Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Инженерная экология: защита литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов

Принцип флотации

Рассмотрим пузырек воздуха, проходящий через слой жидкости. Если такой пузырек придет в соприкосновение со взвешенной в жидкости (например, вследствие завихрения, перемешивания) частицей твердого тела (заштрихованная окружность на рис. 2.8), то результат этого соприкосновения будет зависеть от угла смачивания 0 для системы «данное твердое тело — вода — воздух». Если смачиваемость поверхности твердого тела водой является идеальной и, следовательно, угол смачивания 0 = 0, не может наступить соприкосновение внутренней части пузырьков газовой фазы с твердым телом, так как эти две фазы всегда будет разделять слой жидкости, полностью покрывающий частицу твердого тела (рис. 2.8, а). Вследствие этого частица не будет «поймана» пузырьком при их совместном столкновении. Пузырек, следовательно, пойдет свободно вверх, а частица или осядет вниз, или будет унесена струей жидкости.

Принцип флотации

Рис. 2.8. Принцип флотации

Когда частица твердого тела хотя бы в малой степени смачивается жидкостью, т.е. когда угол 0 > 0, но является небольшим, то (как показывает рис. 2.8, б) может наступить непосредственное соприкосновение небольшой части поверхности твердого тела (соответствующей углу 0) с газовой фазой. Частица твердого тела будет

«поймана» пузырьком и осядет на нем (как на баллоне). Однако вследствие малого угла смачивания периметр участка частицы, находящегося внутри пузырька, будет мал, а следовательно, силы поверхностного натяжения будут невелики и не смогут преодолеть силу тяжести твердого тела в жидкости. Поэтому соединение пузырька с частицей твердого тела будет непрочным, легко нарушаемым, и пузырек не сможет унести твердую частицу вверх.

В случае плохой смачиваемости, когда угол в является значительным (рис. 2.8, в), большая часть поверхности частицы окажется внутри пузырька. Такая частица будет достаточно прочно связана с пузырьком вследствие действия сил поверхностного натяжения и поэтому будет унесена вверх. Часть частицы, находящаяся в пузырьке, установится так, что силы поверхностного натяжения уравновесятся с весом твердого тела, находящегося в жидкости. Отсюда следует, что способность пузырька «поймать» частицу твердого тела зависит от угла смачивания и от поверхностного натяжения жидкости. Можно также прийти к выводу, что частица твердого тела должна быть мала по сравнению с пузырьками воздуха, так как в противном случае вес частицы будет больше по сравнению с силами поверхностного натяжения.

Аналогичные факты известны уже из физики. Если осторожно положить чистую стальную иголку (следовательно, плохо смачиваемую) на поверхность воды, то иголка не потонет, а будет удерживаться на поверхности воды действием сил поверхностного натяжения. Если же поверхность иголки будет покрыта ржавчиной (значит, будет лучше смачиваться), то, несмотря на осторожное помещение этой иголки на спокойную поверхность воды, она утонет.

Следовательно, если через взвесь твердых тел в воде пропускать с помощью барботера воздух в виде струи пузырьков, то эти пузырьки будут захватывать твердые частицы и уносить их на поверхность.

Изменение свободной поверхностной энергии в зависимости от толщины прослойки между твердой поверхностью частицы и пузырьком воздуха при их сближении показано на рис. 2.9.

В начальный период сближения частицы и пузырька вода из гидратной прослойки h{ удаляется относительно легко (участок ветви а). При дальнейшем сближении пузырька и твердой поверхности с момента соприкосновения гидратных оболочек, начиная с h2 (точка б), сопротивление воды ее удалению резко возрастает. Свободная энергия прослойки повышается. В интервале расстояний от И3 до h4 между сближающимся пузырьком и твердой поверхностью прослойка вследствие снижения свободной энергии

Изменение свободной поверхности энергии прослойки воды между твердой поверхностью частицы и пузырьком воздуха при их сближении

Рис. 2.9. Изменение свободной поверхности энергии прослойки воды между твердой поверхностью частицы и пузырьком воздуха при их сближении

становится неустойчивой (интервал кривой между точками виг), и происходит самопроизвольный разрыв гидратной оболочки с большой скоростью. Пузырек скачком прилипает к твердой поверхности, образуя с ней определенную площадь контакта. В дальнейшем эта площадь может дополнительно расширя) Остаточный слой устойчиво связан с твердой поверхностью и является ее своеобразным продолжением. Его удаление с поверхности приводит к значительному возрастанию свободной энергии (кривая г—д) и сопряжено с затратой большого количества внешней энергии.

Чтобы пузырек мог прилипнуть к частице, должен быть преодолен энергетический барьер, т.е. необходимо действие каких-то внешних сил, которые, совершив работу, необходимую для утончения прослойки до определенного значения, обеспечили бы их слипание. При столкновении пузырька с крупной частицей, обладающей высокой кинетической энергией, его поверхность вдавливается. Пузырек при этом стремится немедленно вернуться в энергетически более благоприятное состояние и восстанавливает сферическую форму. Поверхность пузырька выравнивается и отталкивает частицу. Время контакта и сила адгезии для крупных частиц недостаточна и их закрепление на пузырьках не происходит. Мелкие частицы имеют большее время контакта вследствие их скольжения по поверхности пузырька от точки первоначального соприкосновения с пузырьком, поэтому вероятность их закрепления выше. Очень мелкие частички с малой инерцией и относительной скоростью в основном следуют с омывающими потоками, препятствующими их прикреплению. С пузырьками взаимодействуют лишь частицы, находящиеся в потоках, проходящих вблизи поверхности пузырьков. Оптимальными относительными скоростями движения частиц флотационной крупности и пузырьков являются скорости от 2 до 10 см/с. При таких скоростях их каждое столкновение заканчивается прикреплением. При скоростях от 10 до 15 см/с прилипание частиц к пузырькам происходит при повторном столкновении. Когда относительные скорости превышают 15 см/с, прилипание наблюдается в редких случаях. Время контакта частиц с пузырьками, необходимое для их слипания, — от 0,02 до 1,5 м/с.

Закрепление и упрочение на пузырьках прилипших частиц является необходимым условием флотации. Закрепление пузырька воздуха следует непосредственно за разрывом гидратной пленки.

Закрепление частицы на пузырьке завершается образованием трехфазного периметра смачивания в системе «пузырек — частица — водная среда». Экспериментально установлено, что равновесие в рассматриваемой системе с образованием конечного краевого угла наступает через минуты и десятки минут. В реальных условиях в турбулентно движущихся потоках пульпы во флотационных машинах закрепление может длиться миллисекунды, а упрочение частицы на пузырьке происходит на всем пути движения пузырька в пенный слой в течение нескольких секунд. В перемешиваемой пульпе минерализованные пузырьки движутся с изменяющимися скоростями по самым разнообразным траекториям, что приводит к появлению инерционных сил, отрывающих частицы от пузырьков. Вероятность такого отрыва тем выше, чем меньше прочность прикрепления и больше масса частиц.

Скорость роста сил притяжения должна быть больше возможных скачков сил отрыва. Когда прочность прилипания не успевает возрасти до величины, необходимой для уравновешивания возникающих сил отрыва, частицы отрываются от пузырьков.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы