ГИСТЕРЕЗИС СМАЧИВАНИЯ - Флотационный метод обогащения

Явление гистерезиса, затрудняющего достижение равновесного состояния, присуще многим физическим и физико-химическим процессам, в том числе процессу образования равновесного краевого угла, соответствующего минимальному значению свободной энергии системы.

При перемещении периметра смачивания по поверхности твердого тела обычно возникает противодействующая ему гистерезисная сила. Например (рис. 9, а), если жидкая фаза наступает на газообразную, то возникает гистерезисная сила ш1 направленная внутрь жидкой фазы. Если же наступает газообразная фаза на жидкую, то возникает гистерезисная сила ш2 направленная внутрь газообразной фазы. Гистерезисные силы ш1 и ш2 возникающие при наступлении жидкой фазы на газообразную и газообразной на жидкую, неодинаковы. Различны и образующиеся при этом гистерезисные краевые углы натекания иН и оттекания иО (рис.9, а).

гистерезис смачивания твердого тела (т) водой (ж) и воздухом (г)

Рис. 9. Гистерезис смачивания твердого тела (т) водой (ж) и воздухом (г).

При наступлении жидкой фазы на газообразную при некотором значении гистерезисного краевого угла натекания иН наступит равновесие сил:

УЖ-Т + уГ-Ж cos иH + ш1 = уГ-Т, откуда:

Cos иH = (уГ-Т - уЖ-Т)/ уГ-Ж - ш1/ уГ-Ж = cos иР - ш1/ уГ-Ж.

Из последнего уравнения следует, что cos иH< cos иР и иН>иР, т. е. при наступлении жидкой фазы на газообразную гистерезисный краевой угол больше равновесного.

Аналогично выражение для гистерезисного краевого угла оттекания иО найдем из условия равновесия:

УГ-Т + ш2 = уЖ-Т + уГ-Ж cos иО

Следовательно, cos иО > cos иР и иО < иР , т. е. при наступлении газообразной фазы на жидкую гистерезисный краевой угол меньше равновесного.

Разность косинусов гистерезисных углов называют (по П. А. Ребиндеру) гистерезисом смачивания:

H' = cos иО - cos иН = cos иР + ш2/уГ-Ж - (cos иО - ш1/ уГ-Ж) = (ш2 + ш1)/уГ-Ж.

Физико-химические причины, вызывающие гистерезис смачивания, связаны в основном с формированием пограничных (гидратных) слоев жидкости на поверхности раздела фаз при наступлении водной фазы на газообразную и разрушением их при наступлении газообразной фазы на водную. При этом наблюдаются следующие закономерности: на гладких поверхностях гистерезис меньше, чем на шероховатых; на более гидрофобных поверхностях при наступлении водной фазы он больше, чем на более гидрофильных; при наступлении жидкой фазы на газообразную гистерезис больше, чем при наступлении газообразной фазы на жидкую.

Гистерезисный краевой угол при закреплении пузырька на горизонтальной поверхности твердого называют иногда углом контакта иК. В этом случае (рис. 9, б):

Cos иК = (уГ-Т - уЖ-Т)/ уГ-Ж + ш/уГ-Ж = cos иР + шуГ-Ж = cos иР + h,

Где h -- гистерезис смачивания.

Значения h' и h могут несколько различаться, так как в уравнении гистерезиса смачивания используются крайние значения гистерезисных углов иН и иО, а в уравнении угла контакта - постоянное вдоль всего периметра контакта значение угла иК, что более предпочтительно.

Поскольку гистерезис смачивания (h' или h) определяется значениями гистерезисной силы (ш, ш1 или ш2), он является чувствительным индикатором изменений, происходящих на поверхности твердого тела и пузырька под влиянием флотационных реагентов и внешних воздействий.

В результате образования по периметру контакта пузырька с частицей легко подвижной каймы, например, аполярного реагента и адсорбционной пленки на поверхности пузырька, его гистерезис смачивания обычно полностью исчезает. Однако, в этом случае вместо одной появляются три линейные границы раздела, поверхность пузырька до подложки не доходит и угол и характеризует наклон поверхности пузырька к горизонту на уровне верхнего края каймы (рис. 9,б). Поскольку в присутствии аполярного реагента значения уЖ-Г уменьшаются, это приводит, в соответствии с уравнением коэффициента в, характеризующего форму пузырьков, к увеличению в (уплощению пузырька) и росту и (если к этому нет каких-либо препятствий) без увеличения степени гидрофобности поверхности.

Для вычисления значений краевого угла, независимо от того, каким он является - гистерезисным или равновесным, рационально пользоваться при проведении исследований уравнениями Лапласа и коэффициента в, точно описывающими контуры любых капель и пузырьков; при этом очевидно, что и = 180° - ш.

Похожие статьи




ГИСТЕРЕЗИС СМАЧИВАНИЯ - Флотационный метод обогащения

Предыдущая | Следующая