Fenómenos Interfaciales

Al tener en contacto cualquier tipo de fluido con un sólido nace el concepto de la mojabilidad, esta propiedad que presentan los cuerpos sólidos respecto a cada tipo de fluidos mediante el ángulo de contacto que se forma, el cual es la resultante de un equilibrio de fuerzas. Para el siguiente caso se muestra que los fluidos presentes son el aire (A) y el agua (W) o de tal modo que también podría ser un aceite (O) y por consiguiente se cumple con el concepto de mojabilidad en el caso de una superficie hidrófila o hidrófoba (Fig. 3)

Figura 3. Superficie mojable por agua (izquierda) y por aire (derecha) Para el caso del ángulo de contacto que se forma con el agua, así como se indica en la figura 3 se determina que es un ángulo inferior a 90°, por lo tanto, se define como una superficie hidrófila o hidrofílica; por lo contrario, si el ángulo formado es mayor que 90°, tendremos definida una superficie hidrófoba o hidrofóbica.

Se sabe que la superficie de un sólido se considera hidrófoba cuando las gotas de aceite o las burbujas de aire entran en contacto con el cuerpo y este claramente tiene tendencia a plegarse o mejor dicho adherirse. Para la figura 4 se representa que la probabilidad de arranque que tiene una burbuja ya sea en un medio que ha sido agitado, es menor en caso de que la burbuja se encuentra

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plegada sobre la superficie del cuerpo (arriba izquierda), de manera que presente un considerable ángulo de contacto (arriba derecha).

Figura 4. Flotación de sólidos hidrofóbos (izquierda) y la no-flotación de solidos hidrófilos (derecha)

Comprobándose que también ocurre lo mismo cuando tenemos el caso de que las partículas siendo más pequeñas que las burbujas y de característica hidrófoba como se puede apreciar en la figura 4 (abajo izquierda), las partículas con gran facilidad logran situarse en el interior de la burbuja. A este resultado se le conoce como partículas abrigadas de las turbulencias que se emanan del exterior que pueden afectar su flotación y correr la misma suerte de las partículas hidrófilas como se muestra en la figura 4(abajo derecha).

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Es considerable resaltar que el ángulo de contacto dependerá de las consideraciones energéticas que se desarrollen, siendo materia de análisis y teniendo en cuenta la diferencia de ambos casos, como se denotan (a) y (b) en la figura 5, representando ambos un mismo área interfacial.

Figura 5. Energías de interacción burbujas de aire agua-solido

Para el caso (a), se puede ver que la energía comprendida por unidad de área para que la burbuja pueda aproximarse al sólido es la energía de la interacción para la fase agua-aire que comprende un lado de la película y por otro lado la de agua-sólido.

Para el caso (b), podemos notar que la energía de interacción corresponde a la fase aire-sólido, así como también se aprecia que a la energía de interacción para fase agua-agua desapareció.

Cuando ocurre el aplastamiento de la burbuja veremos que el área de contacto entre la burbuja de aire y el sólido como se puede ver en el caso (b), hace que se consiga mayor contacto de la película que en el caso (a).

Se busca conocer en cuál de los estados sea (a) o (b), el que garantice mayor estabilidad, mejor dicho, en qué estado sucederá con mayor espontaneidad.

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Para poder tener el cálculo de las energías respectivas para cada caso es necesario llevar a cabo un análisis de las interacciones de atracción (Van der Waals) y las repulsivas, considerando las características que presente la superficie sólida tales como: el pH, la estructura molecular y las sustancias adsorbidas.

Es notorio que las interacciones que ocurren en aire-agua y aire-sólido tienen menor probabilidad o menor importancia que las demás ya que el aire representa una fase no condensada, de modo que por esto no se tomara en cuenta en la discusión.

En las interacciones que ocurre en agua-agua, es decir que las energías que tienen que ver con la cohesión del agua, son muy fuertes incluyendo el tipo de enlace por puentes de hidrógeno que le dan esta gran cohesión, es así que favorece el caso (b), de otra forma si se mostrara el caso en el que las interacciones agua-sólido se muestren menos importantes. Esto ocurriría cuando el sólido presente un tipo de superficie polar, o el caso en el que se llegue a dar un tipo de enlace de la parte sólida con el agua. Es así como los silicatos y los aluminosilicatos producen reacciones de hidrólisis, se hidrolizan en toda su superficie de modo que se vuelven hidrofílicos, así como resulta el caso (a). La hidrofilación que presentan las partículas es por causa del pH, la hidrofilación se presenta a partir de un punto de carga cero en donde la concentración absorbida de los iones H+ es la misma que la concentración absorbida por parte de los iones OH-. Por ejemplo sucede en la cuarcita el punto de carga más como como si fuera un pH 2 o por otro lado tan mayor como e pH alcalino de la alúmina que varía de 8 a 9.

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En el agua neutra se precipitan muchos tipos de ganga como los silicatos, considerándose que se encuentran en agua neutra y a un pH estrictamente alto donde se presente una carga negativa que lleve a la hidroxilación. Lo que conlleva a tener una superficie hidrofílica.

La hidroxilación para los minerales sulfurados o en forma elemental como el grafito, las probabilidades de hidroxilación son mínimas, de manera contraria por naturalidad tienden a tener una superficie hidrófoba muy beneficiosa para la flotación. Usar surfactantes para favorecer la adsorción es lo más recomendable.

Cuando usemos un surfactante será con el fin de adsorberse en la superficie del sólido, causando así dos tipos de interacción conocidos como quimisorción o fisisorción a parte de ello se dejando en la fase acuosa la parte lipofílica, el tipo de surfactante a usar tiene que poseer características de afinidad con la parte sólida, deberá de producir una monocapa si inclusive se encontrase a una baja concentración en la fase acuosa. La monocapa ayuda a que la superficie del sólido se presente hidrófobo a la fase acuosa y no se llegue a dar la interacción de la parte sólida con el agua.

Figura 6. Hidrofobación por adsorción de un Surfactante

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Para la flotación de minerales sulfurados es efectivo el uso de xantatos, esta denominación la tienen los aquiléteres de un ácido tio-carboxílico o los diésteres así como también son los alquil-ditiofosfatos.

No se tiene exactitud en el conocimiento del mecanismo base, pero lo que se ha podido comprobar es que existe un tipo de quimisorción a causa de la interacción de xantato con el ión sulfuro y el metal, de modo que termina siendo remplazado por un enlace roto en el periodo de molienda. Por ser una quimisorción el enlace que se forma es fuerte y hace que el equilibrio de adsorción se desplace.

También puede ser usado las sales de ácido carboxílicos, comúnmente los jabones oleicos son recomendados en la flotación de minerales oxidados que pueden contener gran cantidad de calcio, cromo o hierro debido a que la insolubilidad en los jabones oleicos promueve la adsorción de los metales.

En nuestra naturaleza también encontramos a los minerales que presentan carga negativa tales como; la cuarcita o los silicatos, estos son considerados flotables, para ello se utilizan los surfactantes catiónicos que son sales del tipo alquil-amina o de alquil-amonio cuaternario para la flotacion del talco y la mica. Considerandose así el mecanismo como una atracción eléctrica que nos producirá la adsorción a bajas concentraciones del surfactante. Si la concentración del surfactante aumenta sucede que este mismo puede llegar a adsorberse lo suficiente para formar a la superficie positiva y llegar a producir una bicapa hidrofílica, esta capa termina siendo adsorbida con el grupo

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hidrofóbico y son arrastrados a pertenecer en la primera capa, llevando el grupo hidrofílico hacia la parte acuosa.

Para tener mayor garantía de que suceda la adsorción del surfactante o también conocido como colector se pueden emplear sustancias como los activadores, así mismo puede ser inhibida con sustancias conocidas como depresores. Tomando como ejemplo lo siguiente: la existencia de iones divalentes adsorbidos en la superficie de la partícula metálica que formaron sales insolubles favorece la adsorción de ácidos carboxílicos. A diferencia de la adsorción del colector en el caso de usar almidón o la dextrina.

Se debe tener en consideración el proceso de floco-flotacion ya que pueden ser parte de las interacciones eléctricas resultantes que se da en la adsorción de surfactantes catiónicos. Por ejemplo se puede llegar a dar casos en donde las burbujas de aire que tienen tamaños mínimos tiendan a cargarse de forma positiva y esto les ayude adherirse buscando que se floten proteínas, floculados o polielectrolitos, que la mayoría de veces se cargan negativamente.