CC BY
32
УДК 622.7 Л.А. Попова
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСА ЧАСТИЦА-ПУЗЫРЕК В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО АКТА ФЛОТАЦИИ УГЛЕЙ
Семинар № 24
Изучение литературы по вопросам флотационной активности органических соединений различного состава и строения их молекул за последние 50 лет показало, что по этому вопросу существуют две принципиально важные и наиболее противоречивые точки зрения. Первая утверждает, что в основе флотационной активности реагентов по отношению к углям лежит «соответствие структур молекул» реагентов и макромолекул угольной поверхности.
Вторая утверждает, что практически уголь можно сфлотировать любым реагентом независимо от его состава и структуры, важно, чтобы он имел оптимальные значения растворимости в воде и летучести.
Эти две концепции были сформулированы в шестидесятые годы прошлого столетия сотрудниками крупнейших институтов, а именно, ВУ-ХИН (Циперович М.В. и его последователи) и Институт физической химии АН СССР (Таубман А.В., Янова Ё.П. и др.). Высказанные точки зрения не являются взаимоисключающими, но базируются на разных физических законах. В дальнейшем работы по выбору реагентов проводились, в основном, в двух направлениях с уклоном к какому-либо одному утверждению и попытками теоретического
сближения этих крайних точек зрения.
Точка зрения о соответствии структур базируется на обшей теории электромагнетизма и следуюшего из нее принципа резонансного поглоше-ния энергии электромагнитного поля при взаимодействиях (соотношение (1)).
Теоретическая база основных концепций взаимодействий углей с реагентами
I «Соответствие структур» молекул реагентов и органической массы углей (ОМУ)
01 = 02 = ЮЖ(. (1)
где 01 и 02 - частоты собственных колебаний электронов, реализуюших взаимодействие двух молекул или комплексов. при 8 = Ню
(2)
где 8 , 81, 82 - кванты энергии, испускаемые и поглошаемые при взаимодействии.
II Отсутствие необходимости «соответствия структур» молекул реагентов и ОМУ.
М >0
AS =i^,
i T
I II III
Рисунок 1 Потенциальная кривая электромагга иных в з а!шодейс 1В1 ш.
где А£ - изменение энтропии системы; 82 - тепловой эффект взаимодействия; Т - абсолютная температура системы.
При этом, если иметь в виду дискретность значений энергии электромагнитного поля, то можно утверждать необходимость соответствия энергий состояния электронов, реа-лизуюших взаимодействие (соотношение (2)). Вторая точка зрения базируется на законах молекулярной физики, т.е. в основе лежит второе начало термодинамики и закон возрастания энтропии (соотношение (3)).
В принципе сближение этих точек зрения возможно как объяснение происходяшего на обшетеоретиче-ской основе. В этом случае, в первом направлении необходимо определиться с тем, что такое уголь, т.е. как его можно представить в виде химической структуры; во втором - вопрос так или иначе упирается в состав и строение молекул реагента, но тогда он выходит за рамки законов молекулярной физики.
В последние 10-15 лет углехимики в международном масштабе остановились на наиболее обшем мнении о том, что уголь следует считать как систему кластеров различной степени развития. Это представление и сово-
купность сведений о конкретном мак-ромолекулярном составе органической массы дали возможность использования моделей ОМУ. Появилась возможность квантово-химического анализа электромагнитных процессов органической массы углей (ОМУ) с реагентами.
Теоретически считается, что все виды электромагнитных взаимодействий описываются потенциальной кривой (рис. 1).
При этом обшепризнано, что взаимодействие углей с реагентами относится к второй и третьей областям этой кривой, и наиболее прочными считаются происходяшие по водородной связи и диполь - ди-польные, как по ориентационному, индукции-онному, так и дисперсионному механизмам.
В областях II и III потенциальной кривой потенциальная энергия поля отрицательна, а это значит, что электроны, реализуюшие взаимодействия, находятся в потенциальной яме взаи-модействуюших молекул. Описание состояния этих электронов возможно только средствами квантовой химии и, именно, методом молекулярных орбиталей (МО).
Были произведены квантово - химические расчеты фрагментов угольной поверхности и молекул реагентов различного состава и строения. Эти расчеты позволили определить энергии верхней занятой МО (ВЗМО), нижней свободной МО (НСМО), степень локализации электронной плотности, модули дипольных молекул, а так же дали возможность представить энергетические состояния электронов в виде диаграмм (рис. 2).
Из диаграмм следует:
- взаимодействия не являются за-висяшими только от величины локальных зарядов, т.е. только от степени смешения электронной полотности;
НСМО ВЗМО
НСМО
ВЗМО
а б в
Рисунок 2 - Энергетические уровни электронов но ВЗМО и НСМО в молекулах: а — ОМУ (Гс); 5 - 4,4 диметил - 1,3 - диоксана; в — воды.
уголь ----------------Т-Ж
вода+реагент (¿)
-----------------Ж-Г
воздух
а б
Рисунок 3 Схема перемещений молекул: реагента к границам раздела и взаимной ориентации векторов, определяющих этот процесс
а-на границе раздела твердое-раствор.
5-на границе раздела раствор-газ.
- в большей мере результат взаимодействия определяется наличием обшей молекулярной орбитали, энергия которой была бы меньше энергии соответствуюших атомных орбит взаимодействуюших молекул, а силы, возникаюшие при взаимодействии, в
этом состоянии были бы силами притяжения;
- преобладаюшими в перекрывании являются ВЗМО, следовательно у всех молекул при взаимодействиях друг с другом преобладает функция донора. При этом у угля она выражена меньше всего и изменяется в ряду уголь < реагент < вода.
С учетом изложенного и влияния молекулярных электростатических полей, графически механизм распределения реагента по межфазным границам и ориентация его молекул в монослое могут быть представлены так, как показано на рис. 3.
Таким образом, хронологически:
- на стадии образования новых границ раздела твердое - реагент и реагент - газ определяюшими являются термодинамические параметры, а именно, растворимость реагента в
воде, его летучесть и абсолютная температура системы, обусловливающие адсорбцию реагента на границах раздела;
- соответствие структур молекул и активность локальных зарядов становятся достаточно действенными для молекул реагента в совокупности образующих новую границу раздела, при этом процесс взаимодействия многократно ускоряется молекулярными электростатическими полями активных центров ОМУ (еуг.=3,7^ 3,8 против ев = 35 ^ 55);
- при этом взаимодействие реагентов происходит быстрее всего и стабильнее на участках поверхности в наибольшей мере сходных по составу и структуре с молекулами реагента;
- ориентация молекул в монослое определяется в значительной мере и конфигурацией профиля поверхности, т.е. характером ее шероховатости, а также склонностью молекул к взаимодействию друг с другом и с водой. ШИЗ
— Коротко об авторах----------------------------------------------
Попова П.А. - Магнитогорский государственный технический университет.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИА 1ЬНЫЙ УНИВ ЕРСИТЕТ
КУТЦАР
Татьяна
Михайловна
Разработка пространственно-планировочных решений для независимого ведения горно-подготовительных и очистных работ в пределах геологического участка
