Виды влаги

На процессы удаления влаги из материалов значительное влияние оказывает энергия связи молекул воды с поверхностью твердого. Чем больше энергия связи, тем труднее отделить влагу от поверхности твердого и, следовательно, тем больше конечная влажность продукта.

В зависимости от энергии связи молекул воды с минеральной поверхностью, а в общем случае с твердым телом, различают следующие виды влаги по классификации академика П. А. Ребиндера.

1. Химическая или связанная влага (внутренняя) – это влага, которая содержится в кристаллической решетке некоторых минералов в виде гидроксильных ионов в гидратах и в виде молекул воды в кристаллогидратах, например, в минералах карналлите KCI · MgCI · 6H₂O, хризоколле CuSiO₃ · 2H₂O. В свою очередь внутренняя влага подразделяется на:

а) конституционную – эта влага содержится в виде ионов H⁺, OH^-, Н₃О⁺. Например в малахите СuCO₃ · Cu(OH)₂. Такая влага удаляется в виде молекул воды при разложении химических соединений минералов при высокой температуре их нагревания;

б) кристаллизационную – эта влага содержится в кристаллогидратах, например, CuSO₄ · 5H₂O, FeSO₄ · 7H₂O. Это влага в молекулярной форме; удаляется в виде молекул воды при температуре до 300°С. В процессах обезвоживания химически связанная влага не удаляется.

2. Адсорбированная влага (пленочная ) – это по природе физико-химическая влага, которая удерживается на поверхности частиц в виде гидратных пленок силами адсорбции. Адсорбированная влага подразделяется на:

а) гигроскопическую;

б) прочно связанную;

в) адгезионную.

Гигроскопичность – это свойство пористых тел адсорбировать на своей поверхности парообразную влагу из воздуха. Эта влага образует на поверхности частиц тонкие пленки воды, удерживаемые силами адсорбции, и заполняет структурные поры и трещины в частицах. Количество адсорбированной гигроскопической влаги зависит от влажности окружающего воздуха и от свойств материала. В среде с относительной влажностью 100% тело приобретает максимальную сорбционную влажность, называемую максимальной гигроскопичностью w_г.

Гигроскопическая влага обладает рядом аномальных свойств: большей плотностью, повышенной вязкостью, пониженной температурой замерзания, пониженной способностью к растворению. Различия в физических свойствах гигроскопической и свободной влаги объясняются наличием значительных электростатических сил притяжения диполей воды к ионам на поверхности твердых частиц. Наблюдается строгая ориентация диполей воды, что затрудняет их движение по сравнению с движением молекул свободной влаги.

При связывании влаги поверхностью твердого происходит выделение теплоты смачивания, которая, будучи отнесенной к 1 грамму связанной влаги, является постоянной величиной – 80 калорий/г независимо от природы вещества. Толщина слоев воды, вызывающих выделение теплоты смачивания, ≈ 5–10 диаметров молекулы воды (= 2,76·10^{-8 см).}

Передвижение молекул гигроскопической влаги может осуществляться только в парообразном состоянии за счет температурного градиента и при постоянной температуре из участков тела с бóльшей влажностью в участки с меньшей влажностью.

Если твердое тело из атмосферы с относительной влажностью менее 100% поместить в воду, то происходит достраивание пленок воды до максимальной гигроскопичности w_г. Такая влага называется прочно связанной, то есть по своей природе это гигроскопическая влага. Передвижение прочно связанной влаги возможно только в парообразном состоянии. Особенностями ее являются: пониженная растворяющая способность, отсутствие электропроводности и повышенная плотность. С повышенной плотностью прочно связанной влаги, которая у каменных углей составляет 1,48–2,25 г/см³, а у антрацитов доходит до 3 г/см³, непосредственно связано и повышение ее вязкости.

Значительно отличаются прочно связанная и гигроскопическая влаги от свободной и по своей теплоемкости. Теплоемкость гигроскопической влаги в различных пористых средах в среднем составляет 0,7. Диэлектрическая постоянная связанной воды составляет
2–2,2 вместо 80 для свободной воды. Прочно связанная влага имеет аномально низкую температуру замерзания, составляющую 78°С.

Адгезионная влага образует над пленками прочно связанной влаги более толстые пленки толщиной до 100 диаметров молекулы воды, которые удерживаются силами адсорбции, но менее прочно. Ориентация диполей воды относительно поверхности твердого уже менее правильная, вследствие этого аномальные свойства адгезионной влаги проявляются слабее. Плотность адгезионной влаги 1,25 г/см³; она обладает пониженной растворяющей способностью и пониженной температурой замерзания. Наибольшее количество адгезионной влаги в 2–4 и более раза превышает количество гигроскопической влаги при максимальной гигроскопичности среды. Адгезионная влага занимает промежуточное положение между прочно связанной и свободной влагой.

3. Капиллярная влага – это по природе физико-механическая влага, она заполняет промежутки между частицами и структурные пустоты в самих зернах и удерживается в них силами капиллярного давления. Капиллярные силы возникают на границе соприкосновения трех фаз – твердой, жидкой и газообразной и создаются поверхностным натяжением на искривленной поверхности (мениске) жидкости в капилляре. Капиллярная влага подвижна в материале и зависит от размеров капилляров и условий смачивания водой их поверхности.

Капиллярную влагу можно разделить на внутрикапиллярную, капиллярно-стыковую и внутрипромежуточную влагу.

Внутрикапиллярная влага впитывается порами, трещинами, пронизывающими частицы твердого. Различают влагу макро- и микрокапилляров. К макрокапиллярам относят капилляры с радиусом более 10^{-5 см, а к микрокапиллярам – с радиусом менее 10-5 см, где 10-5 см – длина свободного пробега молекулы воды. В трещины и поры с радиусом капилляра менее 10-5 см могут проникать только молекулы адсорбированной влаги, а собственно капиллярная влага может находиться только в макрокапиллярах.}

Капиллярная влага удерживается силами капиллярного давления

, (1.1)

где σ_ж-г – поверхностное натяжение на границе жидкость – газ;

q – краевой угол смачивания;

r_к – радиус капилляра.

В связи с тем, что реальные капилляры в слое осадка не имеют цилиндрической формы и одинаковых размеров по всему сечению, удобнее выразить размер капилляра через величину эквивалентного диаметра. Тогда для частиц неправильной формы получим

, (1.2)

где y – коэффициент формы частиц;

е – коэффициент пористости;

d_экв – эквивалентный диаметр частиц осадка.

Капиллярно-стыковая влага скапливается в местах стыка частиц осадка. При сферической форме частиц одного диаметра вода имеет вид двояковогнутой линзы, боковая поверхность которой выпукло-вогнутая. Такое отдельное скопление воды принято называть водной манжетой, а всю воду, находящуюся в осадке в форме манжет, – капиллярно-стыковой.

Внутрипромежуточная влага заполняет все промежутки между частицами осадка, представляющие собой систему разветвленных, соединяющихся между собой каналов. Эта влага называется также влагой капиллярного подъема.

При фильтровании пористых осадков удаляется только внутрипромежуточная и часть капиллярно-стыковой влаги; внутрикапиллярная влага не удаляется.

4. Гравитационная влага – это свободная влага, она появляется, когда все капилляры, поры и промежутки между частицами заполнены водой. Гравитационная влага свободно перемещается между частицами твердого под действием силы тяжести. Она составляет основной объем воды в продуктах мокрого обогащения. Кроме гравитационной влаги, в операциях обезвоживания при необходимости удаляется пленочная, капиллярная и гигроскопическая влага. Виды влаги показаны на рис. 1.1.

Схема расположения диполей воды у поверхности твердого тела показана на рис. 1.2. Первый слой молекул воды располагается с четкой ориентацией диполей у поверхности твердого, причем таким образом, что отрицательные заряды поверхности тела притягивают положительные концы диполей воды, а их отрицательные концы притягивают положительные концы других молекул воды и так до тех пор, пока постепенно не прекращается действие сил адсорбции. С дальнейшим увеличением расстояния от поверхности твердого тела силы притяжения уменьшаются и тепловое движение молекул воды препятствует их ориентации. В последующих слоях упорядоченность расположения молекул воды выражена ещё слабее. Здесь заканчивается область гигроскопической и прочно связанной влаги и начинается область адгезионной влаги – влаги смачивания, за которой следует свободная гравитационная влага.

Рис. 1.1. Виды влаги:
1 – пленочная адсорбированная влага; 2 – внутрипромежуточная влага;
3 – манжеты капиллярно-стыковой влаги; 4 – внутрикапиллярная влага;
5 – свободная гравитационная влага; Т – частицы твердого

Рис. 1.2. Схема расположения диполей воды у поверхности твердого тела

Влажные материалы, в зависимости от форм связи и содержания поглощенной влаги, можно разделить на коллоидные, капиллярно-пористые и капиллярно-пористые коллоидные.

Коллоидными называют материалы, в которых влага преимущественно осмотически связана и поглощена. При удалении влаги такие материалы значительно сжимаются. К ним относятся глина, желатин и др.

Капиллярно-пористыми называют тела, в которых влага в основном связана капиллярными силами. К ним относятся рудные концентраты, кварцевый песок, каменные и старые бурые угли.

Капиллярно-пористые коллоидные тела содержат воду всех форм связи; это торф, молодые бурые угли и др.

1.4. Классификация продуктов
по содержанию влаги

По количеству содержащейся в продуктах обогащения воды различают продукты обводненные, мокрые, влажные, воздушно-сухие и сухие.

Обводненные продукты (пульпы или суспензии) – это механические смеси твердого и воды, обладающие подвижностью жидкости; содержат воды не менее 40%.

Мокрые продукты – получаются после предварительного обезвоживания обводненных продуктов, не обладают подвижностью жидкости и содержат в себе остатки гравитационной влаги, а также адсорбированную и капиллярную влагу. В них содержится от 15 до 40% воды.

Влажные продукты – содержат от 5 до 15% влаги, не обладают текучестью; в них не содержится свободной гравитационной влаги, а присутствует лишь некоторое количество капиллярной, пленочной и гигроскопической влаги.

Воздушно-сухие продукты – получаются после высушивания на воздухе влажных продуктов; в них содержится только гигроскопическая влага; влажность не более 5%.

Сухие продукты – получаются в результате термической сушки при условии испарения из материала большей части гигроскопической влаги.