Поверхность минеральных частиц

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Поверхность минеральных частиц

30.09.2020

Одной из наиболее существенных трудностей, неизбежно возникающих при изучении тех или иных теоретических вопросов флотации, является малая изученность особенностей тонкой структуры поверхности минеральных частиц. Этот вопрос очень сложен. Для его решения требуется применение тончайших методов исследования. Установить в общей форме характеристику минеральных поверхностей и классифицировать минералы по данному признаку ввиду большой специфичности состава и строения минеральных поверхностей чрезвычайно трудно.

Между тем, характер поверхности минеральных частиц играет решающую роль при их взаимодействии с реагентами. Ниже характеризуются общие особенности поверхностей минеральных частиц, которые оказывают влияние на их взаимодействие с реагентами.

Химический состав поверхности минеральных частиц определяется не только химической формулой минерала. Значительные коррективы могут быть внесены и вносятся направлением плоскостей, по которым разрушаются минералы и их сростки при измельчении и от вторичных изменений поверхности (при адсорбировании ионов, молекул газов; при окислении минералов и т. п.).

Большую роль в определении адсорбционной и химической активности кристаллической поверхности играет ее неоднородность. Даже решетки идеальных кристаллов имеют множество различных «микродефектов», размер которых того же порядка, что и размер ячейки кристаллической решетки. Эти дефекты связаны с искажениями правильности строения кристаллической решетки. Они подвижны и перемещаются по поверхности, значительно нарушая связи между отдельными ее узлами.

Поверхность кристаллов всегда покрыта огромным количеством трещин, в большинстве своем имеющих микроскопические размеры. На поверхности даже идеальных кристаллов немедленно после ее образования развивается сеть поверхностных трещин, отстоящих одна от другой на расстоянии десятков и сотен атомов и возникающих благодаря сжатию поверхности, обусловленному наличием неуравновешенных сил. В литературе имеется очень много сведений, согласно которым поверхность кристаллов реальных минералов пронизана трещинами; толщина трещин измеряется несколькими микронами. Так, трещины на поверхности чистого кварца имеют размеры около 6,5 А, По данным Ходота и Яновской, около 80% пор, пронизывающих поверхность частиц каменного угля, имеют диаметр меньше 10 u. Более крупные геометрические нарушения поверхности кристаллов связаны со специфичностью формы частиц. Особый интерес представляет определение формы мельчайших частиц с помощью электронного микроскопа. Например, частицы фосфата Актюбинском месторождения с размерами в несколько микрон, сфотографированные при увеличении в 16 000 раз (рис. 7, а), имеют на поверхности большое число впадин и выступов. Частицы же апатита той же крупности (рис. 7, б), сфотографированные при увеличении в 12 000 раз, имеют гораздо более ровную поверхность.

Применительно к флотационным системам следует подчеркнуть еще одну причину, обусловливающую изменение природы кристаллической поверхности флотируемых минералов.

В процессах измельчения руды происходит весьма значительное трение зерен руды о шары, футеровку мельниц и одной частицы о другую. При перемешивании пульпы во флотационных машинах (особенно при достаточно высокой плотности пульпы и интенсивном перемешивании) также осуществляется интенсивное взаимотрение минеральных частиц.

Трение неизбежно изменяет поверхность частиц. В пределе при полировке на поверхности кристалла образуется аморфный слой толщиной в несколько десятков ангстремов.

Часть кинетической энергии трущихся тел передается поверхности, структура которой нарушается, и атомы и молекулы перегруппировываются в менее упорядоченную структуру с большей потенциальной энергией. Несомненно, что выступающие участки минеральных частиц подвергаются большему трению, чем впадины. Этим усугубляется начальная неоднородность поверхности частиц.

Влияние неоднородности поверхности минеральных частиц на флотацию может быть значительно. Прежде всего от наличия микроскопических трещин и от формы мелких частиц зависит их удельная поверхность (суммарная поверхность 1 г частиц). Так, удельная поверхность 1 г частиц крупностью от 208 до 147 u у кварца равна 3000 см2 у пиролюзита же 155 000 см2. Особенно развита внутренняя поверхность у каменного угля, 1 г порошка той же крупности которого имеет суммарную поверхность 1500 000 см2. Геометрическая неоднородность поверхности частиц определяет величину площади, реагирующей с реагентами. Ho от конфигурации поверхности в известной мере зависит и характер взаимодействия реагентов с минералами. Так, например, имеется значительное различие адсорбционного потенциала в щелях и порах. Адсорбция под действием вандерваальсовых сил максимальна в щелях и углублениях и минимальна на выступающих углах и ребрах кристаллов. Адсорбция, вызываемая химическими силами, имеет наибольшее значение на ребрах и вершинах, среднее — на гранях и наименьшее — в щелях кристаллов. По данным Странского, энергия связи у ионов, находящихся на плоскости, на 40% меньше, чем у ионов, расположенных на ребрах, и на 375% меньше, чем у ионов, находящихся на внешних углах. При закреплении некоторых реагентов на минералах собственно адсорбционные процессы часто дополняются конденсацией реагентов в микротрещинах. Капиллярная конденсация происходит под действием вандерваальсовых сил.

Искажения идеального состояния поверхности кристаллической решетки минералов, отмеченные выше, сильно влияют на адсорбционные свойства этой поверхности. Очень многими специальными исследованиями экспериментально установлено, что с увеличением неупорядоченности кристаллических решеток и, следовательно, при наличии дефектов поверхности возрастает хемосорбциопная и каталитическая активность поверхности. Очевидно, в этом случае межатомные силы менее полно используются для связи элементов решетки и в большей степени направлены в среду, окружающую поверхность.

Физико-химические свойства мельчайших микроскопических участков поверхности минеральных частиц весьма различны. Рогинский считает, что «Количество надежных наблюдений, свидетельствующих о неоднородности поверхности твердых тел и о наличии на этих поверхностях особых, активных участков, велико. Всякая теория, игнорирующая это обстоятельство, в определенный момент должна неизбежно прийти к расхождению с опытом...».

Общепризнано, что большинство твердых поверхностен состоит из участков резко различной каталитической активности. Обычные поверхностные реакции на твердых телах протекают преимущественно на локализованных «активных участках», составляющих лишь некоторую часть поверхности. Отравление твердых катализаторов производится небольшими количествами «ядов», недостаточными для покрытия всей поверхности. Полное отравление флотации также возможно ничтожно малыми количествами флотационных «ядов», совершенно недостаточными для покрытия ими всей поверхности минеральных частиц. Теплота адсорбции газов на отдельных участках поверхности сильно колеблется. Известно, что теплота адсорбции первых порций газов значительно выше, чем вторых. Работа смачивания разных граней кристаллов (например, гипса) существенно различна. Число подобных примеров очень велико.

Неоднородность минеральных поверхностей неизбежно сказывается на их флотационных свойствах, влияя на процесс закрепления поверхностно активных веществ и гидратации.

На влияние неоднородности поверхности минералов на их взаимодействие с реагентами особенно четко указывал Глембоцкий. Позже Уэлч пришел примерно к тем же выводам, подтвердив, что минералы с дефектами кристаллической решетки в общем обладают повышенной активностью взаимодействия с реагентами.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: