CC BY
22
УДК 622.765
С.И. Евдокимов, Т.Е. Герасименко
СВОЙСТВА СМАЧИВАЮЩИХ ПЛЕНОК ВОДЫ В ПРОЦЕССАХ ФЛОТАЦИИ
Аннотация. Проведено рассмотрение полимолекулярных смачивающих пленок, толщина которых превышает несколько слоев молекул, что позволяет трактовать смачивающие пленки как часть объемной жидкой фазы, находящейся в поле поверхностных сил и измененной его влиянием. Рассмотрение полимолекулярных смачивающих пленок как части жидкой фазы позволяет провести его с единых термодинамических позиций — на основе изотерм расклинивающего давления, учитывающих действие молекулярных, ионно-электростатиче-ских и структурных сил. Для описания свойств смачивающих пленок привлечена современная теория дальнодействующих поверхностных сил. Вблизи гидрофильных поверхностей изменение структуры воды сопровождается ростом прочности межмолекулярных связей и появления сил структурного отталкивания гидрофильных поверхностей. Вероятно, дально-действующее гидрофобное притяжение связано с выделением на гидрофобных поверхностях субмикрометровых пузырьков газа и их коалесценцией. Стабилизация поверхностной структуры присутствием частицы является причиной того, что ее разрушение при повышении температуры идет менее интенсивно, чем разрушение структуры воды в объеме. Свободная энергия поверхностной структуры убывает с ростом температуры медленнее, чем объемной, что является причиной роста сил структурного происхождения.
Ключевые слова: структурное отталкивание гидрофильных поверхностей, гидрофобное притяжение гидрофобных поверхностей, температурная зависимость.
Введение
Смачивающие пленки жидкостей играют важную роль в хоже таких практически важных процессов, как флотация, сушка, смазка, смачивание и растекание. Важность исследования смачивающих пленок не ограничивается, однако, прикладными вопросами. Пленки представляют собой удобную физическую модель для изучения широкого круга поверхностных явлений: молекулярных и ионно-электростаических сил, структурных изменений жидкостей в граничных слоях, течения тонких слоев веществ [1, 2].
Теория вопроса
Из-за неполной насыщенности межмолекулярных сил граничный слой жидкости около неполярных (гидрофобных)
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-142-152
частиц находится в термодинамически менее выгодном состоянии и по своим стртуктуре и свойствам может отличаться от жидкости в объеме [3, 4]. Свободная энергия жидкости в граничном слое в среднем выше, чем в глубине жидкости. При сближении частиц эти слои начнут перекрываться и их суммарный объем уменьшится, а значит уменьшится и свободная энергия всей системы. Наоборот, чтобы удалить частицы друг от друга, потребуется совершить работу, которая расходуется на то, чтобы перевести дополнительное число молекул воды из объема во вновь образующуюся поверхностную зону. Поэтому частицы ведут себя так, как будто между ними существуют силы притяжения (отрицательное расклинивающее давление). Яв-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 6. С. 142-152. © С.И. Евдокимов, Т.Е. Герасименко. 2018.
ление дополнительногог притяжения неполярных частиц было предложено называть гидрофобными взаимодействиями [5, 6]. Гидрофильным взаимодейстивием можно назвать силы отталкивания при утончении смачивающих пленок между гидрофильными поверхностями [7].
зультатам беспенной флотации в трубке Халлимонда (рис. 2). На рис. 1 и 2 проба золота уменьшается от 910 ед. (кривая 1) до 700 ед. (кривая 7).
При изменении объема осадка форма ячеек (пор) сохраняется, но меняется их размер г. Таким образом, переход
Методика проведения опытов
Поверхностные свойства модели и натуры можно принять практически тождественными при исследовании свойств смачивающих пленок воды на поверхности твердых частиц методом седимен-товолюметрии, когда силы в контактах между полиэдрическими частицами оценивают по объему (высоте) осадка, образованного при кинетическом разрушении дисперсной системы.
Для седиментоволюметрических измерений разработан прибор [8—12], принцип действия которого состоит в следующем. В стабильной дисперсной системе при отсутствии взаимодействия между частицами (сила в контакте Рк^т/п) последние перекатываются друг через друга до тех пор, пока не достигнут плотной упаковки: седиментационный объем, формируемый такими дисперсными системами, минимален (У^т'т). Наоборот, если силы в контактах между частицами значительны (Рк^тах), то индивидуальные частицы остаются в том же положении, в котором они были, когда соприкоснулись впервые: при кинетическом разрушении таких дисперсных систем образует ажурный осадок большого объема, сформированный не из индивидуальных частиц, а из их агрегатов (У^-тах).
Обсуждение результатов
Выявлено гидрофобизирующее действие сульфгидрильного собирателя (ксан-тогената) на зерна самородного золота (крупностью -100 мкм), что оценено по высоте столба его осадка (рис. 1) и ре-
Рис. 1. Седиментационный объем осадка зерен золота различной пробы как функция расхода ксантогената
Fig. 1. Sediment volume of different rate gold grains as function of xanthate consumption
Рис. 2. Зависимость извлечения зерен золота различной пробы от расхода ксантогената Fig. 2. Recovery of different rate gold grains versus xanthate consumption
от состояния «контакт есть» к состоянию «контакт разорван» пропорционально разности давления Ар, при которой произошло формирование осадка. Частичная V и массовая с концентрации суспензии связаны соотношением
I- I Н* 1 ЛИ-*'
= ф(г),
Ар _ 8цд h лг4
вычислим значение р из выражения:
3 сш 'У F (R) dR
V = cN =--I v '
Л 7ГГ, J
4 пр / Я3
где полное число частиц в суспензии N получается интегрированием равенства
4 пЯ3pdN = F (Я,
где F(R)dR — массовая доля частиц с радиусом R и функцией распределения по размерам Р^).
Приравняв выражения для секундного потока по всем порам осадка в начальный момент времени
Pm = AP ( ) = = Ap(0)Z J r4 dr J Z J r4P (r, t) dr
(4)
где
r = 2Rf, f =
4 Z'
- 2Z + 1 , Z = 3-9 -
координационное число квазирешетки случайно упакованных сфер;
р (r t) =
1 -
nr
2 Л
ф(г
t - S)
v w J
вероятность того, что пора r в осадке,
к которой подходит n (r, t) = ф(г)
V
и
q (0) =
пAp (0) r
и к моменту времени t nAp (t)
Z j r4 dr
(1)
q (t )■
Z j r4P(r, t) dr, (2)
полученному из закона Гагена-Пуазейля
частиц R > r, к моменту t будет свободна; S — площадь нормального сечения осадка; Н/и — время прохождения частицами части аппарата над осадком, где и = ш/S — линейная скорость движения суспензии.
При повышении температуры прочность контактов определяется физико-химическими свойствами частиц (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость сил контактного взаимодействия между частицами золота (а), кварца (б) и фторопласта-4 (в) от температуры (точки принадлежат серединам доверительных интервалов, построенных с использованием t-критерия Стьюдента)
Fig. 3. Temperature dependence of contact interaction forces between particles of (a) gold, (b) quartz and (c) fluoroplastic-4 (the point belong to the center of confidence intervals obtained by Student's t-test)
r
r
min
r
min
r
Рис. 4. Влияние температуры на время индукции при прилипании зерен золота крупностью -71 мкм и пробой 910 ед. друг к другу Fig. 4. Influence of temperature on induction time during mutual adhesion of 910-purity gold particles -71 ym in size
При повышении температуры уменьшается время индукции при прилипании зерен золота друг к другу (рис. 4), которые формируют осадок, высота которого также уменьшается с ростом температуры дисперсной системы (рис. 5).
Выявлено качественное отличие влияния температуры среды на время индукции при прилипании зерен золота друг к
Рис. 6. Время индукции при прилипании зерен
золота разной пробы к пузырьку воздуха как
функция обратной температуры
Fig. 6. Induction time in adhesion of different purity
gold particles to air bubble as function of inverse
temperature
Рис. 5. Влияние температуры на высоту столба осадка суспензии золотин крупностью -71 мкм и пробой 910 ед.
Fig. 5. Influence of temperature on settling column height for pulp of 910-purity gold particles - 71 ym in size
другу и к пузырьку воздуха: с ростом температуры время индукции увеличивается при прилипании зерен золота друг к другу (рис. 4) и уменьшается при прилипании к пузырьку воздуха (рис. 6).
На рис. 6 проба зерен золота увеличивается от 700 ед. (кривая 1) до 910 ед. (кривая 7). На рис. 7 крупность золотин уменьшается от -100 мкм (кривая 1), до
Рис. 7. Временя индукции при прилипании зерен золота разной крупности и пробы к пузырьку воздуха как функция обратной температуры Fig. 7. Induction time in adhesion of different purity and size gold particles to air bubble as function of inverse temperature
А\, дин/см2
10
10*
10
-1<У
-ю4
4N
3
\2
25
30
35
40
45
t, °С
Рис. 8. Зависимость параметра структурных сил KS для суспензии самородного золота от температуры и концентрации бутилового ксан-тогената калия, приконцентрации бутилового ксантогената калия, С ■ 104, г ■ моль/л: 1 — 2,0; 2 — 1,5; 3 — 1,0; 4 — 0,5
Fig. 8. Dependence of structural force parameter KS of free gold on temperature and concentration of butyl xanthate at potassium butyl xanthate concentration, С ■ 104, г■ моль/л: 1 — 2,0; 2 — 1,5; 3 — 1,0; 4 — 0,5
-71 мкм (кривые 2, 4, 6) и 3,5 мкм (кривая 7); здесь же проба золотин 740 ед. (кривые 1—3), 850 ед. (кривые 4, 5) и 910 ед. (кривая 7).
С использованием выражения для изотермы расклинивающего давления П(Ь) смачивающих пленок
cos9 = 1 + (1/a) jn(ho)dh
ho
= 1 + Пm (h) + П5 (h) + Пs (h)
, (5)
где Пт ^) = А 12пЬ20<з — молекулярная составляющая расклинивающего давления;
Пе (Ь) = (ек/8па) {[2^/ вЬ (кЬ0 )] -
-( +¥2)) (кЬ0)-1 ]}
ионно-электростатическая составляющая расклинивающего давления;
Пз ^) = (КХ/о)вхр —
структурная составляющая расклинивающего давления; А = 4Дх10—12 эрг — константа Гамакера для пленок воды на поверхности золота; а = 70 мН/м — поверхностное натяжение жидкости; hQ — толщина смачивающей пленки в равновесии с краевым углом 9; в = 80 — диэлектрическая постоянная жидкости;
— штерновский потенциал поверхности золота, мВ; у2 — потенциал межфазной поверхности газ-жидкость, рассчитанный по данным об электрофоретиче-ской подвижности пузырька, мВ).
Рассчитаны параметры структурных сил К5 (характеризует величину структурных сил) и X (характеризует дальнодействие структурных сил). Процедура их определения (по методу Н.В. Чурае-ва) состояла в том, что в уравнении (5) равенства добиваются за счет включения в расчеты экспериментальных значений краевых углов, известных ПтФ) и ПеФ), а в качестве подгоночных параметров — характеристики структурных сил К. и X. Значения параметра К. менялись от положительных значений до отрицательных, а параметр X = 1 нм (рис. 8).
Физический механизм выявленного изменения знака параметра структурных сил с ростом температуры далеко не тривиален. Он заключается в смене (инверсии) знака К., обусловленным превалированием при данной температуре и концентрации собирателя сил гидрофобного притяжения над силами гидрофильного отталкивания.
Повышение агрегативной устойчивости суспензии гидрофильных частиц может быть интерпретировано с привлечением представлений о снижении скорости потока жидкости по сравнению с ожидаемым (проскальзывание жидкости за счет образования слоя газа (в виде нанопузырьков) на поверхности твердого тела [13—17] сменяется прилипанием — адгезией), если принять гипотезу о существовании пропорциональной свя-
зи между величиной напряжения сдвига и скоростью поверхностного течения жидкости.
Поверхность твердого тела благодаря определенному расположению на поверхности активных центов (ОН-групп — в случае гидрофильной поверхности, взаимодействующих на счет Н-связи с молекулами воды) может навязывать определенную, отличную от объемной, структуру прилегающим слоям жидкости [18—22]. Следовательно, при снижении гидрофильности поверхности происходит усиление структурного притяжения и ослабление структурного отталкивания, что и приводит к снижению толщины смачивающей пленки.
Непосредственно прилегающие к поверхности слои воды более упорядочены и молекулы здесь сильнее связаны друг с другом, чем в объеме. Между поверхностным слоем воды и ее невозмущенной объемной фазой существует переходный слой воды с меньшей степенью упорядоченности и нарушенными межмолекулярными связями (получивший в литературе название «подплавленного» слоя). Перекрытие слоев воды с измененной, по сравнению с объемом, структурой приводит к действию сил структурного происхождения.
a) f du/dy
Вблизи твердой поверхности существует течение жидкости, скорость которого в вертикальной плоскости изменяется от максимальной (вдали от твердой поверхности) до минимальной (вблизи твердой поверхности). Скорость течения увеличивается с ростом сдвиговых напряжений: скорость течения принимает свое минимальное значение в случае, когда величина предельного напряжения сдвига превышает сдвиговые напряжения, существующие в жидкости (рис. 9) [23].
В слоях, в которых отсутствует течение жидкости (явление прилипания), ве-
- ди / ч
личина сдвиговых напряжений
ду
может быть аппроксимирована прямой
Бингама — = — (т-тв). ду пв
Сдвиговые напряжения в каждом из слоев жидкости — поверхностном, переходном «подплавленном» и невозмущенном объемном — можно аппроксимировать своим прямым отрезком. Если принять, что п0 соответствует вязкости невозмущенного (присутствием твердой поверхности) слоя жидкости, а цх, наоборот, вязкости слоя жидкости с полностью разрушенной структурой, то реологиче-
arctg(l/?;
Рис. 9. Аппроксимация прямыми Бингама зависимости — (т) (а) и эпюра скоростей (б) в узком зазоре для жидкости, связанной водородными связями
Fig. 9. Bingham straight line approximation — (т) (a) and velocity profile (b) in a narrow range for liquid connected by hydrogen bonds
— (т) =
д y '
1
По 1
т--т(
Пв
1
(
1
VnB
1
По у
вдоль оси у, пь, п3 — вязкость в объеме и поверхностного слоя соответственно, 8 — толщина поверхностного слоя, то скорость жидкости в точке х на трех отрезках есть
и =
Рис. 10. Эпюра скорости в симметричной пленке жидкости
Fig. 10. Velocity profile in symmetrical liquid film
du ( \
скую зависимость —(т) в слое жидкому
сти вблизи твердой поверхности можно записать в виде:
E 5
и0 +— и5, 0 < х <5
х-5
Uo
5 L - 2 5 5 < х < L -5
(Au-2 us),
(7)
u0 + A u + -
х - L
u, L-5 < х < L
Выражение для расчета длины про-
скальзывания /
b = 5
Ль -1
л
(8)
(т^то)
(то <т<т„)
(т„<т) (6)
(где пВ — вязкость Бингама). При достижении предельного напряжения сдвига т0 в жидкости появляется течение, которое в дальнейшем характеризуется своим постоянным значением напряжения сдвига т^ и вязкости п„.
В слое, непосредственно прилегающем к твердой поверхности, жидкость движется при постоянном значении напряжения сдвига т^ и вязкости п„. В «под-плавленном» слое с предельно разрушенной структурой жидкость движется как ньютоновская и п = п„.
Схематически распределение скоростей в тонкой пленке жидкости изображено на рис. 10 [24—28].
Если I — расстояние по оси х между частицами, Ди — относительная скорость
V^s J
можно получить из уравнения движения
0 = 5/х Др5 (х - 5) - Sydх [n (x) dxи (x
записанного для границы раздела фаз n(x)dхих = const. (10)
При повышении температуры структура жидкости изменяется (по Немети и Шерага [29, 30] увеличение температуры сопровождается уменьшением мольной доли молекул, соединенных водородными связями; согласно модели пустот Самойлова, Дэнфорда и Леви [31], с повышением температуры уменьшается число молекул, связанных Н-связями в тетраэдрический каркас, а число молекул, расположенных в его пустотах, — увеличивается; согласно модели Попла [31], с повышением температуры увеличивается доля молекул с искаженными водородными связями), но вблизи твердой поверхности меньше, чем в объеме жидкости. В результате свободная энергия поверхностной структуры будет убывать с ростом температуры медленнее, чем объемной, что и является причиной уменьшения параметра проскальзывания b и роста сил структурного (гидрофильного) отталкивания.
Заключение
Из результатов исследования устойчивости симметричных и смачивающих пленок следует, что при повышении температуры смачиваемость поверхности минералов увеличивается за счет снижения проскальзывания жидкости вдоль твердой поверхности и, как следствие, агрегативная устойчивость их суспензий повышается.
Физическая природа структурных сил связана со структурой жидкости вблизи твердой поверхности: смачиваемые водой гидрофильные поверхности формируют вокруг себя слой жидкости повышенной плотности, в котором диполи воды
нормально ориентированы к поверхности; между гидрофильными поверхностями в воде возникают гидрофильные взаимодействия.
Вблизи несмачиваемой водой гидрофобной поверхности формируется слой жидкости с пониженной плотностью, в котором диполи воды тангенциально ориентированы к поверхности; взаимодействие гидрофобных поверхностей в воде определяют силы гидрофобного притяжения. С учетом мозаичности поверхности природных минералов следует говорить о гидрофобно-гидрофильных взаимодействиях в дисперсных системах минералов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Koopal L. Wetting of solid surfaces: Fundamentals and charge effects // Advances in Colloid and Interface Science. Vol. 179—182, 1 November 2012, pp. 29—42.
2. Kovalchuk N. M., Starov V. M. Aggregation in colloidal suspension: Effect of colloidal forces and hydrodynamic interactions // Advances in Colloid and Interface Science. Vol. 179—182, 1 November 2012, pp. 99—106.
3. Nilsson A., Pettersson L. G. M. Perspective on the structure of liquid water // Chemical Physics. 2011. Vol. 389. No. 1—3. pp. 1—34.
4. Пчелин В.А., Ямпольский Б.Я., Яминский В. В., Иевлева В. В. О модифицировании воды вблизи гидрофобных поверхностей / Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллоидов: Сборник докладов V Конференции по поверхностным силам (г. Москва, 3—4 июня 1974 г.). — М.: Наука, 1974. — С. 43—50.
5. Pan L., Jung S., Yoon R.-H. Effect of hydrophobicity on the stability of the wetting films of water formed on gold surfaces // Journal of Colloid and Interface Science. 2011. Vol. 361. No. 1. pp. 321—330.
6. Mishchuk N. A. The model of hydrophobic attraction in the framework of classical DLVO forces // Advances in colloid and Interface Science. 2011. Vol. 168. No. 1—2. pp. 149—166.
7. Дерягин Б. В. Динамика тонких слоев жидкости / Поверхностные силы в тонких пленках. Сборник докладов VI конференции по поверхностным силам (г. Москва, 14—16 мая 1979 г.). — М.: Наука, 1979. — С. 103—109.
8. Евдокимов С. И., Галачиева С. В., Пузин В. С., Евдокимов В. С., Теблоева Д. В., Масла-ков М. П., Антипов К. В. Разработка и исследование прибора для определения смачивания поверхности // Стекло и керамика. — 2015. — № 9. — С. 20—24.
9. Евдокимов С. И., Паньшин А. М. Поверхностные силы в процессах агрегации и флотации частиц // Известия вузов. Цветная металлургия. — 2009. — № 3. — С. 7—11.
10. Паньшин А. М., Евдокимов С. И., Артемов С. В. Исследования в области флотации паровоздушной смесью // Известия вузов. Цветная металлургия. — 2012. — № 1. — С. 3—10.
11. Евдокимов С. И., Паньшин А. М. Закономерности контактных взаимодействий между частицами в полидисперсной минеральной системе // Известия вузов. Цветная металлургия. — 2007. — № 6. — С. 4—10.
12. Паньшин А. М., Евдокимов С. И. Исследование флотационных свойств россыпного золота // Обогащение руд. — 2009. — № 4. — С. 24—27.
13. Sharma P., Flury M., Zhou J. Detachment of colloids from air-water interface // Journal of Colloid and Interface Science. 2008. Vol. 326. pp. 143—150.
14. Simonsen A. C., Hansen P. L., Klosgen B. Nanobubbles give evidence of incomplete wetting at a hydrophobic interface // Journal of Colloid and Interface Science. 2004. Vol. 73. pp. 291—299.
15. Hampton M. A., Nguyen A. V. Nanobubbles and the nanobubble bridging capillary force // Advances in colloid and Interface Science. Vol. 154, Issues 1—2, 26 Febriary 2010, pp. 30—55.
16. Danov K., Kralchevsky P. Capillary forces between particles at a liquid interface: General theoretical approach and interactions between capillary // Advances in colloid and Interface Science. 2010. Vol. 154. No. 1—2. pp. 91—103.
17. Wang J., Yoon R.-H., Morris J. AFM surface measurements conducted between gold surfaces treated in xanthate solutions // International Journal of Mineral Processing. 2013. Vol. 122. 10 July. pp. 13—21.
18. Drost-Hansen W. On the water structure near solid interfaces. Ind. and Eng. Chem., 1969, Vol. 61, No. 11. pp. 10—47.
19. Гуриков Ю. В. Структура воды в диффузной части двойного слоя / Поверхностные силы в тонких пленках: Сборник докладов VI конференции по поверхностным силам (г. Москва, 14—16 мая 1979 г.). — М.: Наука, 1979. — С. 76—80.
20. Бойнович Л. Б. Дальнодействующие поверхностные силы и их роль в развитии нано-технологии // Успехи химии. — 2007. — Т. 76. — № 5. — С. 510—528.
21. Чураев Н. В. Поверхностные силы и физикохимия поверхностных явлений // Успехи химии. — 2004. — Т. 73. — № 11. — С. 26—38.
22. Урьев Н. Б. Физико-химическая динамика дисперсных систем // Успехи химии. — 2004. — Т. 73. — № 1. — С. 39—62.
23. Нерпина Н. С. Течение полярных жидкостей с водородными связями через капилляры с лиофильными стенками / Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллоидов. Сборник докладов V Конференции по поверхностным силам (г. Москва, 3—4 июня 1974 г.). — М.: Наука, 1974. — С. 76—79.
24. Виноградова О. И. Особенности гидродинамического и равновесного взаимодействия гидрофобных поверхностей. Дис. ... доктора физико-химических наук. — М.: Институт физической химии РАН, 2000. — 175 с.
25. Матюшин А. Н. Исследование процесса бескапиллярного электроформования материалов с повышенной гидрофобностью. Дис. ... канд.техн.наук. — М.: Московский государственный университет дизайна и технологии, 2014. — 172 с.
26. Беляев А.В. Гидродинамические и электрокинетические течения вблизи супергидрофобных поверхностей. Дис. ... канд. физ.-мат.наук. — М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012. — 125 с.
27. Придатко А. В., Миронюк А. В., Свидерский В. А. Анализ подходов к математическому описанию характеристик материалов с повышенной гидрофобностью // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2015. — 5/5 (77). — С. 30—41.
28. Климов В.В. Привитые фтор- и алкилметакрилаты в качестве гидрофобных модификаторов поверхности алюминия и целлюлозных материалов. Дис. ... канд. хим. наук. — Волгоград: ВолгГТУ, 2015. — 119 с.
29. Nemethy G., Sheraga H.A. Structure of water and hydrophobic bonding in proteins. I. A model for liquid water // J. Chem. Phys. 1962. Vol. 36. No. 12. pp. 3382—3401.
30. Nemethy G., Sheraga H.A. Structure of water and hydrophobic bonding in proteins. II. Model for the thermodynamic properties of aquesons solutions of hydrocarbons // J. Chem. Phys. 1962. Vol. 36. No. 12. pp. 3401—3797.
31. ЭйзенбергД., Кауцман В. Структура и свойства воды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975. — 280 с. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Евдокимов Сергей Иванович1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: eva-ser@mail.ru,
Герасименко Татьяна Евгеньевна1 — кандидат технических наук, начальник отдела интеллектуальной собственности, 1 Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет).
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 6, pp. 142-152.
Properties of wetting liquid films in flotation processes
Evdokimov S.I.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: eva-ser@mail.ru,
Gerasimenko T.E1, Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of Intellectual Property,
1 North Caucasus Mining-and-Metallurgy Institute (State Technological University), 362021, Vladikavkaz, Republic of North Ossetia-Alania, Russia.
Abstract. Wetting films are assumed the films of liquids coating the surface of bodies in condensed state. As against foam and emulsion films, liquid films are nonsymmetrical: one surface of a liquid film touches a condensed (solid or liquid) phase while the other surface adjoins gas. At interfaces of any phases, there are transition layers within which intensive properties and composition of liquids differ from bulk characteristics. A film is assumed thick when its thickness exceeds the summed thickness of the transition layers at the phase interface. The analysis is focused on polymolecular films having thickness more than a few layers of molecules have, which allows treating these wetting films as a part of bulk liquid phase in the field of the surface forces and, thus, changed under the action of this field. Assuming the polymolecular wetting films a part of the liquid phase enables the unified thermodynamic analysis of them—based on the isothermal curves of wedging pressure with regard to molecular, ion-electrostatic and structural forces. The properties of wetting films are described using the modern theory of long-range surface forces. At hydrophilic surfaces, water structure changes concurrently with the increase in the strength of intramolecular bonds and initiation of structural repulsion of the hydrophilic surfaces. Probably, the long-range hydrophobic attraction is connected with the appearance and coalescence of submicron gas bubbles on the hydrophobic surfaces. Stabilization of surface structure is the reason of its slower failure as compared to bulk structure. Free energy of the surface structure reduces slower with increasing temperature than in the bulk structure, which is the source of growth of the structural forces.
Key words: structural repulsion of hydrophilic surfaces, hydrophobic attraction of hydrophobic surfaces, temperature dependence.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-142-152
REFERENCES
1. Koopal L. Wetting of solid surfaces: Fundamentals and charge effects. Advances in Colloid and Interface Science. Vol. 179-182, 1 November 2012, pp. 29-42.
2. Kovalchuk N. M., Starov V. M. Aggregation in colloidal suspension: Effect of colloidal forces and hy-drodynamic interactions. Advances in Colloid and Interface Science. Vol. 179—182, 1 November 2012, pp. 99—106.
3. Nilsson A., Pettersson L. G. M. Perspective on the structure of liquid water. Chemical Physics. 2011. Vol. 389. No. 1—3. pp. 1—34.
4. Pchelin V. A., Yampol'skiy B. Ya., Yaminskiy V. V., levleva V. V. O modifitsirovanii vody vblizi gidrofobnykh poverkhnostey [On the modification of water near hydrophobic surfaces]. Poverkhnostnye sily vtonkikh plen-kakh i ustoychivost' kolloidov: Sbornik dokladov VKonferentsii po poverkhnostnym silam (Moscow, 3—4 June 1974), Moscow, Nauka, 1974, pp. 43—50. [In Russ].
5. Pan L., Jung S., Yoon R.-H. Effect of hydrophobicity on the stability of the wetting films of water formed on gold surfaces. Journal of Colloid and Interface Science. 2011. Vol. 361. No. 1. pp. 321—330.
6. Mishchuk N. A. The model of hydrophobic attraction in the framework of classical DLVO forces. Advances in colloid and Interface Science. 2011. Vol. 168. No. 1—2. pp. 149—166.
7. Deryagin B. V. Dinamika tonkikh sloev zhidkosti [Dynamics of thin liquid layers]. Poverkhnostnye sily v tonkikh plenkakh. Sbornik dokladov VI konferentsii po poverkhnostnym silam (Moscow, 14—16 May 1979)], Moscow, Nauka, 1979, pp. 103—109. [In Russ].
8. Evdokimov S. I., Galachieva S. V., Puzin V. S., Evdokimov V. S., Tebloeva D. V., Maslakov M. P., Anti-pov K. V. Razrabotka i issledovanie pribora dlya opredeleniya smachivaniya poverkhnosti [Development and research of the device for determination of wetting of a surface]. Steklo i keramika. 2015, no 9, pp. 20—24. [In Russ].
9. Evdokimov S. I., Pan'shin A. M. Poverkhnostnye sily v protsessakh agregatsii i flotatsii chastits [Surface forces in particle aggregation and flotation processes]. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya. 2009, no 3, pp. 7—11. [In Russ].
10. Pan'shin A. M., Evdokimov S. I., Artemov S. V. Issledovaniya v oblasti flotatsii parovozdushnoy smes'yu [Research in the field of flotation of steam-air mixture]. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya. 2012, no 1, pp. 3-10. [In Russ].
11. Evdokimov S. I., Pan'shin A. M. Zakonomernosti kontaktnykh vzaimodeystviy mezhdu chastitsami v polidispersnoy mineral'noy sisteme [Regularities of contact interactions between particles in polydisperse mineral system]. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya. 2007, no 6, pp. 4—10. [In Russ].
12. Pan'shin A. M., Evdokimov S. I. Issledovanie flotatsionnykh svoystv rossypnogo zolota [Investigation of flotation properties of placer gold]. Obogashchenie rud. 2009, no 4, pp. 24—27. [In Russ].
13. Sharma P., Flury M., Zhou J. Detachment of colloids from air-water interface. Journal of Colloid and Interface Science. 2008. Vol. 326. pp. 143—150.
14. Simonsen A. C., Hansen P. L., Klosgen B. Nanobubbles give evidence of incomplete wetting at a hydrophobic interface. Journal of Colloid and Interface Science. 2004. Vol. 73. pp. 291—299.
15. Hampton M. A., Nguyen A. V. Nanobubbles and the nanobubble bridging capillary force. Advances in colloid and Interface Science. Vol. 154, Issues 1—2, 26 Febriary 2010, pp. 30—55.
16. Danov K., Kralchevsky P. Capillary forces between particles at a liquid interface: General theoretical approach and interactions between capillary. Advances in colloid and Interface Science. 2010. Vol. 154, no 1—2. pp. 91—103.
17. Wang J., Yoon R.-H., Morris J. AFM surface measurements conducted between gold surfaces treated in xanthate solutions. International Journal of Mineral Processing. 2013. Vol. 122. 10 July. pp. 13—21.
18. Drost-Hansen W. On the water structure near solid interfaces. Ind. and Eng. Chem., 1969, Vol. 61, No. 11. pp. 10—47.
19. Gurikov Yu. V. Struktura vody v diffuznoy chasti dvoynogo sloya [Water structure in diffuse part of double layer]. Poverkhnostnye sily v tonkikh plenkakh: Sbornik dokladov VI konferentsii po poverkhnostnym silam (Moscow, 14—16 May 1979), Moscow, Nauka, 1979, pp. 76—80. [In Russ].
20. Boynovich L. B. Dal'nodeystvuyushchie poverkhnostnye sily i ikh rol' v razvitii nanotekhnologii [Longrange surface forces and their role in the development of nanotechnology]. Uspekhi khimii. 2007, vol. 76, no 5, pp. 510—528. [In Russ].
21. Churaev N. V. Poverkhnostnye sily i fizikokhimiya poverkhnostnykh yavleniy [Surface forces and physical chemistry of surface phenomena]. Uspekhi khimii. 2004, vol. 73, no 11, pp. 26—38. [In Russ].
22. Ur'ev N. B. Fiziko-khimicheskaya dinamika dispersnykh sistem [Physical and chemical dynamics of disperse systems]. Uspekhi khimii. 2004, vol. 73, no 1, pp. 39—62. [In Russ].
23. Nerpina N. S. Techenie polyarnykh zhidkostey s vodorodnymi svyazyami cherez kapillyary s liofil'nymi stenkami [Flow of polar liquids with hydrogen bonds through capillaries with lyophilic walls]. Poverkhnostnye sily v tonkikh plenkakh i ustoychivost' kolloidov. Sbornik dokladov V Konferentsii po poverkhnostnym silam (Moscow, June 3—4, 1974), Moscow, Nauka, 1974, pp. 76—79. [In Russ].
24. Vinogradova O. I. Osobennosti gidrodinamicheskogo i ravnovesnogo vzaimodeystviya gidrofobnykh poverkhnostey [Features of hydrodynamic and equilibrium interaction of hydrophobic surfaces], Doctor's thesis, Moscow, Institut fizicheskoy khimii RAN, 2000, 175 p.
25. Matyushin A. N. Issledovanie protsessa beskapillyarnogo elektroformovaniya materialovs povyshen-noy gidrofobnost'yu [Investigation of the process of capillary electroforming of materials with high hydropho-bicity], Candidate's thesis, Moscow, MGUDT, 2014, 172 p.
26. Belyaev A. V. Gidrodinamicheskie i elektrokineticheskie techeniya vblizi supergidrofobnykh poverkhnostey [Hydrodynamic and electrokinetic flow near a superhydrophobic surfaces], Candidate's thesis, Moscow, MGU im. M.V. Lomonosova, 2012, 125 p.
27. Pridatko A. V., Mironyuk A. V., Sviderskiy V. A. Analiz podkhodov k matematicheskomu opisaniyu kharakteristik materialov s povyshennoy gidrofobnost'yu [Analysis of approaches to mathematical description of characteristics of materials with high hydrophobicity]. Vostochno-Evropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy. 2015, no 5/5 (77), pp. 30—41. [In Russ].
28. Klimov V. V. Privitye ftor- i alkilmetakrilaty v kachestve gidrofobnykh modifikatorov poverkhnosti aly-uminiya i tsellyuloznykh materialov [Imported fluorine and alkyl methacrylates as hydrophobic surface modifiers for aluminium and cellulose materials], Candidate's thesis, Volgograd, VolgGTU, 2015, 119 p.
29. Nemethy G., Sheraga H. A. Structure of water and hydrophobic bonding in proteins. I. A model for liquid water. J. Chem. Phys. 1962. Vol. 36, no 12. pp. 3382—3401.
30. Nemethy G., Sheraga H. A. Structure of water and hydrophobic bonding in proteins. II. Model for the thermodynamic properties of aquesons solutions of hydrocarbons. J. Chem. Phys. 1962. Vol. 36, no 12. pp. 3401—3797.
31. Eyzenberg D., Kautsman V. Struktura i svoystva vody [Structure and properties of water], Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, 280 p.
