На комкуемость концентратов влияет энергия поверхностных слоев, которая при наличии жидкой среды стимулирует возникновение сил сцепления, действующих в сырых окатышах. Уменьшение свободной энергии поверхности зависит от процесса, происходящего на границе раздела фаз.

Силы сцепления зависят от присутствия полярных радикалов и атомов с большим отрицательным электрическим потенциалом в поверхностном слое зерен концентрата. Присутствие полярных радикалов в поверхностном слое создает условия для образования водородных связей. С повышением полярности смачивающей жидкости возрастает склонность ее молекул образовывать водородные связи, что проявляется в значительном уменьшении поверхностной энергии.

Если диполь жидкости приблизится к поляризованной поверхности зерна концентрата, то он приобретает относительно этой поверхности потенциальную адсорбционную энергию, быстро уменьшающуюся с увеличением расстояния от поверхности. На поляризованной поверхности поляризованные молекулы не только адсорбируются, но частично или полностью ориентируются в направлении, перпендикулярном к поверхности адсорбента-концентрата. Молекулы воды, прежде всего, адсорбируются на отрицательно заряженных

88

поверхностях, более гидрофильных, чем поверхности с положительным зарядом.

Адсорбированные диполи воды всегда ориентированы в одном направлении, поэтому при ориентированной адсорбции полярных іиолекул воды поверхность не утрачивает полярности. На адсорбированный слой могут адсорбироваться следующие молекулярные слои вплоть до образования полимолекулярного адсорбционного слоя.

Характерным признаком адсорбции воды на полярном адсорбенте является адсорбция только на активных центрах поверхности. Адсорби­рованные ионы или полярные молекулы взаимно отталкиваются. На поверхности действуют электростатические и индуктивные силы, а также силы дисперсии.

Результатом взаимодействия сил между молекулами воды и поверхностными слоем твердой фазы является смачивание. Направление сил, действующих на границе раздела трех фаз: жидкой, твердой и газообразной, показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3 Распределение сил поверхностного натяжения
на гидрофильной (а) и гидрофобной (б) поверхностях твердого
материала: 1 - жидкость; 2 — твердый материал; 3 - газ

Сила поверхностного натяжения сг[і2 стягивает каплю воды, сила поверхностного натяжения <72.* напротив, растягивает каплю по поверхности твердого тела. Сила <7/ з действует по касательной к поверхности капли. Угол © между твердой поверхностью и плоскостью, касающейся поверхности капли, называется краевым углом или углом смачивания.

Если силы <7/ з и <т12 действуют приблизительно в одном направлении, их действие суммируется, жидкость растекается по поверхности. Твердое тело тем лучше смачивается, чем меньше поверхностное натяжение жидкости. Если сги
и сг/ 2 действуют в противоположных направлениях, то жидкость не смачивает твердую поверхность.

Мерой смачиваемости твердой фазы является cos 0. При 0 - 90-480° жидкость не смачивает твердую поверхность или смачивает ее незначительно. Твердая поверхность хорошо смачивается жидкостью, если 0-0, т. е. cos 0=1. Значение угла смачивания можно вычислить по уравнению Лапласа:

- 0-1.2 )

Угол смачивания зависит от молекулярных свойств граничных фаз и определяется поверхностной энергией трех фаз на границе раздела. Контактный угол не зависит от размера капли.

Значение контактного угла для кварца - 0-10°, кальцита - 0°, пирита - 33-36°, графита - 60°.

Эти значения углов смачивания характеризуют хорошую смачиваемость минералов, присутствующих в железорудных концентратах.

Толщина слоя воды, адсорбированной на поверхности твердых частиц, не везде одинакова. В местах, где молекулярные силы проявляются значительнее, т. е. в выпуклых местах поверхности твердых частиц, слой адсорбированной воды больше, чем на плоских местах поверхности частиц. На толщину слоя воды, адсорбированной на поверхности частиц, находящихся в газовой среде, влияет так называемый эффект Томсона, содействующий перемещению воды с выпуклых на вогнутые части. В результате действия электромолекулярных сил и движения паров воды на поверхности твердых частиц образуется пленка адсорбированной воды.

Толщина пленки на поверхности частиц зависит от размера зерен, химико-минералогического состава, состава и количества адсорбированных ионов, а также от температуры, давления и влажности атмосферы. У глинистых частиц толщина слоя адсорбированной воды достигает 10"4 мм, у остальных твердых частиц толщина слоя колеблется в пределах (545) • КГ6.

Хорошая смачиваемость обусловливает быстрое возникновение сил сцепления и образование зародышей и сырых окатышей, что является необходимым условием окомкования тонкозернистых концентратов. Зерна комкуемых материалов в большинстве случаев являются хорошо смачиваемыми, и это их свойство противодействует силам поверхностного
натяжения, помогая сохранять выпуклую поверхность водного мениска между зернами комкуемого концентрата.

Смачиваемость твердой поверхности можно регулировать адсорбцией поверхностно-активных веществ, вследствие которой гидрофобные поверх­ности становятся гидрофильными, и наоборот. Улучшению смачиваемости зерен концентратов способствует наличие коллоидных материалов, находя­щихся в концентратах или добавляемых в качестве связующих веществ. При изменении смачиваемости при помощи химических веществ необходимо следить за тем, чтобы поверхностное натяжение было достаточным для окомкования концентрата.

Поверхностное натяжение определяется из кинетической модели жидкости как результат взаимодействия ее частиц. Молекулы поверхностного слоя воды находятся под влиянием несимметричного силового воздействия. Равнодействующая сил в поверхностном слое направлена внутрь жидкости и стремится стянуть молекулы поверхностного слоя в объем жидкости, что приводит к поверхностному натяжению.

Молекулы в тонком поверхностном слое находятся в ином энергетическом состоянии, чем молекулы в объеме жидкости. Молекулы поверхностного слоя энергетически неуравновешенны, тогда как молекулы в объеме жидкости находятся в состоянии энергетического равновесия.

Поверхностное натяжение зависит не только от типа жидкости, но и от среды, с которой жидкость контактирует, так как равнодействующая сил определяет взаимодействие молекул воды с молекулами окружающей среды.

Чем больше поверхностное натяжение жидкости, тем большими будут силы, возникающие между зернами окатыша, и тем выше будет его прочность. Такие силы сцепления могут действовать только в том случае, если жидкость полностью смачивает зерна концентрата. Для нормального процесса окомкования и получения удовлетворительной прочности необходимо определить оптимальное значение поверхностных сил. С ростом поверхностного натяжения и увеличением смачиваемости прочность сырых окатышей на раздавливание возрастает. Это подтверждает зависимость прочности сырых окатышей при сжатии от величины поверхностного натяжения жидкости (рис. 2.4.).

Прочность сырых окатышей максимальна, если жидкость абсолютно смачивает твердое тело (© = 0°).

Концентрат ЮГОК крупностью 0-0,25 мм наиболее хорошо смачивается бензолом, хуже - водой и другими растворами и чрезвычайно плохо - керосином (рис. 2.5, а).

Из рис. 2.5, б следует, что пыль кокса не смачивается водой вообще. Высота капиллярного всасывания зависит не только от свойств жидкости, но и от свойств комкуемого материала (рис. 2.6, 2.7).