Строение и физико-химические свойства пенообразователей

В качестве реагентов-пенообразователей наиболее широко применяются поверхностно-активные вещества, содержащие полярную (водо-активную) и неполярную (воздушно-активную) части. Вещества такого типа способны адсорбироваться на границе раздела вода-воздух, ориентируясь своей полярной группой к воде, а неполярной к воздушной фазе. Чистые жидкости аполярного (керосин) и полярного (вода) строения прочной пены не образуют.

Полярные группы пенообразователей могут быть не ионизирующиеся или слабоионизирующиеся, такие как – ОН, =С=О, – СОН; ионизирующиеся анионные, например: СОО^-, SO₃ ^2- , SO₄^2- и ионизирующиеся катионные:

– NH₂, ≡ N.

Аполярная часть молекулы может быть представлена алкильным или арильным радикалом. Молекулы пенообразователей содержат обычно один углеводородный радикал и одну или небольшое число полярных групп.

Адсорбция пенообразователя сопровождается изменением поверхностной энергии границы раздела вода – воздух. Поверхностная активность (а), равная тангенсу угла наклона зависимости между свободной поверхностной энергией (σ) и концентрацией пенообразователя в растворе (с), характеризуется соотношением:

, эрг/см²/моль/л

Поверхностная активность зависит от характера полярной группы и строения углеводородного радикала.

Например, при одинаковом радикале карбоновые кислоты обладают большой поверхностной активностью, чем спирты. Однако для практических нужд лучше пользоваться спиртами с не ионизирующимися полярными группами OH, чем карбоновыми кислотами, полярная группа которых может ионизироваться с изменением рН, резко изменяя пенообразующую способность, а также взаимодействовать с поверхностью многих минералов, изменяя их флотируемость. Эти недостатки карбоновых кислот присущи и другим пенообразователям с ионизирующимися полярными анионными и катионными группами.

При увеличении длины углеводородной цепи на одну группу CH₂ поверхностная активность пенообразователей увеличивается, по правилу Траубе, ~ в 3 раза. Причем лучшими пенообразующими свойствами обладают соединения с неразветвленной углеводородной цепью. Используемые на практике пенообразователи содержат, как правило, от 5 до 13 атомов углерода в цепи, а их растворимость составляет обычно 5,0 – 0,2 г/л. Гетерополярные вещества с меньшим числом атомов углерода в радикале не применяются из-за малой их поверхностной активности, а с большим числом атомов углерода в радикале из-за чрезмерно малой их растворимости.

H₂SO₄ тоже даст пену, но расход будет очень велик. Почти все вещество (ZnSO₄ или H₂SO₄) находится в растворе (в объеме, а не на поверхности раздела), а на поверхности пузыря образуется пленка ориентированных молекул воды.

Активная адсорбция – при введении весьма малого количества ПАВ, поверхностное натяжение резко меняется. Почти все вещество находится на межфазной границе.

Для получения наибольшей устойчивости пены не обязательна полная монослойная пленка. Наибольшая устойчивость получается задолго до ее образования (рис. 2.13.).

Действие пенообразователей

1. Молекулы пенообразователя создают адсорбционный слой из гидротированных молекул воды, препятствуя коалесценции воздушных пузырьков, сохраняют их в течение достаточно длительного времени в дисперсном состоянии.

В отсутствии ПАВ пузырьки мгновенно коалесцируют. Особенно снижается размер и соответственно коалесценция пузырьков при малых (обычных) концентрациях пенообразователя.

В результате взаимодействия полярных групп пенообразователя с диполями воды прочность пузырьков увеличивается.

Рис.2.13 .Зависимость крупности пузырьков от концентрации

соснового масла в пульпе (С), устойчивость пузырька во времени (t).

Точка C₀ соответствует полному монослою с наиболее плотной упаковкой.

Полислои не изменяют поверхностное натяжение.

2. Адсорбционный слой пенообразователя в оболочке пузырька, состоящий из гидротированных молекул увеличивает сопротивляемость оболочек пузырьков воздействию внешних сил, т. е. механическую прочность.

3. Возникновение адсорбционных слоев на оболочке пузырьков снижает скорость их движения в пульпе (за счет сферичности). Вследствие этого увеличивается продолжительность соприкосновения пузырьков с частицами, и создаются условия для минерализации пузырьков.

Каждой полярной группе соответствует своя определенная длина радикала.

Для пенообразователей, имеющих одну и ту же полярную группу, радикал является определяющим в формировании пузырьков максимальной устойчивости. С увеличением или уменьшением радикала (против оптимал.) эффективность пенообразователей уменьшается: при уменьшении радикала, это обусловлено чрезмерно быстрым выравниванием плотности адсорбционного слоя на поверхности пузырьков вследствие большей подвижности молекул пенообразователя, а также неспособностью их значительно изменить поверхностное натяжение в связи с уменьшением поверхностной активности пенообразователей с меньшим размером радикала; при увеличении радикала - это обусловлено уменьшением растворимости пенообразователей, снижением концентрации и подвижности молекул пенообразователя в пульпе.

Для каждого пенообразователя существует своя оптимальная концентрация, при которой обеспечивается наиболее эффективная стабилизация пены. Значение ее отвечает оптимальной скорости выравнивания плотности адсорбционного слоя в зоне растяжения после деформации пузырька. При высоких концентрациях пенообразователя скорость выравнивания плотности будет чрезмерно высокой а «эластичность» пузырьков очень низкой; поэтому насыщенные растворы вообще не пенятся. При очень низких концентрациях пенообразователя недостаточная эластичность пузырьков и прочность пены обусловлена тем, что поверхностное натяжение раствора мало отличается от поверхностного натяжения чистой воды и изменение его, при растяжении пузырька не может быть значительным. Кроме того при малой плотности адсорбционного слоя полярные группы молекул пенообразователя удерживают меньшее количество молекул воды.

Температура и рН влияют на действие пенообразователя вследствие изменения растворимости, концентрации и подвижности его молекул. Вспенивающее действие сильнее при наименьшей диссоциации. Пенообразователи, обладающие основными свойствами, лучше вспенивают в щелочной среде. Фенольные пенообразователи, обладающие кислотными свойствами, действуют активнее в кислой среде. Действие ОПСБ, ОПСМ, Э-1, ТЭБ, ИМ-68 почти не зависит от рН среды. Эти реагенты называется нейтральными.

С повышением температуры вспенивание возрастает.