ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ИХ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены действия растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) и электролитов, их влияние на адсорбционное ослабление твердых полезных ископаемых, адсорбционное влияние на механическую деструкцию твердых пород путем физико-химического воздействия соответствующими-горной породе, ПАВами. Изучен механизм ослабления твердых полезных ископаемых под воздействием ПАВ, проникающих через микро и макротрещины в кусках руды.

ABSTRACT

The article discusses the actions of solutions of surfactants (surfactants) and electrolytes, their effect on the adsorptive weakening of solid minerals, the adsorption effect on mechanical destruction of hard rocks by physicochemical action with the corresponding rocks, surfactants. The mechanism of weakening of solid minerals under the influence of surfactants, penetrating through micro and macrocracks in lumps of ore, has been studied.

Ключевые слова: ослабления, прочность полезных ископаемых, упорные руды, поверхностно-активных веществ, проникновение, дробление, измельчение, адсорбция, разрушение.

Keywords: weakening, strength of minerals, refractory ores, surfactants, penetration, crushing, grinding, adsorption, destruction

Понижение прочностных свойств твердых полезных ископаемых – это процесс, в результате которого у кусков руды снижаются физические характеристики при воздействии химических растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других растворов за счет физико-химических превращений в горных породах.

Поверхностно-активными веществами обычно называют вещества, понижающие поверхностное натяжение на границе раздела жидкость (вода) — воздух (пар), жидкость (вода) — жидкость (масло), жидкость — твердая поверхность. В соответствии с таким определением молекулы или ионы поверхностно-активных веществ, должны состоять из полярной части и неполярного (углеводородного) радикала. Поверхностная активность возрастает с ростом ассиметрии молекулы или иона поверхностно-активных веществ при данной полярной группе, например с удлинением углеводородной цепи.

В момент эффекта Ребиндера при физико-химическом воздействии раствора ПАВ на поверхность горной породы наблюдается снижение их прочности, в следствие адсорбции этих веществ. Наибольший адсорбционный эффект наблюдался в том случае, когда возникающие в процессе разрушения новые поверхности успевали покрываться адсорбционными слоями.

Процессы адсорбции из растворов ПАВ на границе твердое (адсорбент) - жидкость обусловливаются интенсивностью молекулярных силовых полей твердой и жидкой фаз на границе раздела. Различие в интенсивности силовых полей, т.е. разность полярностей двух фаз (растворителя и адсорбента), является причиной возникновения свободной энергии -б на границе, разделяющей эти фазы. Чем больше разность полярностей, а, следовательно, и величина -б, тем сильнее выражена тенденция к ее уменьшению.

На всей поверхности капилляров, трещин, пор, адсорбция руды часто превышает во много раз величину видимой внешней поверхности.

Физической адсорбцией называется процесс изменения концентрации в поверхностном слое, обусловленное молекулярными Вандервальсовыми силами. В случае формирования поверхностного соединения в результате химических сил, процесс имеет другое название-«хемосорбция». Всевозможными исследованиями выяснено, что при снижении свободной поверхностной энергии в процессе адсорбции выделяется теплота. В том числе было установлено, что при хемосорбции выделяется заметно большее количество тепла, чем в процессах физической адсорбции.

Известное уравнение Гиббса, способно описать адсорбцию на поверхности раздела Жидкость – Твердое тело в следующем виде:

Где, Г- излишек вещества, моль/1м² поверхности раздела

а – активность растворенного вещества в растворе (в разбавленных растворах активность растворенного вещества а, принимают как с- концентрацию)

R- универсальная газовая постоянная равная 8,314Дж/(моль К),или равная

8,31∙107 erg/mol gon (8,31∙103 J/kmol gon)

Т – абсолютная температура, в Кельвинах 273,15К.

Данное основополагающее уравнение, является одним из приложений ко второму закону термодинамики при поверхностном разделе фаз, и дает количественное выражение для распределения растворенного вещества между объемом и поверхностным слоем вследствии самопроизвольных процессов, влекущих уменьшение свободной поверхностной энергии.

В случае если,  то и следовательно Г>0, другими словами адсорбция положительна. Таким образом и величина производной, взятой с отрицательным знаком будет назваться поверхностной активностью (q)

Исследованиями доказано, что поверхностная активность любого вещества это его мера адсорбироваться, т.е. способность растворенного вещества понижать поверхностное натяжение и переходить из общего объема в его поверхностный слой. Вследствие разрушения горных масс (породы) во внутренних частях появляются постепенно увеличивающиеся трещины. Если данный процесс протекает в вакууме, то эти трещины могут сомкнуться в случае удаления разрушающей силы и тело способно восстановиться, в случае если не произошло полного разделения его частей.

В соответствии с энергетической рассмотрение, эффект снижения прочности кусков руды имеет отличительную черту ввиду понижения работы на образование новых поверхностей тела в процессе деформации и разрушения под действием формирующегося на них адсорбционного слоя. Основываясь на силовой трактовке, понижение поверхностной энергии на границе слоя (сферического препятствия), происходит ввиду проникновения адсорбционного слоя по поверхностям, что соответственно приводит к развитию усилия, пропорционального двумерному давлению. Исследованиями показано, что всевозможные разрушения кусков руды можно привести к следующей схеме: напряжение, возникающее в полезных ископаемых в процессе механического разрушения горного массива, приводит не только к разрушению его поверхностного слоя, но и к появлению большой сети макро- и микротрещин в его глубоких слоях.

Результат адсорбционного снижения прочности в некой мере связывают с тем, что адсорбционные слои ПАВ из окружающей среды успевают проникнуть в образующиеся дефекты, покрывая тем самым все большую поверхность нового твердого тела. Это доказывает, наблюдение, которое велось за возрастанием адсобирующихся молекул когда их адсорбция увеличивается (поверхностная активность) на поверхностях твердого тела, их адсорбционное понижение прочности способно исчезнуть. Иными словами размеры этих молекул уже не позволяют им проникнуть в трещины (устья раскрывающихся дефектов). По этим же причинам адсорбционное снижение прочности наблюдается только в условиях единовременного сочетания следующих факторов: напряженное состояние, благоприятно влияющее постепенному образованию дефектов и наличие адсорбирующихся веществ с приемлемо подвижными молекулами и атомами. ПАВы малых размеров, для примера рассмотрим поверхностно-активные металлы могут вызвать адсорбционное понижение прочности и облегчают деформацию вследствии внутренней адсорбции на зародышевых поверхностях, образующихся в объеме деформируемого твердого тела. Высокое адсорбционное понижение прочности горной породы может наблюдаться и в недоступности внешних факторов – исключительно под воздействием малых внутренних напряжений, или вовсе в ненапряженном состоянии – путем самопроизвольного диспергирования при снижении поверхностной энергии до очень малых значений (предельный случай очень сильной поверхностной активности).

При анализе ряда физико-химических факторов, свойственных процессам адсорбционного понижения прочности имеется возможность подчеркнуть следующие необходимые группы: химические свойства твердого тела и поверхностно-активной среды; дефектность (условия приложения нагрузки). Прочность идеального кристалла близка с механической прочностью адсорбционного слоя.   

В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что однажды образовавшись, трещинообразное нарушение способно существовать довольно долго (в случае если успели произойти адсорбция, диффузия и т.д.). Исследованиями отмечено, что большая часть понижения поверхностной энергии идет на мономолекулярную адсорбцию, т.е. ПАВ содействует поддержанию деформированной зоны в разрушенном состоянии, что состыковывается с теорией П.А. Ребиндера и его наблюдениями.

Факторы структуры, способные повлиять на поведение горной породы в активной среде, весьма разнообразны и имеют взаимосвязь с другими факторами, определяющими механизм адсорбционного понижения прочности под воздействием внешней среды. К ним принадлежат гранулометрический и минералогический составы, пористость, влажность породы, структура и текстура, дефектность структур и т.п.

В данное время можно решительно отметить, что практически для любого материла, возможно нахождение той среды, способствующей к снижению его адсорбционной поверхностной прочности. Практически для всех видов твердых тел имеются близкие родственные по химическому составу и строению среды, которые в большей степени способны обеспечить компенсацию обнажающихся в процессе деструкции тел связей, иными словами среды способные снизить свободную энергию возникающей на поверхности, и тем самым дают возможность резкому снижению прочности этого твердого тела. Одним из ключевых обстоятельств, связанных со степенью влияния среды, является наличие зародышей разрушения, развитию которых и превращению в трещины помогает среда. Снижение прочности кусков твердых полезных ископаемых а также облегчение процесса её механического разрушения возможно только в среде, с преобладающей высокой энергией смачивания по отношению к этой породе или же с содержанием веществ, способных адсорбироваться на поверхности данной горной породы. Во время механической деструкции напряжения, появляющиеся в породе, приводят не только к самому разрушению слоя поверхности, но и образуют макро- и микротрещины в более глубоких слоях горной породы, иными словами к образованию зон остаточной деформации. В результате этого в данной зоне понижена прочность самой порода в той или иной степени по сравнению с первоначальной прочностью той же породы. В случае если деструкция ведется в инертной среде, то после снятия нагрузки микротрещины закрываются, соответственно энергия, потраченная на их образования будет утеряна. В многочисленных трудах, посвященных понижению прочности, подчеркивается многосторонняя промышленная значимость этого физико-химического явления.

Использование ПАВ даёт возможности увеличение эффективности работы мельниц (для измельчения определённого размера дробленных продуктов) на 10-15 процентов по сравнению с водой.

Вместе с тем с адсорбционным влиянием понизителей прочности в облегчении разрушения под влиянием реагентных добавок могут играть роль и чисто химические процессы в микротрещинах – гетерогенные реакции. Например, соляная кислота вступает в обменную химическую реакцию с кусков твердых полезных ископаемых, в результате чего диспергирование происходит за счет расширения микротрещин по причине химического растворения породы, что соответственно может привести к обычному адсорбционному эффекту снижения твердости.

Значительный интерес представляют химические реакции в которых понизитель прочности вступает в реакцию с одним из породообразующих минералов, находящихся в горной породе в виде мельчайших включений. В таком случае вместе с адсорбционным воздействием на основные минералы данной породы, реагент также вступает в реакцию с включениями в микротрещинах, тем самым ослабляет связь между зернами основного минерала, и облегчает, деструкцию породы.

В качестве примера можно привести воздействие воды при измельчении руд твердых цветных металлов. Как и прочие адсорбционные эффекта, адсорбционное понижение прочности зависит от химического состава и физико-химического строения обрабатываемого или измельчаемого тела.

Наиболее благоприятной структурой для воздействия понизителей прочности, а именно значительной пористостью (что способствует проникновению вглубь кусков), обладают песчаники. При подборе понизителей прочности для дробления и измельчения данной породы необходимо учитывать не столько минералогический состав (в большинстве кварц), сколько из состава цементирующего вещества, т.к. цементы являются изменчивой переменной частью песчаника. Понижение твердости у различных пород достигается добавлениями соответствующих различных добавок. В качестве понизителей прочности могут выступать соли (натрия, алюминия магния), сода, едкий натрий, а также вещества обладающие адсорбирующими свойствами (нафтеновые кислоты, мыло, технические продукты, содержащие углеводороды)

Понизителями прочности в карбонатных породах являются щелочные электролиты с хлористым натрием с концентрацией 0,1-0,25%, а также известь с концентрацией от 0,05 до 0,007%. Для глинистых пород понизителем прочности выступает хлористый натрий с добавлением соды концентрацией не превышающей 0,25%.

Список литературы:

1. Тошев О.Э., Норов Ж.А., Каюмова О.А. Исследование химического  способа ослабления прочности песчаных пород с использованием растворов поверхностно-активных  веществ // Горный вестник Узбекистана. ‒ Навои, 2011. ‒ №4. ‒ С.  31-33.
2. Шеметов П.А., Тошев О.Э. Исследование ослабления прочности массива горных пород взрывом с использованием поверхностно-активных веществ в промышленных условиях // Горный вестник Узбекистана. ‒ Навои, 2011. ‒ №3. ‒ С. 24-28.
3. Норов Ю.Д., Мардонов У.М., Тошев О.Э. Изучение влияния водных растворов ПАВ на изменение прочности горного массива //  Горный журнал. ‒ Москва, 2005. ‒ №3. ‒ С. 15-21.
4. Тошев О.Э. Взрывное рыхление массива с предварительным снижением прочностных характеристик горных пород // Монография. Под общ. ред. Ю.Д. Норова. – Навои: изд-во им. А.Навои, 2020. – 100 с.