三相泡沫的形成机理

1、三相泡沫的组成成分及形成机理将不溶性的固体分散在液体中并通入气体，形成了固体颗粒均匀的附着在气泡壁上的大量富集的含有气-液-固三相的体系的体系。在由气体分散于固体颗粒浆液所形成的泡沫中，含有气-液-固三相的体系，称为三相泡沫。三相泡沫在矿物的浮选等方面有着广泛的应用。为了制备高性能粉煤灰三相泡沫，用于矿井防灭火，必需研究其形成机理。比如矿物的浮选，废水的处理等都大量的用到了三相泡沫的机理当不溶性固体分散在液体（水）中后，由于在水中加了有很强发泡能力的表面活性剂，它们使亲水性矿物表面形成亲水基朝向矿物，疏水基朝向水的定向吸附，是矿物表面疏水，再通入气体以后，疏水性的矿物颗粒被气泡吸附形成气-液-

2、固泡沫。在泡沫生成时，由于液体表面积的增加，因此体系的能量也相应的增加，在体系中存在巨大的气液界面能，在热力学上是不稳定的体系，只有当形成多面体泡沫，并且泡沫的表面膜有一定的强度，也有一定的韧性时，降低表面张力有利于泡沫的稳定。固体颗粒要粘附在气泡壁上，必须经历三个重要过程：（1）夹在空气气泡和颗粒中间的液层变薄；（2）薄层破裂为它的黑膜厚度，然后建立相连接的颗粒气泡体（3）水从黑膜撤离，从而扩展了黑洞。其中气泡与颗粒的中间液层的变薄是形成三相泡沫的重要意义。属于固液面与气液面碰撞与接触。在纯固-液浆液中也和纯水中一样，很难形成固-液-气的三相泡沫。要形成固-液-气的三相泡沫，必须也要有表面活

3、性剂降低浆液的表面张力，在将气体通入浆液中，通过加压或强烈的机械搅拌形成三相泡沫。dcba图3-6 三相泡沫的形成过程当向固-液浆液中充气加压或者搅拌时，在固体颗粒和气泡周围出现了水化层。由于浆液运动和表面间引力的作用，固体颗粒和气泡开始出现了相互接触的机会。其固体颗粒和气泡的相对位置如图3-6a所示；接着，固体颗粒开始与气泡的水化层相接触，原来固体颗粒与气泡间的普通水层，由于固体颗粒向气泡逼近，逐渐从夹缝中被挤走，直至固体颗粒表面的水化层与气泡表面的水化层相互接触。但是要挤走水化层中的水分子，外界就必须对体系做功，其相对位置如图3-6b所示；其次在外加能的作用下，水化层变薄形成水化膜，此时水

4、化膜表现出不稳定性，固体颗粒和气泡进一步逼近，自由能降低，水化膜的厚度自发的变薄，此时固体颗粒向气泡自发的逼近，位置如图3-6c所示；最后由于水化膜的变薄直至破裂，固体颗粒与气泡接触并且附着在气泡壁上形成了固-液-气的三相泡沫，如图3-6d所示。固体颗粒、表面活性剂特性对形成三相泡沫的影响要形成三相泡沫，必须分析固体颗粒的物理化学性质、表面疏水-亲水的特征来选择合适的表面活性剂。比如在矿物浮选的过程中，就是利用或者改变矿物的疏水-亲水性质，使亲水矿物留在矿浆中，而疏水矿物被浮选形成固-液-气三相泡沫，从而达到了矿物的浮选。 （1）固体颗粒图3-8 表面疏水固体颗粒与气泡的结合图固固气气一些固体

5、颗粒表面具有亲水性，另外一些具有疏水性，而固体颗粒的疏水-亲水性是由其物理化学性质决定的。一般来说，只有当表面具有疏水性质时才能形成三相泡沫,如图3-8所示。水溶液中的表面活性剂分子存在于气液界面之间，疏水端伸入气泡内，亲水端分布于气液界面之间，当表面疏水的固体颗粒与气泡接触时，固体颗粒一部分进入气泡内，进而粘附在气泡壁上，从而形成了三相泡沫。固体颗粒的疏水-亲水性一般受其表面键能强弱的影响：（a）具有较弱的分子键的固体颗粒，其表面的极性及化学活性较弱，对水分子的吸引力较小，因而表现为疏水性，所以这种固体颗粒为疏水性物质。疏水性物质表面不易被水湿润，易于粘附在气泡壁上，因而容易被泡沫浮起来形成

6、三相泡沫。比如煤、硫、石墨等属于疏水性物质。（b）具有较强的原子键或分子键的固体颗粒，其表面具有较强的极性和化学活性，对极性的水分子有较大的吸引力，因而表现为亲水性，这种固体颗粒称为亲水性物质。亲水性物质表面易被水湿润，很难粘附在泡沫上，因此采用一般的方法很难形成三相泡沫。比如：石英、方解石、粉煤灰等属于亲水性物质。只有选用特殊的表面活性剂，才能形成三相泡沫。 固体颗粒粒度的大小也是影响三相泡沫形成的因素之一。在三相泡沫中，由于由于固体颗粒是附着在气泡的外壁，气泡的承受力的大小有一个限度，如果颗粒过大，其重力超过气泡的承受能力，气泡就容易破裂，这样就不容易形成三相泡沫。因此固体颗粒一般必须小于

7、某个最大粒度。一般来说，固体颗粒的最大粒度一般小于300微米。粉煤灰能满足该要求。图3-9 加入阳离子表面活性剂后表面亲水固体颗粒与气泡结合图气固气固固体颗粒表面的电性也影响三相泡沫的形成。固体颗粒在水溶液中受水分子偶极及溶质的作用，表面会带一种电荷。固体表面的电荷存在影响到溶液中离子的分布，并固体颗粒-水溶液界面就产生了电位差。一般常见的的亲水性矿物颗粒带负电荷。例如，石英在溶液中测得表面带负电荷。粉煤灰中矿物组成主要为石英晶体，以及非晶态的玻璃体，其颗粒表面也带有负电荷。 （2）表面活性剂表面活性剂的选择是固体颗粒浆液形成三相泡沫的关键。对于疏水性的固体颗粒，选择的表面活性剂的范围较宽。例如，硫化矿、部分氧化矿固体颗粒常用阴离子和非离子表面活性剂发泡。对于亲水性的固体颗粒，要形成三相泡沫，必须改变固体颗粒的表面亲水性质，使之表面成为疏水性，这样才有利于固体颗粒选附着在气泡壁上从而形成三相泡沫。许多含有OH、O等的表面活性剂分子的物质，它们能以氢键的形式存在，吸附在石英等矿物的表面，提高它们表面的疏水性能。阳离子表面活性剂的阳离子端可吸附在带有负电荷的颗粒表面，其疏水端伸入水中，从而使其具有疏水性，有利于形成三相泡沫。如图3-9所示。有时候