К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПЕНЫ НА ОСНОВЕ СНЯТИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КРИВЫХ σ(T) НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПУЗЫРЬКОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

----------------------------- © В.И. Мслик-Гайказян, Н.П. Емельянова,

П.С. Козлов, М.И. Труфанов,

Н.С. Фролов, Т.И. Юшина,

Е.Н. Лнпная, 2007

УДК 541.182.45:622.765.4:681.5.01

В.И. Мелик-Гайказян, Н.П. Емельянова,

П.С. Козлов, М.И. Труфанов, Н.С. Фролов,

Т.И. Юшина, Е.Н. Пипная

К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПЕНЫ НА ОСНОВЕ СНЯТИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КРИВЫХ a(t) НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПУЗЫРЬКОВ

Семинар № 25

1 Существующие представле-• ния о процессах образования и разрушения пены и влиянии на эти процессы соответствующих реагентов основаны на наблюдениях, проводимых в статических условиях за изменениями макроскопических параметров созданного пенного слоя, например, за уменьшением его высоты H во времени t , то есть, на снятии зависимости Ht), а также на наблюдениях за изменениями в пенных пленках [1, 2].

2. К этим способам исследования предполагается добавить еще элемент динамической характеристики поверхности пузырьков, составляющих пену, в виде снятия на них релаксационных кривых o(t), отражающих изменение во времени разности Аа между динамическим поверхностным натяжением ад и равновесным его значением ар . Значения Аа = ад - ар характеризуют величину возникшей на поверхности пузырька неравно-весности, которая, по-видимому, не может не влиять на зависимость H(t). Опыт показывает, что в чистой жидкости, для которой Аа = 0, устойчивой пены не образуется, кроме очень вязких жидкостей. Необходимо заме-

тить, что именно разность Аа, а не абсолютная величина а важна для пено-образования. Физический смысл величины Аа, как меры неравновесно-сти, был показан ранее [3, с.24] и пояснен в виде простой схемы несколько позже [4, с.11].

3. Для того чтобы выяснить, имеется ли корреляция между зависимостями H(t) и o(t), были проведены измерения с одними и теми же растворами реагентов по двум методикам (см. п. 8).

4. Поскольку для получения зависимости H(t) в литературе указывается несколько различных методик (более 5-ти), то для надежности были выбраны две наиболее цитируемые и исследована возможность получения посредством них одинаковых зависимостей для одних и тех же растворов. Рассмотрим эти методики, так как они несколько отличаются от известных под теми же названиями.

5. Метод встряхивания раствора механизирован. Встряхивание исследуемого раствора в цилиндре с целью создания пены широко распространено, однако, обычно оно производится вручную, что трудоемко и, по

Рис. 1. Схема механизированного устройства для генерации пены методом встряхивания раствора в цилиндре 4 и регистрации высоты Н столба пены цифровым аппаратом 5

общему мнению, может вносить некоторую невоспроизводимость получаемых результатов.

На рис. 1 приведена использованная нами простая конструкция, позволившая проводить встряхивание как литрового цилиндра, так и трубки меньшего диаметра, помещенной в захватывающее устройство 1. Следует только в каждом случае предварительно уравновешивать их массу грузами 10. Меняя возбуждение на якоре двигателя 8 постоянного тока мощностью 250 Ватт (сравнительно мощного для данного случая), можно легко регулировать число оборотов якоря и задавать желаемую частоту встряхиваний. Для плавности работы установлен уравновешенный маховик 7. Вся движущаяся часть конструкции для легкости изготовлена из дерева, а несущая для жесткости свинчена из стального квадрата 20х20 мм.

Операция пенообразованя производится следующим образом. В стеклянный цилиндр 4 с внутренним

диаметром 24 мм и длиной 600 мм заливается 50 мл исследуемого раствора. Цилиндр помещается в захватывающее устройство 1 и встряхивается с амплитудой 100 мм и частотой 225 колебаний в минуту в течение 30 секунд. После этого замеряется высота Н образующегося слоя пены и определяется время Ї ее разрушения. Результаты фиксируются путем непрерывного фотографирования цифровым аппаратом 5. Каждая кривая Н§ строится компьютером как минимум по 10-15-ти точкам. Опыт длится несколько минут и может быть повторен многократно с высокой воспроизводимостью результата. Рядом с цилиндром 4 помещается цветная полоска высотой 100 мм. Они фотографируются вместе, и длина полоски служит масштабом для оценки высоты Н слоя пены.

После этого в цилиндр 4 заливается раствор в два раза большей концентрации реагента, и опыт повторяется для оценки влияния концентрации

Рис. 2. Схема аэрирующего устройства для генерации пены методом барботажа раствора в цилиндре 2 и регистрации высоты Н столба пены цифровым аппаратом 3

3

4

пенообразователя и различных добавок к нему на измеряемые значения Н и t. Таким образом охватывается широкий диапазон концентраций.

Остальными составляющими рассматриваемого устройства являются пульт управления 8 и торцовые осветители пены для получения четких границ ее слоя: сверху - это светодиоды 2 в отполированной прозрачной плексигласовой пробке 3, а снизу

- обычный осветитель 6 с электролампой и линзой. Торцевое освещение пены исключает блики на стенках цилиндра, которые затрудняют обработку фотографий на компьютере.

6. Получение пены методом аэрации раствора реагента производилось на установке рис. 2.

В стеклянную трубку 2, вставленную с уплотнением в воронку фильтра Шотта 4, заливается 50 мл иссле-

дуемого раствора, который аэрируется воздухом из баллона 6 в течение 30 сек. Расход воздуха дозируется диаметром отверстия одного из капилляров 5 (их несколько). Острие капилляра должно быть направлено навстречу потоку воздуха. Капилляр на шлифе вставлен в стеклянную трубку, которая предохраняет его от поломки и загрязнений.

Благодаря трубке Мариотта 8, напор воды, поступающей в баллон 6 из баллона 9, постоянен и не зависит от его заполнения водой. Величина этого напора равна Ь-д-д , где И - высота столба воды; д - плотность воды и д - ускорение свободного падения. Высота И должна обеспечивать аэрацию исследуемой жидкости в трубке

2, но быть возможно меньшей. Это обеспечивает стабильность в работе устройства.

Н, мм

О 2 4 6 I с

Рис. 3. Кривые Н(Ь) саморазрушения пены, полученные на механическом встря-хивателе на поверхности водных растворов Т - 66 следующих концентраций: 1 -

0.02 г/л; 3 - 0.1 г/л; 5 - 2.0 г/л; 2 - 0.05 г/л; 4 - 0.5 г/л; 6 - 4.0 г/л Опыт 20.05.2007(ПВ)(1) при 25 °С

Н, мм

30

20.

10

Г / ~ ~

-К/

-

О

1

;<2' т/ж

Рис. 4. Кривые Н(С) иллюстрируют максимум толщины слоя пены и максимум ее устойчивости на поверхности раствора Т-66 при концентрации 0.5 г/л.

Кривые построены по данным рис. 3 через 0; 2; 4; 6; с после начала разрушения пены: 1 - 0 с; 2 - 2 с; 3 - 4 с; 4 - 6 с К опыту 20.05.2007(ПВ)(1) при 25 °С

Методика проведения опытов тождественна рассмотренной в п. 5. Для промывки трубки 2 и пластины 4 используется теплая водопроводная вода из системы 7 и соединительная трубка 1 с пробкой, вставляемой в трубку 2 сверху для слива промывной воды в раковину. Операции с кранами просты и, по-видимому, не требуют пояснений.

Чистота отмывания фильтра Шотта и трубки 2 перед опытом проверяется контрольным продуванием воздуха через залитую в трубку 2 чистую воду.

Результаты фиксируются цифровым аппаратом и показывают высокую воспроизводимость. Вместе с тем следует отметить, что значения высоты Н и времени t разрушения пены в сильной мере зависят от расхода воздуха на аэрацию, дозируемого одним из капилляров 5. Так, при расходах воздуха 0,14; 0,22 и 0,30 литра в минуту высоты Н столба пены разительно отличаются (они в отдельных случаях составляют соответственно 3^4, 70 и 400 мм). С помощью капилляров можно подобрать и такие расходы воздуха, чтобы фиксируемые значения Н, совпадали с полученными по п.5. Тем не менее, во всех случаях получаются в принципе похожие результаты с максимумом высоты Н при средней концентрации реагента.

Практический опыт показал, что работа по первой методике (п. 5) предпочтительнее, поскольку в ней исключено выдувание реагента из раствора аэрирующим воздухом и отсутствует необходимость в промывании пористой пластины от остатков ранее испытываемых реагентов. Необходимо отметить, что применение цифровой технологии крайне полезно, поскольку резко повышается объективность получаемых результатов.

7. На рис. 3 приведены зависимости Щ), полученные на механическом встряхивателе, изображенном на рис. 1, с растворами Т-66 различных концентраций С от 0,02 до 4,0 г/л. Из кривых следует, что наибольший столб пены наблюдается при концентрации

0,5 г/л. Более наглядно это изображено на графике рис.4, построенном в координатах Н(С) для различных моментов времени t, равных 0; 2; 5; 8 секунд после начала разрушения пены. Кривые имеют максимум при концентрации 0,5 г/л.

Аналогичные кривые приведены на рис. 5 и рис. 6 для пены, полученной на установке с аэрирующим устройством, изображенной на рис. 2. На кривых также наблюдается максимум пенообразования при концентрации Т-66 0,5 г/л.

Из полученных результатов можно заключить, что в случае флотационных вспенивателей обе методики приводят к практически одинаковым результатам, однако, по причинам, указанным в п. 6, дальнейшие исследования предполагается проводить по методу механического встряхивания исследуемого раствора.

Впервые для пенообразователей, используемых при флотации, на подобный характер зависимости Н(С указал О. Барч в 1925 г. Ее подтвердил Н.А. Алейников, проводивший в 1930-1931 гг. обширные исследования [6]. Оба автора указывали на необходимость измерения а для объяснения процесса пенообразования. То же наблюдается и в классических монографиях [1, 2]. В 1927 г. А.Ф. Таггарт в своем справочнике [7] (русский перевод 1933 г.) указывал на корреляцию между высотой столба пены Н и величиной Аа, а не просто а. Одной из целей настоящей работы была проверка этого утверждения Таггарта.

Н, мм

_I_I_I_I_I_I_

О 1 2 3 | ~

ООО

Рис. 5. Кривые Н(Ь) саморазрушения пены, полученной на установке рис. 2 путем барботирования растворов Т-66 следующих концентраций: 1 - 0,02 г/л; 3 -0,1 г/л; 5 - 2,0 г/л; 2 - 0,05 г/л; 4 - 0,5 г/л Опыт 20.05.2007 (ПА)(3) при 25 оС

Н, мм

0 1 С, г/л

Рис. 6. Кривые Н(С) иллюстрируют максимум толщины слоя пены и максимум ее устойчивости на поверхности раствора Т-66 при концентрации 0.5 г/л. Кривые построены по данным рис.3 через 0; 1; 2 с после начала разрушения пены: 1 -

0 С; 2 - ІС; 3 - 2 с.

К опыту 20.05.2007(ПА)(3) при 25 °С

О 1 2 3 С, г/л

Рис. 7. Значения Аа, вычисленные по данным, полученным в растворах Т-66 для различных концентраций: 0.02; 0.05; 0.1; 0.5; 2.0; 4.0 г/л.

8. Снятие кривых о(/) также связано с применением цифровой технологии. В таблице приведены значения а на различных этапах снятия релаксационной кривой

Существо методики состоит в том, что на кончике стеклянной трубочки в растворе Т-66 выдувается пузырек и по форме его меридионального контура определяется величина а на его поверхности. Когда а принимает равновесное значение ар (через 10^20 минут), пузырек раздувают на определенную постоянную величину и фотографируют через заданные промежутки времени. По контурам этих пузырьков, переданных фотоаппаратом в компьютер, определяют динамические значения поверхностного натяжения ад. Они непрерывно понижаются от максимального значения, полученного в первый момент после растяжения, до значения, близкого к ар , поскольку нарушенные при раздувании пузырька адсорбционные слои возвращаются в состояние равновесия. Время, при

котором Аа ~ 0, принимается за время релаксации ^ .

В таблице приведены начальные значения ан до раздувания (время t отрицательное), затем первое значение ад в момент раздувания (1 = 0) и далее перечисляются времена фотографирования и соответствующие им значения ад и ар. В нижней строке таблицы приведены величины Да, рассчитанные с использованием максимальных значений ад :

Аа' = ад _ ан

Аа = ад _ ар .

По данным таблицы построен график зависимости Аа от концентрации С раствора, приведенный на рис. 7.

Из сопоставления результатов, приведенных на рис. 4, рис. 6 и рис.7, нетрудно заметить совпадение максимумов на кривых Н(С и Аа(С). Это совпадение подтверждает точку зрения А.Ф. Таггарта о том, что величина Да является важным фактором, оказывающим влияние, как на процесс пенообразования, так и на

» п/

т

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

юнные кривые a(t), снятые в водных растворах Т-66 чных концентрациях н температуре T = 25 °С________

t, с

с, мН/м

концентрация C, г/л

0.02 0.05 0.1 0.5 1 2 4 полисло

-95 66.41 64.01 57.8 54.69 57.67 54.28 49.69 43.06

-63 66.06 63.57 58.01 54.42 57.56 54.29 49.36 43.16

0 69.56 65.76 64.02 61.19 60.06 56.24 52.02 47.56

2 69.45 65.43 63.28 60.43 57.99 55.60 51.96 47.53

4 69.59 65.96 64.41 60.31 57.17 55.79 51.57 47.56

10 69.32 65.3 64.24 59.82 56.91 55.59 51.25 47.47

20 69.72 65.44 63.74 59.56 56.6 55.27 51.03 47.19

30 69.63 65.15 63.54 59.32 56.4 55.35 51.07 47.04

50 69.59 65.34 63.21 58.74 56.56 55.07 50.6 47.1

90 68.97 64.66 62.67 58.35 56.32 54.61 50.16 47.14

120 68.51 65.16 62.5 58.24 56.29 54.53 50.27 47.34

180 68.69 64.82 62.18 57.95 56.41 54.56 50.19 47.46

210 68.74 64.79 62.17 57.44 56.49 54.23 50.19 47.23

270 68.63 64.43 61.93 57.36 56.64 54.24 50.45 47.31

300 68.16 64.52 61.71 57.53 56.59 54.06 49.79 47.2

360 68.11 64.85 61.39 57.24 56.47 53.95 50.14 47.64

420 68.13 64.41 61.09 56.85 56.59 53.6 49.6 47.53

480 68.19 64.88 60.83 56.84 56.59 53.87 49.9 47.32

540 67.74 64.01 60.54 56.82 56.67 53.54 49.65 47.44

600 67.93 64.28 60.37 56.59 56.68 53.37 49.36 47.45

720 67.67 63.82 60.46 56.07 56.54 53.66 49.19 47.71

840 67.66 63.65 60.24 56.0 56.32 52.89 49.2 47.95

900 67.39 63.86 60.19 56.1 56.65 53.11 49.22 47.5

1020 67.4 63.8 60.03 55.82 56.31 53.21 48.96 47.75

1080 67.6 63.59 59.57 55.53 56.38 53.08 48.76 47.53

1200 67.28 63.92 59.52 55.78 56.62 53.0 49.22 47.92

1320 66.95 63.47 59.2 55.57 56.6 53.13 48.9 47.89

1440 66.58 63.22 58.94 55.46 56.56 52.57 48.96 47.61

1680 66.14 62.97 58.79 54.82 56.32 52.38 48.76 47.88

1800 66.0 63.06 58.69 54.79 56.44 52.28 48.70 47.97

°р' 3.50 2.19 6.01 6.77 2.50 1.95 2.66 4.40

3.56 2.70 5.33 6.40 3.62 3.96 3.32 -0.41

с

р

с

с

р

д

д

эффективность пенной флотации. Необходимо заметить, что величина Да является и фактором, определяющим прочность закрепления частиц на

1. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд. перераб. - М.: Химия, 1983.

- 264 с., ил.

2. Кругляков П.М., Ексерова Д. Р. Пены и пенные пленки. - М.: Химия, 1990. - 432 с.

3. Физико-химические основы теории флотации /О.С. Богданов, А.М. Гольман, И.А. Каковский и др. -М.: Наука, 1983. - 264 с.

4. Мелик-Гайказян В.И., Драганов А.В., Емельянова Н.П., Ермаков К.Г. Оценка релаксационных характери-

пузырьках, а также тормозящим истечение жидкости из каналов Плато и повышающим продолжительность "жизни " пены.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

стик аполярных флотореагентов //Известия вузов. Цветная металлургия. 2004. № 5, с.10-13.

5. Bartsch O. Uber Schaumsysteme. Kolloidchemische Beihefte. 1925, Bd.20, s.50

6. Алейников Н.А. Диспергирова-

ние воздуха в водных растворах. Цветные металлы, 1931, № 12,

с.1546.

7. Таггарт А.Ф. Справочник по обогащению полезных ископаемых. Мб ГНТИ, 1933, т.2. - 535 с. ЕЕН

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------------

Мелик-Гайказян В.И.- доктор химических наук, профессор, руководитель лаборатории поверхностных явлений и флотации,

Емельянова Н.П. - кандидат химических наук, доцент,

Козлов П.С. - аспирант,

Труфанов М.И. - кандидат технических наук, доцент,

Фролов Н.С. - кандидат технических наук, доцент,

Курский государственный технический университет,

Юшина Т.И. - кандидат технических наук, доцент,

Липная Е.Н. - аспирант,

Московский государственный горный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 25 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.М. Авдохин.