Файл: colloid_grig.pdf

где х - расстояние в направлении движения жидкости. Умножая

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

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

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

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-

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

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

больше, тем больше краевой угол (гидрофобность частицы).

37