Opracowała Monika Kujawska

Katedra Przeróbki Kopalin i Utylizacji Odpadów

 

Materiały do wykładów

z podstaw chemii wzbogacania kopalin

 

dla studentów specjalności Przeróbka Kopalin Stałych

Politechniki Śląskiej

Semestr V  

Chemia

Wykłady

PKS

 Zjawiska elektryczne na granicach faz ciało stałe - roztwór

Obecność ładunku elektrycznego na powierzchni ciała stałego będącego w kontakcie z roztworem wynika z nierównomiernego rozkładu jonów w bezpośrednim sąsiedztwie ziarna a otaczającym je roztworem.

 Ładunek elektryczny ziarna i otaczającego je roztworu jest równy co do wielkości lecz przeciwnego znaku. Ładunek powierzchni i ładunek roztworu tworzą więc tzw. podwójną warstwę elektryczną, którą można potraktować jako kondensator płaski, którego jedną z okładek stanowi powierzchnia ciała stałego a drugą otaczający je roztwór.

Jeżeli położenie jednej okładki tego kondensatora jest oczywiste (powierzchnia ciała stałego) to położenie drugiej okładki nie jest jednoznacznie okteślone i mieści się w pewnej odległości od powierzchni ciała stałego w głębi roztworu. Położenie to zmienia się w zależności od rodzaju roztworu, jego stężenia i temperatury.

 Przebieg zmian potencjału w roztworze otaczającym ciało stałe był przedmiotem wielu badań i jest kilka teorii co do jego charakteru. Można tu wymienić teorie Helmholtza, Gouy Chapmana i Sterna.

 Teorie te opisują rożne modele budowy podwójnej warstwy elektrycznej

 

Model Helmholtza

Model Gouy Chapmana

Model Sterna

Podwójna warstwa traktowana jak kondensator płaski

Podwójna warstwa posiada charakter rozmyty

Połączenie poprzednich modeli.

Podzielenie warstwy na dwie części:

adsorpcyjną przylegającą bezpośrednio do ciała stałego (w której spadek potencjały jest jak w kondensatorze płaskim) i drugą dyfuzyjną w dalszej odległości od ciała stałego, w której spadek potencjalu zachodzi zgodnie z teorią Gouy Chapmana

 

Pochodzenie ładunku elektrycznego na powierzchni ciała stałego

 

1. Przyłączenie jonów H+ lub OH-  do powierzchni nierozpuszczalnych tlenków.

Na przykład grupy silanowe w cząsteczce krzemionki mogą stać się dodatnie w wyniku przyłączenia jonu H+:

 

@SiOH  +  H+   =    @SiOH2+

 

lub w przypadku przyłączenia grup OH- stać się ujemne:

 

@SiOH  +  OH-   =   @SiO-   +   H2O

 

W związku z tym w zależności od pH roztworu w którym znajduje się krzemionka będzie ona przyjmowała dodatni lub ujemny ładunek elektryczny powierzchni. Jony H+ i OH są jonami potencjałot`worczymi.

 

2. Powstanie ładunku elektrycznego na powierzchni organicznego ciała stałego (np. węgla) ma miejsce gdy obecne w cząsteczkach grupy karboksylowe (-COOH) ulegają dysocjacji. Odszczepiające się jony H+ przechodzą do roztworu a powierzchnia ładuje się ujemnie.

 

3. Halogenki np. srebra są klasycznym przykładem ciała zmieniającego ładunek elektryczny pod wpływem wspólnych jonów.

Na rysunku przedstawiona jest cząstka jodku srebra w ośrodku z nadmiarem jonów J-.

Cząstka ta w tym przypadku posiada ładunek ujemny. W nadmiarze jonów srebra Ag+ będzie miała ładunek dodatni.

Jony srebra i jodu są więc jonami potencjałotwórczymi. Od ich stężenia zależy wielkość i rodzaj ładunku elektrycznego

4. Minerały ilaste zyskują swój ładunek elektryczny w wyniku podstawienia jonów Si+4 jonami o mniejszej

 wartościowości takimi jak Al.+3, Fe+3 a nawet Ca+2 bez zmiany struktury krystalicznej ciała stałego. Niedobór ładunku dodatniego powoduje, że cząstka wykazuje ładunek ujemny. Ten rodzaj ładunku jest inny od pozostałych bo występuje nie tylko na powierzchni ale i w głębi ciała stałego i jego wielkość nieznacznie zależy od warunków panujących na zewnątrz. W tego typu minerałach zawsze występuje ładunek ujemny. Chociaż na narożach i krawędziach w których siły adsorpcji są największe może dojść do adsorpcji jonów dodatnich. Kryształ taki posiadać więc może jednocześnie ładunek ujemny na powierzchniach płaskich (wynikający ze struktury kryształu) i na narożach ładunek dodatni.

 

Stadia koagulacji minerałów ilastych

W wyniku koagulacji takich minerałów tworzą się struktury przypominające domki z kart zawierające wewnątrz dużo wody.

Ładunek powierzchniowy wyraża się w C/m2. Wielkość jego zależna jest jak wspomniano od obecności w otaczającej fazie wodnej odpowiednich jonów nazywanych jonami potencjałotwórczymi.

 Jonami tymi najczęściej są jony wodorowe i wodorotlenowe. Znaczy to, że wielkość ładunku powierzchni zależy od kwasowości środowiska a więc od pH.

 Zmiany ładunku powierzchniowego od pH przedstawiono na rysunku:

Jak widać dla określonego pH istnieje taki punkt zwany punktem ładunku zerowego - p.z.c. (point of zero charge) przy którym ładunek powierzchniowy jest równy zero.

Oznacza to, że powierzchnia ciała stałego nie posiada wtedy wypadkowego ładunku elektrycznego

 

W przypadku bardzo silnej adsorpcji jonów potencjałotwórczych na powierzchni ciała stałego może się zdarzyć, że ładunek warstwy adsorpcyjnej zmieni swój znak. Oznacza to, że powierzchnia ciała stałego, z którą warstwa adsorpcyjna jest ściśle związana również zmieni znak. W tym przypadku mówi się, że nastąpiło przeładowanie  ładunku powierzchniowego. Pociąga to za sobą również przebudowę warstwy dyfuzyjnej.

 

 

 

Potencjał dzeta

Jeżeli roztwór stykający się z ciałem stałym będzie się przesuwał względem jego powierzchni wówczas nastąpi ruch warstwy podwójnej. Ta część warstwy podwójnej, która przylega bezpośrednio do powierzchni a nazwana warstwą adsorpcyjną nie będzie brała udziału w ruchu. Wytworzy się więc wewnątrz podwójnej warstwy elektrycznej płaszczyzna poślizgu rozdzielająca tę warstwę na dwie części: nieruchomą warstwę adsorpcyjną i ruchomą warstwę dyfuzyjną.

Różnica potencjału pomiędzy płaszczyzną poślizgu a końcem warstwy dyfuzyjnej (głębią roztworu) tworzy potencjał elektrokinetyczny zwany też potencjałem dzeta.

Wielkość tego potencjału zależy również oczywiście od stężenia jonów potencjałotwórczych i obecności innych jonów w roztworze.

Całkowity potencjał powierzchniowy jest więc sumą spadku potencjału w warstwie adsorpcyjnej i potencjału dzeta.

Pomiar spadku potencjału w warstwie dyfuzyjnej nie jest prosty natomiast łatwo jest zmierzyć potencjał dzeta. Potencjał ten charakteryzuje wielkość ładunku elektrycznego w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni ciała stałego, od którego zależy szereg zjawisk wpływających na procesy wzbogacania minerałów.

Powyższy rysunek przedstawia zależność potencjału dzeta od kwasowości roztworu oraz zawartości w nim soli.

W tym przypadku istnieje również taki punkt zwany punktem izoelektrycznym i.e.p. (isoelectric point), w którym potencjał dzeta wykazuje wartość zero. Nie musi oznaczać to wcale, że ładunek powierzcniowy jest również równy zero. Wskazuje to jedynie, że cały ładunek zgromadzony być może w warstwie adsorpcyjnej.

 

Na poniższych rysunkach przedstawiono zmiany potencjału dzeta w zależności od pH dla kilku minerałów.

 

Różne odmiany kwarcu

Ilmenit

Krzywa dolna - w obecności 0,001M roztworu  roztworu siarczanu sodu IV

Grafit - Antracyt

Siarka

Krzywa przerywana - w nasyconym roztworze CaSO4