Строение молекул пенообразователей

По своему строению молекулы пенообразователей имеют много общего с молекулами собирателей. Подобно им молекулы пенообразователей имеют две различные атомные группировки: гидрофобную и гидрофильную. Первой из них являются те же углеводородные цепи или циклические углеводородные радикалы, которые были уже описаны выше при изучении строения собирателей.

Гидрофильными атомными группировками в пенообразоватяля используемых в настоящее время при флотации руд, являются группы: ОН, СООН, C = O, NH2 и N. Особенно широкое распространение получили пенообразователи, содержащие гидрофильную группу ОН.

К таким пенообразователям относится терпинеол C10H17OH, крезол CH3C6H4OH, различные алифатические спирты, как например амиловый С5Н11ОН.

Группа ОН, обладая сильными гидрофильными свойствами, обычно довольно слабо закрепляется на минералах. Поэтому пенообразователи, содержащие эту группу, обладают сравнительно слабым собирательным действием. Различный характер пенообразователей, содержащих группу ОН, определяется в зависимости от строения гидрофобной группы атомов, числа групп ОН в молекуле пенообразователя и их расположения по отношению к гидрофильной части и друг к другу.

К пенообразователям с гидрофильной группой ОН относятся спирты. Ерчиковский исследовал вспенивающие свойства одноатомных и двухатомных спиртов. Вспенивающее действие первых в сильной степени зависит от длины углеводородной цепи. Так, метиловый спирт, содержащий в своем составе одну углеводородную группу, в водном растворе не образует пены ни при каких концентрациях, начиная с самых слабых и кончая чистым спиртом.

Этиловый спирт обладает уже некоторыми вспенивающими свойствами. Однако и он не дает устойчивой пены. Образующаяся при введении в воду этилового спирта пена при низких его концентрациях не удерживается после прекращения взбалтывания. Только при сравнительно высоких концентрациях спирта (0,20—0,22 г*моль/л) время существования пены увеличивается до 6—7 сек. При концентрации этилового спирта 0,61 г*моль/л наблюдается резкое (до 15—30 сек.) повышение устойчивости пены.

Нормальные пропиловый, бутиловый, изотропиловый, изобутиловый и изоамиловый спирты образуют уже значительно более устойчивые пены.

Хорошими пенообразователями являются терпинеолы — ароматические спирты, химический состав которых выражается формулой С10Н17ОН. По своему строению эти спирты различаются один от другого расположением группы ОН в молекуле. На рис. 223 изображено строение а-, в- и у-терпинеолов. Все эти спирты обычно содержат различные примеси неизвестного состава, которые, как показали исследования Ерчиковского, могут или повышать или понижать пенообразующие свойства терпинсолов. Благодаря резкой гидрофобности группы C10H17 терпинеолы являются очень сильно действующими поверхностно активными веществами. Они трудно растворимы в воде и резко понижают поверхностное натяжение. Терпинеолы являются главной составной частью широко используемого пенообразователя соснового масла.

Ряд исследований показывает, что весьма перспективны пенообразователями являются алифатические спирты, обладающие более высокой поверхностной активностью, чем спирты циклического строения типа терпинеола. Так, для понижения поверхностной энергии на разделе вода — воздух на 5 эрг/см2 к 1 к 1 м3 воды надо добавить 2 кг бензилового спирта, 100 г терпинеола и всего 43 гептилового спирта.

В институте «Мехапобр» разработан и исследован в качестве пенообразователя реагент ИМ-6-8, являющийся смесью гексилового (С6), гептплового (C7) и октилового (C8) спиртов. Опыты показали, что пенообразующие свойства этих спиртов возрастают с увеличением длины их углеводородных радикалов. Так, например, для получения равноценных результатов необходимы следующие расходы пенообразователей (г/т): терпинеола 77, гексилового спирта 63, гептилового 42, октилового 25. Однако дальнейшее увеличение числа атомов углерода в радикале выше 8 приводит к снижению пенообразующей способности спиртов. Это связано, по-видимому, со снижением растворимости спиртов в последнем случае.

Фенолы, у которых группа OН непосредственно связана с одинарным углеводородным кольцом, входят в состав целого ряда пенообразователей, применяемых при флотации руд: смол, креозотовых масел и других сложных смесей. В отличие от спиртов фенолы обладают способностью к реакциям полимеризации окисления при действии кислорода воздуха в присутствии воды. Поэтому при использовании фенолов пенообразование будет зависеть не только концентрации фенола, но и от воздействия продуктов их уплотнения или окисления.

В последние годы начаты испытания пенообразователей имеющих полярную группу SO3Na. в частности алкиларилсульфоната ВС с общей формулой ArRSO3Me, где Ar - радикал ароматического углеводорода, к которому присоединяются алифатические гидрофобные радикалы R. Этот пенообразователь в некоторых случаях оказался весьма полезным.

В Гинцветмете получены и испытаны различные синтетические пенообразователи типа спиртов и эфиров пропилен- и полипропиленгликоля. Некоторые из этих реагентов являются сильными пенообразователями.

Пенообразующее действие рассматриваемых реагентов часто в той или иной мере сочетается с их собирательным действием.

Важной особенностью пенообразователей, группы ОН которых соединены непосредственно с углеводородной цепью или циклическим углеводородным радикалом, являются их незначительные собирательные свойства. Группа ОН очень слабо реагирует с поверхностями минералов (за исключением каменного угля и, возможно, других природно гидрофобных минералов).

Вторичное собирательное действие таких пенообразователей не всегда проявляется достаточно сильно.

Несколько иными свойствами обладают пенообразователи, у которых группа ОН сама является составной частью другой, более крупной гидрофильной группы, например, карбоксильной группы СООН. Реагенты, содержащие карбоксильную группу, отличаются от спиртов, фенолов и терпинеолов тем, что они обладают значительно большими собирательными свойствами. Собиратели, имеющие в качестве солидофильной группы группу карбоксила, были уже описаны выше. Поскольку собирательное воздействие этих реагентов выражено очень сильно, их применяют, используя оба свойства, т. е. одновременно в качестве пенообразователей и в качестве собирателей. Для снижения расхода этих дорогостоящих реагентов в некоторых случаях во флотационную пульпу добавляют более дешевые реагенты с сильными вспенивающими свойствами, например сосновое масло.

Пенообразователи, в состав которых входят гидрофильные азотсодержащие группы, как например ортотолуидин CH3C6H4NH2, обладают сильными вспенивающими свойствами, нo наряду с этим они обладают несколько более сильными, чем спирты, собирательными свойствами. Это вполне понятно, так как амино-группа довольно активно адсорбируется на минералах. Собирательные свойства этой группы рассматривались в разделе, посвященном катионным собирателям.

В отличие от спиртов, являющихся нейтральными вещества МИ, аминосоединения обладают в большей или меньшей степени основными свойствами: в воде они диссоциируют, а с кислотами дают соли.

Для этих пенообразователей так же, как и для спиртов большое значение присутствие в них различных примесей, которые сильно изменяют вспенивающие способности реагентов. Так, Ерчиковский указывал, что полупроцентный раствор чистого пиридина не образует достаточно устойчивой пены, но добавление 0,07% бензола приводит к резкому повышению вспенивав щей способности реагента.

В настоящее время пиридин применяется как пенообразователь при флотации медных сульфидных руд.

Алкиларилсульфонат ДС, имеющии в качестве полярной сульфогруппу, обладает известными собирательными свойствами, которые в значительной степени зависят от ионного состава пульпы.

Оценивая наличие у некоторых пенообразователей полярных групп, которые могут взаимодействовать с минеральными поверхностями, можно заметить следующее. В ряде случаев обладание слабыми собирательными свойствами является достоинством пенообразователей. Их совместное действие с собирателями может способствовать повышению извлечения минералов в концентрат. Ho, с другой стороны, эти свойства пенообразователей могут ухудшать избирательность флотации. Таким образом, выбор пенообразователей должен носить индивидуальный характер в зависимости от минералогического состава руды и применяемых в данном случае других реагентов.