起泡剂存在时气泡的Zeta 电位

起泡剂存在时气泡的Zeta 电位
摘要对4 种起泡剂测定了由超声波产生的气泡的Zeta 电位。

在接近工业浮选矿浆中起泡剂浓度( < 20ppm) 时, 起泡剂对气泡Zeta 电位的影响可以忽略不计。

随着起泡剂浓度的增大(增大至100ppm) , 添加F150 和戊醇后产生的气泡表面上的电荷数量减少, 而由MIBC 和庚醇产生的气泡表面上的电荷增多, 但是其表面上的电荷仍然很少。

气泡表面荷电似乎不影响起泡剂在浮选中所起的作用, 特别是不影响所形成的气泡尺寸的大小。

应用这些数据简单讨论了在纯水中和在含有非离子型起泡剂的溶液中气泡带电模型。

概述
固体颗粒、气泡和有机物液滴在水溶液中会获Zeta 电位的方法。

他们发现空气泡在蒸馏中带有得表面电荷。

对固体颗粒获得电荷研究得比较多, 固体颗粒获得表面电荷的原因有离子吸附、组成固体的离子组分优先溶解和表面组分的电离。

我们感兴趣的是气泡获得电荷。

气泡表面带电可能在气泡兼并、气泡向固体颗业附着以及矿物浮选、废弃物处理和饮用水处理等工业遇到的一些现象中起着重要作用。

在大多数气泡带电研究中只考虑了离子组分、无机盐和表面活性剂。

该文献中考虑了在浮选体系中对气泡表面起重要作用的非离子型起泡剂对气泡带电的影响。

Yordan 考查了一些高分子量起泡剂, 我们研究了一些常用的起泡剂。

起泡剂的一个重要作用是能够有助于形成浮选过程所需要的小气泡(05~ 25mm) 。

1背景资料
气泡表面上的电荷和Zeta 电位测定的难点在于,难于将气泡引入到测定槽中和控制气泡的上浮。

McT aggart 和Alt 首先发明用旋转管测量气泡Zeta 电位的方法。

他们发现气泡在蒸馏水中带负电荷。

Sirois 等人制定了根据气泡在均匀电场中上升轨迹的偏离程度来测定气泡Zeta 电位的方法。

其缺点是电场在比较大的测定槽中会产生对流, 因而使得测定时间间隔比较短( 03~ 04s) 。

Colins 等人通过减小测定槽子的尺寸, 来改进测定方法。

此时对流是减小了, 但是气泡上浮得很快,用肉眼难以观测。

Yoon 等人得到了比较小( 40~ 80m) 的气泡,但是气泡上浮的问题仍然存在。

Usui 等人应用多恩效应测量气泡的Zeta 电位, 多恩效应指的是气泡群产生Zeta 电位的效应。

近20 年来一些研究者在气泡Zeta 电位测定中所做的贡献如表1 所示。

采用不同的方法产生气泡,但是在大多数pH 范围内纯水中产生的气泡的Zeta 电位值为负值,其等电点为pH 1~ 35。

显然在大多数pH 范围内, 纯水中的气泡表面带有负电荷。

气泡带电机理在于, 水分子偶极在气泡表面上定位和气泡表面附近的水结构与水内部的水结构之间有区别, 羟基优先吸附或排斥阳离子。

常用的起泡剂是醇和聚乙二醇, 它们在浮选中可减小气泡尺寸和提高泡沫的稳定性, 也就是影响气/ 水界面(气泡表面) 的性质。

这儿提出的一个问题是,气泡带电是否影响起泡剂的作用。

有关非离子型的表面活性剂对气泡带电影响的资料不多。

起泡剂定位(起泡剂的极性基朝向水一侧,而非极性基朝向空气一侧) 和水分子通过氢键趋向在起泡剂的极基方向排列来起作用。

对起泡剂在形成小气泡中所起的作用的看法是不同的。

起泡剂作用的一种解释是,它们可以延缓气泡的兼并。

浮选机产生小气泡,起泡剂使气泡保持在浮选机中。

另一种解释是, 起泡剂可能起到静电排斥作用,像在盐水中形成较小气泡的情况类似。

其他一些人的研究结果提出了气泡带电的一些问题。

Celinas 等人争辩说,起泡剂影响气泡表面上的水膜的厚
度。

这意味着, 随着起泡剂的种类和浓度的变化, 滑动面( Zeta 电位存在的面) 也会改变。

Azgomi等人的结果表明,起泡剂类型对气泡群的上升速度影响很大。

尺寸较大的气泡在聚乙二醇起泡剂溶液中的上升速度与在戊醇起泡剂溶液中形成的尺寸小一半的气泡上升速度相同。

一种假设是, 起泡剂通过改变气泡上的电荷, 降低与多恩电位有关的影响作用。

为了对气泡与固体颗粒之间的相互作用建立模型，需要对起泡剂在气泡表面带电所起的作用进行研究。

起泡带电在浮选中可能起作用的意见对我们有一定的激励作用, 但是可惜的是, 在浮选文献中, 有关这方面的研究结果是相互矛盾的。

根据Azgomi 等人的工作, 甲基异丁基甲醇(MIBC) 、F150(聚乙二醇) 、正戊醇和正庚醇作为起泡剂的性质在广泛的范围内变化。

在研究中他们用超声波产生气泡。

2 试验物料和方法
21 试验物料
用表2 所列的起泡剂、氢氧化钠、氯化钾和盐酸配制溶液。

试验中应用脱除空气的二次蒸馏水。

用超声波处理来产生气泡。

22 试验方法
用预定pH 和背景电解质KCl 浓度为10- 3 mol/ L 的水配制100mL 起泡剂溶液。

用275DA 型超声波清洗器处理起泡剂溶液15min, 以便在溶液中产生气泡。

用激光Zeta 电位测定仪测定气泡的电泳迁移率。

图像分析获得的气泡轮廓清晰, 这是这种类型Zeta 电位仪的优点。

该仪器得到的结果是由Smolukowkii 方程式给出的Zeta 电位值。

由7 次平均测定值得到最终测定值, 其标准误差小于5mV。

3 试验结果
100ppm 的MIBC 和庚醇时, 气泡纯水中气泡的Zeta 电位如图1 所示。

在pH由31升至118 时,其Zeta 电位由+ 14mV 下降到- 40mV, 其等电点为pH 32,这与文献中报导的等电点值接近( 表1) 。

浓度为10~ 100ppm 的4 种起泡剂的添加对气泡Zeta 电位的影响如图2~ 图5 所示。

Zeta 电位值随pH 变化规律与纯水中的气泡变化规律类似。

在起泡剂低浓度时, 起泡剂的添加对Zeta 电位的影响可以忽略不计。

随着起泡剂浓度的增大, 不同类型的起泡剂却起着不同的作用:添加30ppm 和100ppm的MIBC和庚醇时，气泡的Zeta 电位值比纯水中的气泡Zeta 电位值更负, 而添加戊醇和F150起泡剂时气泡的Zeta 电位负值比纯水中气泡的Zeta 电位负值要小。

图6 中对比了30ppm 戊醇和2ppm F150 对气泡Zeta 电位的影响。

此时气泡群的上升速度相同, 但所形成的气泡尺寸差别很大。

在这个特定浓度时,添加戊醇时的气泡Zeta 电位负值比纯水中气泡Zeta 电位负值小, 添加F150 时的气泡Zeta 电位负值比纯水中气泡Zeta 电位负值要大。

4 讨论
从减小气泡尺寸和产生稳定浮沫所需要的浓度来看, 所选择的起泡剂属于弱的( 戊醇) 到强的(F150) 起泡剂, 为了对比起泡剂, 我们应用了在实践中常用的体积浓度, 即在该试验中用ppm!作为度量单位(常用起泡剂的精确化学组成经常是不清楚的) 。

图6 应用了根据作用相同(在该情况下产生图2 在起泡剂浓度为10ppm 时气泡的Zeta 电位的气泡群的速度相同) 时对比Zeta 电位的另外一种方法。

直接观察结果表明,起泡剂的存在不改变气泡Zeta 电位随pH 变化的趋势, 即添加起泡剂后气泡Zeta 电位的变化与纯水中气泡Zeta 电位变化相似。

起泡剂种类和浓度变化对气泡等电点改变不大, 仍为pH 3。

在浮选体系典型浓度( 即20 ppm) 范围内,起泡剂不影响气泡Zeta
电位, 即添加起泡剂后气泡的Zeta 电位与纯水中气泡的Zeta 电位相近。

与Yoon 的试验结果相似, 即在一种情况下( 即用聚乙氧基甲醚作为起泡剂) ,起泡剂的种类和浓度对气泡的Zeta 电位有点影响,此时气泡的等电点为pH 6, 这可能归因于其中O/ C 原子比值高引起的。

这与预想的似乎不一样, 即起泡剂似乎不影响气泡带电。

如果静电力在阻止气泡兼并中起作用,那么,在添加起泡剂后气泡表面上的负电荷应该比纯水中气泡表面上的负电荷要多, 但是情况并非如此。

像添加盐的情况一样,静电模型并不适用于气泡的形成过程。

根据气泡表面水层厚度解释,起泡剂影响滑动面的位置, 随着起泡剂浓度的增大, 滑动面向外移动,Zeta 电位绝对值减小。

虽然影响程度可能是很小的,但是, 与上述情况是不相符的。

起泡剂对气泡带电的影响似乎不足以证明多恩效应在控制气泡群速度方面起作用。

问题是戊醇和F150 这两种起泡剂对气泡带电的影响作用是相反的(见图6) ,这与对气泡群观察到的结果是一致的, 添加F150 起泡时的Zeta 电位比添加戊醇时的Zeta 电位要低,这表明多恩电位值较小, 尽管差值不大,但足以支持上述假设。

在建立气泡与固体颗粒作用模型时,似乎要对起泡剂的静电作用机理作一些修改。

Karraker 等人提出了气泡表面上两种质点吸附模型。

一种是非离子型表面活性剂可以吸附而羟基离子不能吸附的质点, 另一种是非离子型表面活性剂和羟基离子都能吸附的质点。

在起泡剂低浓度时,表面活性剂吸附在气泡表面上,而羟基离子不吸附在气泡表面上, 此时气泡表面电荷不变化。

如羟基离子发生竞争排斥, 那么水在表面活性剂的极性基团周围排序, 气泡表面电荷减少。

Karraker 等人作出以下结论: 非离子型表面活性剂的结构不影响气泡表面的电荷, 随着表面活性剂浓度的增大,气泡表面电荷减小。

但是我们的研究结果与他们的结果影响是不一致的。

这种影响的程度是小的, 但是可以重现, 随着戊醇和F150 浓度增大, 气泡Zeta 电位减小,而对于MIBC 和庚醇来说情况并非如此, 这表明,起泡剂的结构可以影响气泡表面电荷。

5 结论
浮选中常用浓度下的起泡剂对气泡所带的电荷不大。

所以, 起泡剂带电似乎不是起泡剂在产生小气泡等方面所起作用的主要因素。