三相泡沫的形成機(jī)理

1、三相泡沫的組成成分及形成機(jī)理將不溶性的固體分散在液體中并通入氣體，形成了固體顆粒均勻的附著在氣泡壁上的大量富集的含有氣-液-固三相的體系的體系。在由氣體分散于固體顆粒漿液所形成的泡沫中，含有氣-液-固三相的體系，稱為三相泡沫。三相泡沫在礦物的浮選等方面有著廣泛的應(yīng)用。為了制備高性能粉煤灰三相泡沫，用于礦井防滅火，必需研究其形成機(jī)理。比如礦物的浮選，廢水的處理等都大量的用到了三相泡沫的機(jī)理當(dāng)不溶性固體分散在液體（水）中后，由于在水中加了有很強(qiáng)發(fā)泡能力的表面活性劑，它們使親水性礦物表面形成親水基朝向礦物，疏水基朝向水的定向吸附，是礦物表面疏水，再通入氣體以后，疏水性的礦物顆粒被氣泡吸附形成氣-液-

2、固泡沫。在泡沫生成時(shí)，由于液體表面積的增加，因此體系的能量也相應(yīng)的增加，在體系中存在巨大的氣液界面能，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的體系，只有當(dāng)形成多面體泡沫，并且泡沫的表面膜有一定的強(qiáng)度，也有一定的韌性時(shí)，降低表面張力有利于泡沫的穩(wěn)定。固體顆粒要粘附在氣泡壁上，必須經(jīng)歷三個(gè)重要過程：（1）夾在空氣氣泡和顆粒中間的液層變??；（2）薄層破裂為它的黑膜厚度，然后建立相連接的顆粒氣泡體（3）水從黑膜撤離，從而擴(kuò)展了黑洞。其中氣泡與顆粒的中間液層的變薄是形成三相泡沫的重要意義。屬于固液面與氣液面碰撞與接觸。在純固-液漿液中也和純水中一樣，很難形成固-液-氣的三相泡沫。要形成固-液-氣的三相泡沫，必須也要有表面活

3、性劑降低漿液的表面張力，在將氣體通入漿液中，通過加壓或強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌形成三相泡沫。dcba圖3-6 三相泡沫的形成過程當(dāng)向固-液漿液中充氣加壓或者攪拌時(shí)，在固體顆粒和氣泡周圍出現(xiàn)了水化層。由于漿液運(yùn)動(dòng)和表面間引力的作用，固體顆粒和氣泡開始出現(xiàn)了相互接觸的機(jī)會(huì)。其固體顆粒和氣泡的相對(duì)位置如圖3-6a所示；接著，固體顆粒開始與氣泡的水化層相接觸，原來固體顆粒與氣泡間的普通水層，由于固體顆粒向氣泡逼近，逐漸從夾縫中被擠走，直至固體顆粒表面的水化層與氣泡表面的水化層相互接觸。但是要擠走水化層中的水分子，外界就必須對(duì)體系做功，其相對(duì)位置如圖3-6b所示；其次在外加能的作用下，水化層變薄形成水化膜，此時(shí)水

4、化膜表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，固體顆粒和氣泡進(jìn)一步逼近，自由能降低，水化膜的厚度自發(fā)的變薄，此時(shí)固體顆粒向氣泡自發(fā)的逼近，位置如圖3-6c所示；最后由于水化膜的變薄直至破裂，固體顆粒與氣泡接觸并且附著在氣泡壁上形成了固-液-氣的三相泡沫，如圖3-6d所示。固體顆粒、表面活性劑特性對(duì)形成三相泡沫的影響要形成三相泡沫，必須分析固體顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)、表面疏水-親水的特征來選擇合適的表面活性劑。比如在礦物浮選的過程中，就是利用或者改變礦物的疏水-親水性質(zhì)，使親水礦物留在礦漿中，而疏水礦物被浮選形成固-液-氣三相泡沫，從而達(dá)到了礦物的浮選。 （1）固體顆粒圖3-8 表面疏水固體顆粒與氣泡的結(jié)合圖固固氣氣一些固體

5、顆粒表面具有親水性，另外一些具有疏水性，而固體顆粒的疏水-親水性是由其物理化學(xué)性質(zhì)決定的。一般來說，只有當(dāng)表面具有疏水性質(zhì)時(shí)才能形成三相泡沫,如圖3-8所示。水溶液中的表面活性劑分子存在于氣液界面之間，疏水端伸入氣泡內(nèi)，親水端分布于氣液界面之間，當(dāng)表面疏水的固體顆粒與氣泡接觸時(shí)，固體顆粒一部分進(jìn)入氣泡內(nèi)，進(jìn)而粘附在氣泡壁上，從而形成了三相泡沫。固體顆粒的疏水-親水性一般受其表面鍵能強(qiáng)弱的影響：（a）具有較弱的分子鍵的固體顆粒，其表面的極性及化學(xué)活性較弱，對(duì)水分子的吸引力較小，因而表現(xiàn)為疏水性，所以這種固體顆粒為疏水性物質(zhì)。疏水性物質(zhì)表面不易被水濕潤(rùn)，易于粘附在氣泡壁上，因而容易被泡沫浮起來形成

6、三相泡沫。比如煤、硫、石墨等屬于疏水性物質(zhì)。（b）具有較強(qiáng)的原子鍵或分子鍵的固體顆粒，其表面具有較強(qiáng)的極性和化學(xué)活性，對(duì)極性的水分子有較大的吸引力，因而表現(xiàn)為親水性，這種固體顆粒稱為親水性物質(zhì)。親水性物質(zhì)表面易被水濕潤(rùn)，很難粘附在泡沫上，因此采用一般的方法很難形成三相泡沫。比如：石英、方解石、粉煤灰等屬于親水性物質(zhì)。只有選用特殊的表面活性劑，才能形成三相泡沫。 固體顆粒粒度的大小也是影響三相泡沫形成的因素之一。在三相泡沫中，由于由于固體顆粒是附著在氣泡的外壁，氣泡的承受力的大小有一個(gè)限度，如果顆粒過大，其重力超過氣泡的承受能力，氣泡就容易破裂，這樣就不容易形成三相泡沫。因此固體顆粒一般必須小于

7、某個(gè)最大粒度。一般來說，固體顆粒的最大粒度一般小于300微米。粉煤灰能滿足該要求。圖3-9 加入陽離子表面活性劑后表面親水固體顆粒與氣泡結(jié)合圖氣固氣固固體顆粒表面的電性也影響三相泡沫的形成。固體顆粒在水溶液中受水分子偶極及溶質(zhì)的作用，表面會(huì)帶一種電荷。固體表面的電荷存在影響到溶液中離子的分布，并固體顆粒-水溶液界面就產(chǎn)生了電位差。一般常見的的親水性礦物顆粒帶負(fù)電荷。例如，石英在溶液中測(cè)得表面帶負(fù)電荷。粉煤灰中礦物組成主要為石英晶體，以及非晶態(tài)的玻璃體，其顆粒表面也帶有負(fù)電荷。 （2）表面活性劑表面活性劑的選擇是固體顆粒漿液形成三相泡沫的關(guān)鍵。對(duì)于疏水性的固體顆粒，選擇的表面活性劑的范圍較寬。例如，硫化礦、部分氧化礦固體顆粒常用陰離子和非離子表面活性劑發(fā)泡。對(duì)于親水性的固體顆粒，要形成三相泡沫，必須改變固體顆粒的表面親水性質(zhì)，使之表面成為疏水性，這樣才有利于固體顆粒選附著在氣泡壁上從而形成三相泡沫。許多含有OH、O等的表面活性劑分子的物質(zhì)，它們能以氫鍵的形式存在，吸附在石英等礦物的表面，提高它們表面的疏水性能。陽離子表面活性劑的陽離子端可吸附在帶有負(fù)電荷的顆粒表面，其疏水端伸入水中，從而使其具有疏水性，有利于形成三相泡沫。如圖3-9所示。有時(shí)候