常用起泡剂起泡性能的研究

常用起泡剂起泡性能的研究
0 引言
矿物的可浮性取决于两个因素[1]。

一是内因，即决定于矿物的组成和结构，有些矿物由于本身的组成和结构的亲水性大，天然可浮性小，如石英、云母等；有些矿物亲水性小天然可浮性大，如石墨、辉钼矿、自然硫等。

仅利用矿物天然可浮性的差别是难于达到分选目的的。

另一个因素是外因，是人为的创造条件改变矿物表面的物理化学性质，调整其可浮性，从而达到分选目的。

使用浮选药剂的目的是改变矿物的物理化学性质，调节矿物的可浮性，浮选药剂对矿物分选起着重要的作用。

起泡剂在矿物浮选所用的浮选药剂中起着很大的作用[2]，不仅影响起泡的数量和质量，也影响矿物颗粒之间的接触。

细小、丰富的气泡能够促使体系中的疏水性颗粒更多粘附于气泡上，达到与体系中亲水颗粒有效分离的目的。

硫化矿的分选过程中，旋流—静态微泡浮选柱与浮选机相比，具有流程短、占用面积小、操作简单等优点，但柱内的高紊流矿化浮选对起泡剂提出了新要求。

由于起泡剂性能的优劣直接影响到浮选的各项指标，为配合浮选柱在硫化矿分选的使用，亟待开发一种稳定性较好，寿命较长的硫化矿长效起泡。

1 实验部分
1.1 仪器和药品
德国 KRUSS 张力仪K100；可调充氧泵；秒表；正丁醇（AR），上海凌峰化学试剂有限公司；正己醇（AR），天津市福晨化学试剂厂；正辛醇（AR），无锡市亚盛化工有限公司；仲辛醇（CP），国药集团化学试剂有限公司；松节油透醇（CP），国药集团化学试剂有限公司； 730 系列起泡剂，云南大红山矿山。

1.2 实验评价系统设计
1.2.1 泡沫性能评价指标的确定
采用理化性能指标的测试方法进行评价和选优。

运用表面张力测定仪进行表面张力的测量；用在给定条件下溶液的发泡高度与泡沫寿命—半衰期（充气束后秒表测定泡沫高度减半所用的时间）的对比来评估泡沫的稳定性和可维持的泡沫厚度。

1.2.2 评价系统（设备）的建立
选择了选矿实验室中最接近工业条件的大型浮选柱（高3 m，直径0.8 m），模拟现场浮选柱的高紊流状态，在固定气含率，固定泵压等固定的情况下进行实验，有利于各个起泡剂性能的比较。

1.2.3 实验条件的选择
起泡剂的性能与起泡剂的浓度有关。

经过对现场资料的仔细研究，起泡剂在浮选过程的用量范围是30~100 g/t ，因此本次实验在这个范围内取出由大到小的6 个值，以便对起泡剂的性能与浓度的关系进行研究。

目前常用的浮选起泡剂主要是醇类化合物，因为其起泡效果好，几乎没有捕收能力，是一种良好的起泡剂。

本实验研究了浮选中常用的醇类起泡剂的起泡性能以期指导以后新型起泡剂的合成。

2 结果与讨论
目前在浮选工业中认为常见的C6~C8 醇具有起泡能力。

因此，根据现有条件，分别选用了几种醇进行研究，并与二号油的主要成分松油醇进行了比较，为新型起泡剂的开发奠定实验基础。

实验结果如所示。

由可以看出正辛醇降低表面张力的能力最大，其次是仲辛醇和松油醇，最差的是正丁醇。

特劳贝[3]在研究脂肪酸同系物的表面活性物质时发现，同一种溶质在低浓度时表面张力的降低效应和浓度成正比。

不同的酸在浓度相同时，对于水的表面张力降低效应（表面活性）随碳链的增长而增加。

每增加一个-CH2-，其表面张力降低效应平均可增加约3.2 倍，这个规则称为特劳贝规则。

对于其他脂肪醇、胺、酯等也有类似的表面活性随碳氢链增长而增加的情况。

当极性基一定时，正构烷基起泡剂溶液的表面张力随烷基中—CH2—基数增加而降低。

实验准确的体现了这一规则的正确性。

由于正辛醇表面张力较正丁醇和正己醇随质量浓度的增加差值越来越大，自能量观点考虑，低表面张力对于泡沫的形成比较有利（就是说，生成相同总表面积的泡沫，可以少做功）。

但是只有当表面膜有一定强度、能形成多面体的泡沫时，低表面张力才有助于泡沫的稳定[4]。

因为根
据Laplace 公式，液膜的Plateau 交界处与平面膜之间的压差与表面张力成正比；表面张力低则压差小，因而排液速度较慢，液膜变薄较慢，有利于稳定。

泡沫中各个气泡相交处（一般是3个气泡相交）形成所谓Plateau交界（所示A处）。

根据Laplace公式：
Δp =σ（ 1/r1 + 1/r2 ） (1)
式中,Δp为液面两边产生的压力差；r1 , r2为体系的曲率半径；σ为表面张力。

可知，液膜中A处的压力小于B处。

于是，液体会自动地从B处流往A处，结果是液膜逐渐变薄，这就是泡沫的排液过程（另一种排液过程是液体因重力而下降，使膜变薄。

但这仅在膜较厚时才有显著作用）。

正辛醇、正丁醇、正己醇都能形成双吸附层，这种吸附层至少具有以下作用：（1）由于吸附层的覆盖，膜中液体不易蒸发；
（2）活性剂亲水基团对水的吸引，使液膜中水的粘度增大，不易从双吸附层中流失，使液膜保持一定厚度；
（3）活性剂分子亲油基团之间的相互吸引会增高吸附层的强度；
（4）对于离子型活性剂，亲水基团在水中电离，活性剂离子端带有相同电荷的相互排斥，阻碍着液膜变薄。

这些因素都有利于阻碍液胺变薄，使得泡沫稳定。

但是正辛醇与正丁醇、正己醇不同的是，它所形成的界面表面张力要小得多，这就使得液膜A处的压力与B处相差的数值比正戊醇的要小，泡沫的排液过程较慢，有利于泡沫的稳定。

但是，从中可以观察到松油醇的表面张力的值并非最低，且趋于不变，这种现象出现的原因是从其分子结构来说，松油醇除含有一个醇羟基外，还连有1 个带1 个双键的六元环，相比于一般直链醇，它所具有的刚性结构，使生成的气泡壁柔韧性降低，结构稳定不易变形，有利于泡沫的稳定。

相比于同类以环状结构为主体的非极性基，它所具有的支链结构又可以使它的极性降低，结构上有一定的弯曲空间，减小环状结构难以紧密排列造成膜强度不高的现象[5,6]。

因而排液速度较慢，液膜变薄较慢，有利于稳定。

分别为各种常用起泡剂在不同质量浓度时的泡沫高度和半衰期，从的对比中也可看出，极性基同样的醇，无论是起泡能力抑或是泡沫的半衰时间，松油醇的性能参数都比其余4 个的要优良许多。

但只有当表面膜有一定强度、能形成多面体的泡沫时，低表面张力才有助于泡沫的稳定。

因为根据Laplace 公式，液膜的Plateau 交界处与平面膜之间的压差与表面张力成正比；表面张力低则压差小，因而排液速度较慢，液膜变薄较慢，有利于稳定。

其中，正丁醇的泡沫高度和半衰期都很低，因为正丁醇碳链较短，在液膜上排列的不紧密，液膜的机械强度差，因此在工业生产中常常用于消泡剂。

3 结语
通过实验可以看出脂肪族醇起泡剂的起泡性能与碳链长度有很大关系，一般碳链越长，对溶液的表面张力的降低越多，同时形成的表面膜强度也越大，泡沫越稳定。

同时当分子中含有支链时，支链的相互作用，可以使得表面膜的强度更大，泡沫的气液界面更加稳定，因此也有利于提高泡沫的稳定性。

根据表面活性剂协同作用的原理，将不同药剂复配可以达到增效或取得原来单一药剂所没有的效果[7] 。

因此通过将不同的起泡剂进行复配，有望合成一种新型的起泡剂，这将是起泡剂合成的一个新的研究方向。

在职硕士论文
[参考文献]（References）
[1] 朱玉霜, 朱建光. 浮选药剂的化学原理[M]. 长沙: 中南大学出版社, 1987.Zhu Yushuang, Zhu Jianguang. The Chemical Principles of Flotation Agent [M]. Changsha: Central SouthUniversity Press, 1987.(in Chinese)
[2] 见百熙. 浮选药剂[M]. 北京:冶金工业出版社,1981:5-11.Jian Baixi．Flotation Agent[M]. Beijing: Metallurgy Industry Press, 1987: 5-11. (in Chinese)
[3] 傅献彩, 沈文霞, 姚天扬. 物理化学 [M]. 5 版. 北京: 高等教育出版社, 2006.Fu Xiancai, Shen Wenxia, Yao Tianyang. Physical Chemistry [M].
5th Ed. Beijing: Higher Education Press,2006. (in Chinese)
[4] Acharya D P, Gutierrez J M. Interfacial properties and foam stability effect of novel gemini-type surfactants inaqueous solutions[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 291(1): 236-243.
[5] Figueredo R C R, Sabadini E. Firefighting foam stability: the effect of the drag reducer poly(ethylene) oxide[J].Colloids and Surfaces A: Physicochem Eng Aspects, 2003, 215(1-3): 77-86.
[6] Duan M, Hu X Q, Ren D M, et al. Studies on foam stability by the actions of hydrophobically modifiedpolyacrylamides[J]. Colloid Polym Sci, 2004, 282(11): 1292-1296.
[7] 朱建光. 2008 年浮选药剂的进展[J]. 国外金属矿选矿, 2009, (1/2):2-8.Zhu Jianguang. Progress of flotation agent in 2008[J]. Metallic Ore Dressing Abroad, 2009,(1/2):2-8. (inChinese)。