Пенообразователи

31.07.2018
Как отмечалось ранее, мы при флотации стремились перевести минералы с образованными на них гидрофобными поверхностями в верхний слой пульпы, состоящий из пены или скопления пузырьков воздуха, окруженных более или менее сложными оболочками. Наличие количества пузырьков, их эластичность, условие образования их и даже условия модифицированного прохождения через пульпу во время флотации — все это имеет существенное значение для качественно-количественной стороны вопроса.

Как мы видели из примера 1, введение пенообразователя является абсолютно необходимым, чтобы обеспечить нормальную флотацию, так как коллекторы, как видно из классификации реагентов, обычно не в состоянии обеспечить необходимого ценообразования в пульпе.

Частицы жидкостей и твердых веществ, входящие в состав оболочек пузырьков, находятся под влиянием силы тяжести, стремящейся передвигать их вниз. При этом пузырьки пены лопаются, и заключенный в оболочках воздух становится свободным.

Таким образом, обычно при флотации слои пены постоянной высоты можно сохранить в течение нескольких минут только путем ввода тем или иным образом в пульпу новых пузырьков воздуха. В исключительных случаях устойчивость пены достигает не только нескольких десятков минут, но даже доходи г до нескольких дней. Равновесие в пене динамическое, иона представляет собой систему неустойчивую. При возникновении пены происходит значительное увеличение поверхности раздела между жидкой и газовой фазами, чему противодействует поверхностное натяжение, свойственное каждой жидкости при обычных температурах.

Таким образом, вполне очевидно, что для флотационного процесса образование пенного слоя является весьма существенной задачей, и качество пены, независимо от количества выносимого материала (задача собирателей) должно быть обеспечено соответствующим подбором пенообразователя.

Поверхностное натяжение и пенообразование. Одной из задач ввода пенобразователя в пульпу является понижение поверхностного натяжения пульпы. Поверхностное натяжение воды на границе раздела с воздухом (см. табл. 2) равно 72,8 дин/см при 20° С (или 73 дин/см при 15 °С). По сравнению с водой поверхностное натяжение у расплавленных металлов принимается порядка 400—1200 дин/см, тогда

как у органических соединений оно варьирует в пределах 20—60 цин/ск. Поверхностные натяжения насыщенных растворов солей обычно выше таковых у воды на 5—50%. Чем выше расход (в г/т) пенообразователя, тем ниже становится поверхностное натяжение воды. О характере изменения поверхностного натяжения воды при прибавлении некоторых стандартных пенообразователей можно судить по данным фиг. 18, где поверхностное натяжение измерялось при температуре в 20° С.

Изучение органических соединений, как пенообразователей, показало, что поверхностное натяжение воды при смешении с ними зависит от их структуры.

Пример 29. По табл. 5 разберем зависимость между длиной углеводородной цепи иповерхностным натяжением воды b в смеси вода — органический пенообразователь.

Таким образом, из данных этой таблицы мы видим, что в разных грунтах (кислоты, амины и спирты) наблюдается резкое снижение 8 воды при увеличении в цепи числа атомов углерода (на что указывал и Траубе). Можно считать, что на одну группу CH2, входящую в гидрокарбоновую цепь, растворимость понижается на одну треть. Кроме того, наиболее эффективные пенообразователи относятся к более дорогим сортам реагентов (например цитронеллол — первичный спирт из душистых эфирных масел).

Характеристика строения и состава молекул пенообразователей. Если в жидкости, содержащей в растворе поверхностно-активное вещество, поднимается пузырек воздуха, то на пограничной поверхности воздух — жидкость происходит адсорбция растворенного вещества, и на поверхности пузырька образуется почти мономолекулярный слой растворимого поверхностно-активного вещества. В таком случае говорят, что пузырек «омаслен». При этой адсорбции, в силу полярных свойств молекул вспенивателя, происходит вполне определенная ориентировка их. Поэтому большинство молекул вспенивателей должно обладать гетерополярным строением, причем особенно необходимым условием является, чтобы адсорбция этих молекул происходила только на поверхности раздела вода — газ, а не на поверхности переходящих в пену минеральных частиц.

Влияние химического строения на свойства вспенивателей. А. Ф. Tаггарт на основании ряда исследований многих вспенивателей для определения зависимости их вспенивающих свойств от химического строения нашел, что свыше 97% всех исследованных вспенивателей содержало полярные группы, состоящие из кислородных радикалов. Эти группы можно расположить в следующем порядке: гидроксил ОН, карбонил CO, карбоксил СООН, карбамид СОН, сложный эфир СОО, эфир COC; менее сильное влияние оказывает амидогруппа NH2.

Согласно выводам Таггарта, для достаточно сильного пенообразования необходимо, чтобы к кислородной группе вспенивателя была присоединена цепь по меньшей мере из шести углеродных атомов. Вспениватели должны обладать растворимостью в воде около 1 г/л, хотя иногда и более растворимые вещества являются хорошими вспенивателями. Если же обе жидкости не смешиваются друг с другом, то не образуется никакой пены, так как при этом не происходит никакой адсорбции.

Пример 30. Для сравнения пенообразующей способности вспенивателей А.Ф. Таггарт выработал метод, позволяющий измерять общее количество всплывающей пены, а именно: твердых частиц и жидкостей вместе при применении изучаемых вспенивателей в одних и тех же условиях, т. е. при том же количестве руды и при той же продолжительности флотации. (Н.А. Алейников, а также С.А. Кузин разработали другой метод, где измеряется работа, совершаемая при флотации воздухом в присутствии данного вспенивателя). Эти количества, выраженные Таггартом в граммах на 0,028 м3 воздуха, дают показатели для сравнения различного вспенивающего действия реагентов. Все эти данные, полученные с одним и тем же материалом, дают показатели, приведенные в нижеследующей таблице:

Приведенные цифры согласуются с известными из практики фактами; например, сосновое масло обладает наибольшей вспенивающей способностью, так же, как и высшие гомологи фенола и анилина являются лучшими вспенивателями, нежели оба эти вещества.

Из приведенной табл. 6 видно, что крезол является более сильным вспенивателем, нежели фенол. Последний в малых концентрациях дает непрочную пену, так как однооензольное кольцо его не является достаточно гидрофобным, чтобы компенсировать гидрофильное свойство гидроксила. Если ввести вместо одного водорода в бензольном кольце метальную группу, то гидрофобные свойства аполярного кольца увеличатся, и крезол станет уже хорошим вспенивателем. Еще более гидрофобным является гидроароматическое кольцо с метилом и изопропилом в терпинеоле, который поэтому оказывается прекрасным вспенивателем. Так, как в состав соснового масла входит около 50% терпинеола, то присутствие этого соединения является причиной сильного влияния соснового масла на образование пены.

Как правило, можно высказать следующее положение: понижение поверхностного натяжения воды, а следовательно, и влияние на свойства пены у ряда веществ будет пропорционально концентрации углеродных атомов в аполярных группах и обратно пропорционально растворимости данного вещества в воде. Эта растворимость уменьшается с увеличением числа углеродных атомов в аполярной группе. Ho если гидрофобная углеводородная группа вспенивателя становится достаточно большой, то растворимость такого вещества в воде делается крайне малой. Поэтому такое вещество трудно разделяется на молекулы при переходе в раствор и то ничтожное количество молекул, которое находится в растворе, быстро адсорбируется поверхностью воды, и воздействие его на пенообразование прекращается. Например, цетиловый спирт CH3*(CH2)14*ОН обладает настолько перегруженной аполярной группой, что совершенно не дает пены. Если же вместо гидроксила взять карбоксил, являющийся значительно более сильной гидрофильной группой, то у кислот, особенно у их солей (мыла), несмотря на значительное количество атомов углерода в аполярных группах, вновь возникает сильное воздействие на образование пены.

Сравнение анилина и толуидина с фенолом показывает, что амидогруппа NH2 не является такой гидрофильной группой, как ОН. Таким образом, анилин и толуидин не могут расплываться по поверхности воды с такой быстротой, как фенол и крезол, а значит, и не могут достаточно быстро уменьшать поверхностное натяжение при увеличении поверхности во время образования пены. Ho именно эта быстрота в восстановлении нарушенных условий равновесия на поверхностях во время пенообразования и способствует прочности пены и является характерным признаком хорошего вспенивателя.

Особенно важным является у хороших вспенивателей их способность (как это видно из кривых адсорбции) даже при ничтожных концентрациях сильно понижать поверхностное натяжение воды. Так, например, для успешной флотации с хорошим собирателем, как показали опыты Годена, достаточно присутствия в воде 0,002% соснового масла, чтобы поверхностное натяжение воды понизилось с 73 до 70 эргов/см2, тогда как присутствие в воде 0,01% этого масла понижает поверхностное натяжение до 63,5 эргов/см2.

Таггарт, Тейлор и Инс) пришли к выводу, что за малыми исключениями хорошие пенообразователи должны содержать в своей молекуле только одну полярную группу, предпочтительней из ряда, указанного выше, в виде гидроксила, карбоксила или карбонила или же в виде азотистого соединения NH2 или CN.