界面张力

摘要

在表面活性剂水溶液中，从润湿临界表面张力分析了天然疏水性固体像煤，硫，辉钼矿的相对润湿性和可浮性。因为润湿性和可浮性是相同的，所以可浮临界表面张力得到了发展。在特定的情况下，溶液的表面张力介于各自的可浮的临界表面张力之间，两种天然疏水性固体的选择性分离在理论上是可行的，尽管这两种固体可能有相同的润湿临界表面张力。

简介

在以前的出版物中，在讨论关于疏水性矿物的分离时讨论过界面张力γc的概念。1964年Zisman及其同事利用纯有机溶液对能量低的固体进行研究，得出cosθ与γ

lv

的线性关系，当cosθ=1时，可以得出固体的临界表面张力。1959

年，Bernett和Zisman用表面活性剂溶液代替纯溶液时，关系是非线性的。对于短链正醇的水溶液，接触角与γc组成的单调的曲线在纯溶液的下面，同时也取决于表面活性剂的种类。

一种非传统的方法绘制接触角与表面张力的关系就是所谓的粘附力γθ与γ

lv。θ

lv·cos

从0º到180º.在很多情况下，包括短链的正醇溶液，γ

=b·γ

·γlv+（1-b）

c

lv·cosθ与γ

lv是线性关系，关系式为γlv·cosθ

其中b是润湿性曲线的斜率，γc是θ=0º时的截距。

对于非极性固体，只有分散力的作用，如聚四氟乙烯和石蜡，b≈—1，在这种情况下，γc是反应润湿性不同的参数，对于聚四氟乙烯和石蜡，γc分别大约为 20达因/厘米和24达因/厘米（1973年Bargman和van Voorst Vader）。

然而，随着固体表面极性的增加，b变得越来越消极（尽管在某些情况下是积极地），而γc似乎接近最高值30达因/厘米，尤其是用无关固体（聚合物或者

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煤炭例如云母，石墨，辉锑矿）种类的醇溶液时。因此，随着固体极性的增加润湿性不仅与γc有关而且与b也有关。图2解释了在水溶液中润湿行为的不同，直线A代表非极性固体，直线B和D代表的固体极性越来越强。

如果两种能量低的固体（直线A和B代表的固体）表面的γc是完全不同（醇

AB溶液相同）的，然后在醇溶液中位于c＜γlv﹤c的选择性润湿区域固体B将

完全润湿，而固体A部分润湿。1975年Finch和Smith，以及1980年的出版物

ABcc已经证明，固体A和B的分离将甲醇溶液作为中间表面张力＜γl﹤。

像固体D，随着固体极性的增加，选择性润湿区域可能变得越来越窄或者可以忽略。然而由于以下参数的影响，分离是有可能的，从亲水性矿物到疏水性矿物，不同的矿物不同密度吸附的表面活性剂不同，选择性分离还是有可能的。 可浮性临界表面张力

在实际浮选条件（实验室或选煤厂），当一种颗粒成功粘附与气泡并且从煤泥水中分离出来就被认为是可浮选的。要想这种情况发生，从热力学上讲不仅需要反湿润颗粒表面而且以下几个条件也要满足：

（1）颗粒必须与气泡发生碰撞

（2）在碰撞（接触）时间内颗粒和气泡必须完成水化膜的薄化、破裂、以及颗粒稳定粘附于气泡之上这几个过程。

（3）在浮选机操作过程中，颗粒与气泡之间的粘附力必须完全抵挡击穿力（破碎力），

（4）颗粒与气泡的絮团能从矿浆中分离出来。

这些条件可以用概率来描述（1963，Tomlinson 和Fleming；1974，Laskowski），能否浮选的总概率为：P=Pc·Pa·Ps

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Pc：碰撞概率 Pa：粘着概率 Ps：稳定性概率

多种碰撞理论认为Pc与颗粒疏水程度及溶液表面张力无关，因此，γc大或小与其无关。

粘着概率Pa随着诱导时间的减小而增加，诱导时间随着矿物粒度，溶液粘度的减小，有起泡性能的表面活性剂浓度的增加而减小。然而，随着γ

lv接近 lv比γ

γc的极限值，诱导时间必须增加，在一定程度上比接触时间长。这意味着将有一个粘附的临界表面张力γca(γca＞γc)，此时Pa=0，图3曲线B中，θca是对应的黏着时的临界接触角，但这并不表示Pa与θ或者γ

lv 有关，除了一般情

况下认为的接触角越大可浮性越好。在某些情况下，双电层的静电斥力是很小的，诱导时间和黏着概率与接触角有关，但是当双电层的静电斥力很大时并没有相关的研究。

一些研究者也分析了颗粒与气泡团聚体的稳定性，在静电学和动力学条件下，已经发现最大可浮选的矿物粒度随着接触角和溶液表面张力的减小而减小，随颗粒相对密度增加而减小。因此，他们认为在碰撞和粘附发生的情况下，γ

lv

和θ将存在一个极限值，在这个值之下，对于给定的粒度和密度，颗粒将不会被浮选，此时Ps=0，尽管θ是有限的数值。

在颗粒与气泡团聚体的稳定性方面，具有相同表面性质（润湿性，γc，b）的不同粒度的固体颗粒也将会有不同的可浮性。两种颗粒的粒度d’＜d”，将会产生相关的接触角θcs’＜θcs”，γcs’＜γcs”。因此，像图3所描述的，溶液表面张力γcs’＜γ

lv＜γ

cs”,由于颗粒与气泡团聚体的稳定性不够，小粒度的颗粒可

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浮，大粒度的颗粒不可浮，对于较宽的粒度γcs有一系列连续的值而不是离散值。

图3指出可浮性的另外一方面：依据颗粒的粒度，无论γcs还是γca将会是影响可浮性的参数，无论哪个其主要作用。例如，对于粒度为d”的颗粒可浮的必要条件是γ

lv＞γ

cs”，然而对于粒度为d’的颗粒可浮的必要条件是γ

lv＞γ

ca。通常认为粘附过程中接触后角θR是合适的，而团聚体稳定性过程中前接触角θA才是重要的参数。通常θR比θA小的多，对于能量低的固体，在醇溶液中无论是提高还是降低润湿性，通常θR比θA小的多。在绝对的情况下，对于特定的粒度，γcs和γca可能会逆转，但是不会改变总体的结论：在可浮性中γ

lv的作用比γ

cs和γca大很多。

在动力学条件下，在浮选机中非平衡动态表面张力可能建立颗粒与气泡的吸附，在浮选槽内上浮，最后由于稳定性不够而脱落这一过程。高速摄影图片清楚地显示颗粒的脱落不一定与气泡破裂有关，接触角减小的可能性和一个气泡从最初附着到脱落时间的不同说明了这一点。

因此，总体来说，如果γ张力。

在前面部分已经显示两种固体当γc不同时存在一个选择性润湿区域，同时也指出随着固体极性的增加这个区域可以忽略。然而，随着浮选临界表面张力概念的发展显示，如果两种固体润湿性曲线的斜率大有不同，γcf很可能也大有不同，尽管γc的不同很小或是几乎没有。这种不同可能会提供一个选择性润湿区域，在这个区域两种固体的分离有可能实现。

图4中显示了一些可能的情况，三种性质不同但γc相同的固体：在a图中，

ABD可浮性的临界接触角θcf对每一种固体都是相同的，b图cf＜cf＜cf,

lv＞γ

cf,颗粒将会可浮，γcf指可浮选的临界表面

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DBAc图cf＜cf＜cf。

4c显示，在某些情况下，γcf可能有很小的差别，以此可以排除任何的选择性分离，然而，在其他情况下，例如4a和4b，选择性可浮选区域可能是存在的，在粒度窄的疏水性固体已经发现了这个区域并且可以浮选分离（表1）。

如果两种被分离的固体有比较宽的粒度分布，这儿可能有一系列的γcf值而不是离散值（图3）。在这些临界表面张力的一系列值中可能存在一定程度的重复以至于不同粒度的颗粒不易分离。

有人会提出应该存在可浮选的最小接触角，如果两种固体的可浮性临界表面张力不同，选择性分离是可能的。这取决于固体相对应的有限可浮选的静态的临界接触角。理论分析认为可浮选的最小接触角与浮选槽内重力加速度的不同而产生的团聚体的稳定性有很大关系。预测的最小接触角从对于低密度小粒度的＜1º到高密度大颗粒的90º。另一方面，理论分析在浮选机内动态条件下的可浮选的最大粒度，最小接触角在10º-20º之间的颗粒粒度在50μm以上。

一些实验数据显示，随着测量的接触角减小至10º到20º之间，浮选特性降为0，另外的研究表明，当测量的静态浮选接触角为0时，有好的浮选特性，时间取决于表面活性剂共吸附，凝聚，重新排列这三个界面的动态的现象。

最后，在某些情况下，静态润湿行为的分析不能清楚地说明可浮性的好坏。然而，当动力学参数不起决定性作用时，可浮性临界表面张力的概念的进展可能有助于区别控制疏水性矿物选择性分离的参数。

异构的矿物标本可能包含不同“平均”表面性质的一部分，图4润湿性曲线可以代表这一部分，或者说，更实际地，图5宽频带的润湿性。 结论

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对浮选参数的分析表明，具有近乎相同临界表面张力值的固体仍然可以分离，如果它们诱导疏水层的极性足够不同去给出一系列的表面张力，分离时它们有各自的可浮性临界表面张力。 致谢 参数

lv——水溶液的表面张力

c——固体的润湿临界表面张力

cf——可浮的临界表面张力cf

ca——颗粒向气泡粘附的临界表面张力ca cs——颗粒和气泡团聚体稳定性的临界表面张力cs

b——润湿性曲线的斜率 θ——接触角 Pa——黏着概率 Pc——碰撞概率 Ps——稳定性概率

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