Флотация является одним из главных методов обогащения полезных ископаемых, применяется также для очистки воды от органических веществ и твердых взвесей, разделения смесей, ускорения отстаивания в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и иных отраслях промышленности.
28. Разрушение и измельчение твердых тел как физико-химический процесс образования новой поверхности
Прочность твердых тел, как известно, значительно больше, чем прочность структур, которые образуются при сцеплении частиц между собой.
Прослойки отдельных сред в местах контактов твердых тел могут играть роль смазочного материала, который обеспечивает подвижность отдельных элементов. Материалы твердого строения с такой структурой обладают высокой пластичностью при небольших напряжениях сдвига.
Явление адсорбционного влияния среды на механические свойства и структуру твердых тел – эффект Ребиндера – было открыто П. А. Ребиндером в 1928 г. Сущность этого явления – в облегчении деформирования и разрушения твердых тел и самопроизвольном протекании в них структурных изменений в результате понижения их свободной поверхностной энергии при контакте со средой, содержащей вещества, способные к адсорбции на межфазной поверхности. Существует несколько факторов, установленных П. А. Ребиндером, для выяснения влияния на прочность твердых тел.
1. Химическая природа среды и твердого тела или характер сил, действующих между молекулами обеих фаз.
2. Реальная структура твердого тела может определяться количеством и характером дефектов, включая размер частиц.
3. Группа факторов, характеризующая условия поведения и разрушения твердого тела, определяется количеством и характером различных дефектов.
Часто разрушению твердых тел предшествуют трещины. Причем если размеры трещины больше критического значения, то это приводит к появлению макроскопической трещины и быстрому разрушению тела. Трещины, имеющие размеры меньше критических, могут уменьшать свои размеры, как говорят, «лечиться». Достаточный рост трещин разрушения твердых тел определяется кинетикой поступления жидкой фазы в трещину. При затвердевании жидкой фазы может практически полностью предотвращаться проявление адсорбционного эффекта прочности.
При повышении температуры происходит уменьшение интенсивности сохранения прочности твердого тела при измельчении молекулы.
Для твердых тел может проявляться эффект пластичности, что может быть связано не с понижением сопротивления пластическому течению, возникающему при увеличении прочности, и возможно при растворении (частично) твердых тел, содержащих дефекты поверхностного слоя.
Диспергирование твердых тел является одним из наиболее важных процессов современной техники. Также процесс диспергирования является одним их крупных масштабных явлений природы. Затраты энергии при протекании механического диспергирования твердых тел могут определяться механическими свойствами твердой фазы и требуемой дисперсностью продукта. Хорошо измельчаться могут только хрупкие материалы, а для пластических твердых веществ процесс диспергирования идет с большим трудом. Так, высокодисперсные золи различных металлов и некоторых видов сплавов в различных средах могут быть получены методом распыления, который является промежуточным способом по своей физико-химической природе между диспергированием и конденсацией. Этот метод позволяет получить золи щелочных металлов в органических растворителях, что невозможно в методе диспергирования, за счет сильного измельчения твердых тел, и при невозможности использования высоких разрядов. Важную роль в процессах диспергирования играет введение различных по природе и механизму действия поверхностно-активных веществ. Введение поверхностно-активных веществ может облегчать измельчение, но может препятствовать сцеплению частиц, образующихся при измельчении.
29. Условие самопроизвольного распространения трещин. Влияние ПАВ на механические свойства твердых тел
Часто разрушению твердых тел предшествуют трещины. Причем если размеры трещины больше критического значения, то это приводит к появлению макроскопической трещины и быстрому разрушению тела. Трещины, имеющие размеры меньше критических, могут уменьшать свои размеры, как говорят, «лечиться». Достаточный рост трещин разрушения твердых тел определяется кинетикой поступления жидкой фазы в трещину.
Поверхностно-активные вещества в равной степени могут как предотвращать трещины, так и увеличивать их. Впервые проблемой структурно-механического барьера занялся А. П. Ребиндер.
Он предположил, что этот барьер является неким сильным фактором стабилизации, который, в свою очередь, связан с образованием на границе раздела фаз адсорбционных слоев как низко– так и высокомолекулярных слоев поверхностно-активных веществ. Структура таких разных слоев способна обеспечить достаточно высокую устойчивость прослоек дисперсионной среды между частицами дисперсной фазы.
Структурно-механический барьер может возникать только при адсорбции молекул поверхностно-активных веществ. Такие молекулы не обязательно могут быть сильно активными на поверхности, но могут образовывать гелеобразный слой на межфазной границе. Такой слой может возникать в растворах ряда веществ при большой их концентрации (в белках, глюкозе). Эти вещества называют защитными коллоидами, т. е. высокомолекулярными соединениями, которые имеют области меньшей и большей гидрофильности. А. П. Ребиндер выделяет несколько условий, которые отвечают высокой эффективности структурно-механического барьера.
1. Наличие повышенной вязкости и достаточной механической прочности адсорбируемых слоев стабилизаторов. Для таких веществ характерна способность сопротивляться деформации и сильному разрушению в сочетании с достаточной подвижностью, которая может обеспечивать «залечивание» случайно возникающих дефектов слоя. Для систем, которые образованы твердыми частицами, условием высокой стабилизации может быть высокая прочность.
2. Лиофильность наружной части межфазного, или только адсорбционного слоя, которая связана с близкими значениями дисперсионной среды, способна обеспечивать плавность перехода от частиц дисперсной фазы к частицам дисперсионной среды.
Необходимым условием защиты межфазного слоя является его устойчивость, способность не вытесняться из зоны концентрации частиц под действием все тех же напряжений, которые способны возникать при соударении частиц.
Следовательно, для защиты слоя необходима достаточная прочность вязания с поверхностью частиц, или слой должен образовывать структуру, обладающую повышенной прочностью, и быть способным к быстрому восстановлению.
Было отмечено, что использование адсорбционных слоев малорастворимых поверхностно-активных веществ действительно обнаруживает высокую сопротивляемость вытеснению и может снижать энергию взаимодействия частиц на несколько порядков, что приводит к выравниванию ее значений до уровня полностью устойчивых систем.
Прочное закрепление молекул на твердой поверхности будет определять высокую прочность адсорбционных слоев.
Можно прийти к выводу, что структурно-механический барьер, обладает достаточно сложным фактором стабилизации или совокупностью ряда термодинамических, кинетических, структурных факторов.
30. Эффект Ребиндера. Основные особенности и формы проявления эффекта. Понижение прочности. Теория Гриффитса
Явление адсорбционного влияния среды на механические свойства и структуру твердых тел – эффект Ребиндера – было открыто академиком П. А. Ребиндером в 1928 г. При облегчении деформации и разрушения твердого тела и протекании в нем структурных изменений в результате понижения свободной поверхностной энергии, при контакте со средой, содержащей вещества, способные к адсорбции на поверхности, изменяются механические свойства тела. В зависимости от химической природы твердого тела и среды, условий деформирования и разрушения и структуры твердого тела эффект Ребиндера может проявляться в различных формах. Особенности эффекта Ребиндера:
1) действие сред весьма специфично: на каждый данный тип твердого тела действуют лишь некоторые определенные среды;
2) изменение механических свойств твердых тел можно наблюдать сразу после установления контакта со средой;
3) для проявления действия среды достаточно весьма малых ее количеств;
4) эффект Ребиндера проявляется при совместном действии среды и механических напряжений;
5) наблюдается своеобразная обратимость эффекта: после удаления среды механические свойства исходного материала восстанавливаются.