Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Оценка возможности термодинамического рассмотрения флотационных явлений


Термодинамика находит широкое применение в химии, металлургии, теплотехнике и других отраслях техники для анализа происходящих в них процессов.

Из термодинамики известно, что при постоянной температуре и постоянном давлении всякий процесс (или реакция) может протекать с конечной скоростью только в направлении, отвечающем уменьшению свободной энергии данной системы. Равновесное состояние системы отвечает минимуму ее свободной энергии. Эти положения термодинамики носят статистический характер, что указывает только на вероятность данного процесса. Для осуществления процесса, кроме термодинамических предпосылок, необходимо также наличие ряда конкретных кинетических условий.

Определяя движущую причину процесса при убыли свободной энергии, термодинамический анализ указывает только его возможное направление, совершенно не вскрывая сопротивления, возникающие при его осуществлении. Изучая только направление и результаты процессов, термодинамика не рассматривает такие важнейшие вопросы, как механизм и скорость процесса.

Эти особенности термодинамического метода необходимо учитывать при его практическом приложении, в частности при анализе флотационных явлений (в том числе процессов взаимодействия реагентов с поверхностями раздела флотационных фаз и процессов прилипания минеральных частиц к пузырькам воздуха).

Ранее работы в области теории флотации основывались на термодинамическом рассмотрении процесса закрепления минеральной частицы в поверхности раздела газ — жидкость. В ряде случаев этим даже исчерпывалось содержание понятия «теория флотации». В дальнейшем начали выдвигать многочисленные возражения против применения термодинамического метода для анализа неравновесных состояний систем, каковыми являются флотационные системы.

Необходимость установить возможность и границы применения термодинамического анализа процессов прилипания минеральных частиц к воздушным пузырькам очевидна. Возможность самопроизвольного прилипания частиц к пузырькам при флотации без всякой затраты внешней энергии точно не установлена. Рассматривая ниже процесс слипания минеральной частицы с воздушным пузырьком при их столкновении с точки зрения кинетики, можно прийти к выводу, что во многих случаях самопроизвольному акту слипания должно предшествовать преодоление энергетического барьера под действием внешних механических сил. Вместе с тем устойчивость флотационного процесса свидетельствует о том, что минерализованные пузырьки являются термодинамически более устойчивой системой, чем система, состоящая из неминерализованных пузырьков и подготовленных к флотации минеральных частиц.

Таким образом, ясно, что элементарный акт флотации обычно осуществляется с конечным понижением свободной энергии флотационной системы, и, следовательно, термодинамический анализ процесса путем сопоставления величин начальной и конечной свободной энергии системы возможен, несмотря на наличие при слипании существенных кинетических осложнений.

Однако термодинамический анализ может применяться без ограничений только в случае наличия равновесных состояний рассматриваемой изолированной системы.

Состояние химического равновесия системы определяется следующими признаками. Концентрация всех присутствующих веществ при постоянной температуре и постоянном давлении должна оставаться постоянной. Система должна быть «легкоподвижной», т. е. самые незначительные внешние воздействия должны вызывать в ней соответствующие изменения. Достигать равновесия возможно в направлении получения исходных веществ (состояний) и в обратном направлении с получением конечных продуктов реакции (или конечных состояний). Применительно к условиям флотационной системы к этим признакам равновесности системы следует добавить еще два: краевой угол смачивания должен полностью соответствовать величине, вытекающей из общеизвестного уравнения Неймана, характеризующего равновесие векторов поверхностных натяжений на трех разделах флотационных фаз, приложенных к периметру смачивания; давление в пузырьках должно быть постоянным.

Ни один из перечисленных признаков при флотации не выдерживается. Отсутствие постоянства концентраций на поверхностях раздела флотационных фаз тех или иных поверхностно активных веществ (в основном флотационных реагентов) обусловливается двумя причинами:

1. Закрепление реагентов, особенно на минеральных поверхностях, протекает в значительной части медленно. Это подтверждается необходимостью в ряде случаев значительного времени для контакта минералов с собирателями и регуляторами флотации. Все процессы десорбции реагентов, играющие также важную роль, требуют известного времени. Нет оснований утверждать, что в отдельных случаях время контакта с реагентами и постоянство условий, определяющих адсорбцию реагентов, обеспечивают создание и сохранение постоянной концентрации реагентов на поверхности минеральных частиц.

2. В пульпе наблюдаются непрерывные, часто очень интенсивные колебания поверхности воздушных пузырьков вследствие гидродинамических толчков, ударов минеральных частиц о воздушные пузырьки и отрыва частиц, ранее прикрепленных к пузырькам. Эти колебания обусловливают возникновение множества кратковременных растяжений и сжатий поверхности пузырьков, что вызывает, в свою очередь, изменение местных концентрации поверхностно активных веществ, адсорбированных в поверхностном слое пузырьков. К этому же приводят процессы слияния и диспергирования пузырьков. Нет оснований полагать, что выравнивание указанных изменений концентраций реагентов в поверхности путем объемной или поверхностной диффузии бывает всегда. Можно утверждать, что диффузия не может обеспечить мгновенного выравнивания концентраций веществ, адсорбированных па поверхности пузырьков.

Отсутствие «легкоподвижности» системы и равновесности краевого угла смачивания обычно обусловливается ярко выраженными явлениями гистерезиса смачивания. Кроме того, при флотации в производственных условиях в пульпе возникает множество перепадов давления.

Таким образом, флотационная система является типично неравновесной. Поэтому термодинамический анализ флотационных явлений условен и не дает возможности произвести исследование их механизма. Только сочетание термодинамического и кинетического методов исследования может дать достаточно точные результаты.

Уместно отметить, что во всех термодинамических исследованиях процессов прилипания принято допускать их изотермичность. Однако, как было указано выше, формирование гидратных слоев связано с выделением тепла («теплоты смачивания»); при разрушении же этих слоев тепло будет поглощаться. Неточность, вызываемая допущением изотермичности процесса прилипания, несколько снижается тем, что тепловые эффекты, отнесенные к единице площади поверхности слипания, принимаются во всех случаях равными. Количественное значение отмеченной неточности относительно невелико, поскольку во флотационной системе в процессах минерализации пузырьков выделяется небольшое (по отношению к большим массам) быстро поглощаемое или отводимое средой количество тепла.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: