Теплота змочування

При змочуванні виділяється теплота, рівна різниці повних поверхневих енергій, чи ентальпій шарів після змочування Н₂ і до змочування Н₁ . Ентальпія змочування

.

Так як в результаті адсорбції енергія Гіббса рідини зменшується, то змен-шується і тиск її пари. Відповідно змінюється і температурна залежність цієї величини, тобто теплота випаровування 

де V – різниця об’ємів пари та рідини. Різниця між теплотами випаровування чистої рідини і тої ж рідини, що змочує тверде тіло, і є теплота змочування. Таким чином, визначають ізотерми адсорбції і по залежності логарифма тиску пари від оберненої температури обчислюють теплоту змочування. Для визна-чення теплоти змочування дисперсних систем її переважно відносять до маси тіла.

Теплоту змочування визначають для систем з розвинутою поверхнею (по-рошків і пористих тіл). В розрахунку на 1 см² вона зазвичай знаходиться в ме-жах від 2∙10^-2 до 2∙10^-4 Дж/см², хоч і можуть мати місце різні коливання. На сьогоднішній день для визначення теплоти змочування використовують кало-риметрію.

Практичне значення явища змочування

Змочування має вкрай важливе значення для успішного проведення ряду важливих технологічних процесів. Наприклад, змочування тканин чи волокон в текстильній технології (відбілювання, прання, фарбування, просочування та ін.). Ефективне використання інсектофунгіцидів важко уявити собі без ефектив-ного змочування, оскільки як листя рослин так і шерстяний покрив тварин є в тій чи іншій мірі гідрофобними поверхнями. Буріння різного роду свердловин в земній поверхні теж вимагає використання різних змочуючих розчинів. Важливу роль відіграє змочування при склеюванні різних поверхонь, нанесенні лакофарбових та антикорозійних покрить.

Дуже важливою і в той же час досить складною галуззю застосування хімії поверхонь є флотаційне збагачення та розділення мінеральних руд. Цей метод має виключну цінність для добувної промисловості, тому що дозволяє економічно обробляти великі кількості подрібнених руд і відокремлювати цінні мінерали від пустої породи. Для більш повної уяви про важливість флотаційного розділення слід навести деякі приклади. Якби не флотація, то добування деяких металів було б практично неможливо здійснити. Зокрема, вміст міді в руді в середньому становить 0,7 - 1,5 %; цинку – 2 - 4 %; молібде-ну  0,1 - 0,5 %, а для металургії необхідно міді  20 - 30 %; цинку – 50 - 60 %; молібдену – 50 %.

В основі флотаційних процесів є різниця в змочуванні рідкою фазою частинок пустої породи і цінного мінералу.

Флотацією називається збагачення, засноване на вибірковому прили-панню (змочуванні) мінеральних частинок, що знаходяться у воді у підві-шеному стані, до поверхні пухирців повітря.

Флотація (піднімання в піну) здійснюється: а) при прилипанні до вели-кого повітряного пухирця багатьох дрібних частинок флотованого матеріалу; б) утворенням укрупнених агрегатів, що включають декілька частинок флото-ваного матеріалу, зв’язаних прилипнувшими до них пухирцями повітря; в) при-липанням дрібних пухирців повітря до однієї великої частинки матеріалу.

В процесі пінної флотації велику роль набуває адсорбція, яка сприяє концентруванню флотаційних реагентів в між фазових шарах.

Історично флотація як процес розділення мінеральних компонентів від пустої природи бере свій початок десь з 1920 року. Спочатку процес проводився в присутності жирів або масел. Пізніше масляна флотація була замінена так званою пінною флотацією. При використанні пінної флотації до пульпи (дрібнодисперсної водної суміші мінеральної руди) додають невелику кількість масла і вспінюють, перемішуючи її або пробулькуючи через неї пухирці повітря. Часточки мінералів концентруються в утвореній піні, яку постійно чи періодично знімають за допомогою спеціальних пристроїв. Для цих цілей в промисловості випускається багато різних добавок, які адсорбуючись на мінеральних часточках змінюють крайовий кут в бажаному напрямку. До таких добавок відносяться колектори, активатори підсилюючі дію колектора; дипресанти, що селективно пригнічують дію колектора, і піноутворювачі, сприяючі утворенню піни.

В процесі флотації часточки руди захоплюються пухирцями повітря і, вспливаючи з ними (рис. ), міцно утримуються в піні. Теорією, що пояснює процес флотації є змочування, але при цьому не слід відмежовуватись і від електростатичної взаємодії між часточками руди та повітряними пухирцями (зарядженими позитивно).

Флотацію можна розділити на флотацію рудних і нерудних мінералів.

Для доброї флотації мінералів важливо, щоб крайовий кут на трифазній межі часточка – розчин – повітря був достатньо великим. Деякі мінерали, наприклад, графіт, по своїй природі гідрофобні. Однак, навіть при їх флотації в систему вигідно вводити колектори – речовини, які адсорбуючись, утворюють на твердій поверхні гідрофобну плівку. Роль таких колекторів особливо важлива, якщо проводиться збагачення гідрофільних мінералів, наприклад кремнезему.

Прикладом складності флотаційних процесів може служити поведінка лауринової кислоти при флотації мідної руди: адсорбована кислота присутня на поверхні мінеральних часточок або як лаурат міді, або у вигляді лаурат-іонів. Окрім великого крайового кута, при флотації бажано також, щоб пухирці, навантажені мінеральними часточками, не тріскались при досягненні поверхні, т.т. щоб пухирці утворювали в міру стійку піну. З цією метою в систему зазвичай додають різні піноутворювачі, наприклад довголанцюгові спирти, соснове масло і т.п.

На перший погляд може видатись, що найкращі умови флотації забезпечуються в тому випадку, коли колектор утворює щільний моношар, при якому крайовий кут повинен бути (і це в дійсності так) найбільшим. І все таки було доказано, що флотація оптимальна в таких системах, в яких адсорбція колектора відповідає всього 5 – 15 % щільного шару. При більшій адсорбції колектора адгезія пухирців повітря до часточок руди зменшується.

Основна умова доброї флотації – великий крайовий кут – зводиться до до забезпечення негативної різниці _ТГ - _ТР, де _ТГ  поверхневий натяг на межі тверде тіло  газ; _ТР  тверде тіло  розчин. Адсорбція колектора на поверхні розділу часточка – рідина непрямо сприяє цьому, оскільки при цьому між-фазовий натяг між адсорбованою плівкою і рідиною може бути вищим, ніж відповідна величина для поверхні розділу плівка – повітря. Проникнення піноутворювача в плівку на межі з повітрям дає проміжний ефект, знижуючи _ТГ , але мало впливаючи при цьому на _ТР.

Однак, як правило, дія піноутворювача і колектора не є незалежною одна від одної. Роль піноутворювача зводиться до стабілізації контакту між час-точкою і пухирцем, а сама по собі його здатність до утворення піни має друго-рядну роль. Окрім того, мінералізовані пухирці самі дають стійкі пінні системи. При флотації нерудних матеріалів наприклад солей хлориду калію, і нероз-чинних оксидів, наприклад кварцу чи оксиду заліза. В таких випадках важливу роль в адсорбції колектора відіграють і інші фактори. Прикладом може служити флотаційне відділення сільвіна (КCl) від галіту (NaCl) в насичених розчинах за допомогою довголанцюгових амінів, наприклад солі додециламо-нію. Дуже дивним є те, що дві дуже подібні солі розділюються таким простим реагентом. Це можна пояснити тим, що розмір іона RNH₃⁺ дозволяє йому входити у вакансію К⁺, але не дозволяє витісняти іон Na⁺. Таким чином, міцну адсорбцію амінів на сільвіні можна розглядати як свого роду ізоморфний поверхневий натяг.

Флотація нерозчинних мінеральних оксидів краще всього пояснюється на основі теорії подвійного електричного шару. В цьому випадку потенціал по-верхні мінералу має таке ж важливе значення, як і специфічна хімічна взає-модія. Потенціалвизначаючим іоном для оксидів є іон водню, причому рН точки нульового заряду сильно залежить від природи поверхні самого оксиду.

Молекули колектора, адсорбованого на оксиді, очевидно, розташовують-ся в штернівському шарі, тобто адсорбція спричинює зменшення потенціа-лу. При високих ступенях заповнення поверхні колектора потенціал може на-віть перевертатись (змінювати знак на протилежний). Це може служити під-твердженням, що в таких системах хімічні сили по меншій мірі співмірні з електростатичними.

Адсорбцію колектора можна підсилювати або ослаблювати вводячи в систему багатозарядні іони, що сприяють адсорбції або пригнічують її.

Процес ведуть в спеціальних „машинах”, що є великими горизонталь-ними посудинами із водою, що енергійно перемішується шнековими мішалка-ми і постійним продуванням повітря знизу. До сировини – пульпи додають різні добавки – реагенти – збирачі або колектори. Їхня роль полягає у вибір-ковій адсорбції не поверхні частинок мінералу і підвищенні їх гідрофобності. Інколи вони можуть змочувати частинки тонкою плівкою ізолюючи їх тим самим від води. Це призводить до зменшення змочування водою таких частинок завдяки чому вони прилипають до повітряних пухирців і спливають разом із ними на поверхню води. Частинки пустої породи, наприклад кварцит, добре змочується водою і вивантажується із флотаційної машини в нижній її частині. Окрім колекторів при флотації використовують піноутворювачі і регулятори. Роль піноутворювачів полягає в збільшенні поверхні розділу роз-чин газ, що в свою чергу сприяє кращій флотації.

Флотацією переробляють – збагачують сульфідні, нікеле- і золотоносні руди, кальцит, флюорит, барит (сульфат барію), шеєліт (вольфрамат кальцію), карбонат і оксид марганцю, оксиди заліза, гранатові породи, титан, оксиди кремнію і сілікати, вугілля, графіт, сірку і деякі розчинні солі, наприклад силь-вініт (хлорид калію).