Например: наименьший размер частицы галонита равный 3*10⁴ нм, эффективный диаметр пузырьков составляет 1∙ 10⁵ нм.

В общем случае изъятия очень мелких частиц флотацией возможно улучшить эффективность повышая дисперсность пузырьков воздуха.

В первом приближении скорость флотации прямо пропорциональная частоте генерирования пузырьков при постоянной скорости продувки воздуха. Для достижения минимального размера пузырьков необходимо, чтобы частота генерации была максимальной при постоянной скорости подачи воздуха. Это касается в основном изъятия мелко-дисперсных частиц, размер которых приближается к размеру коллоидных частиц. Для таких частиц скорость флотации обратно пропорциональна корню кубическому из квадрата диаметрв пузырьков воздуха.

Для крупных зависших частиц важно, чтобы пузырьки были крупными и скорость флотации прямо пропорциональна квадрату диаметра частиц.