Краткие теоретические сведения

Химические производства стремятся, как правило, применять более концентрированное сырье, что позволяет интенсифицировать процессы и получить продукцию лучшего качества с меньшими затратами.

Содержание полезных компонентов в природном сырье часто бывает недостаточным для его эффективного применения, поэтому производится предварительное обогащение сырья, т.е. повышение содержания в нем ценного компонента. Для обогащения минерального сырья в промышленности применяют следующие способы: грохочение, гравитационное обогащение, электромагнитную и электростатическую сепарацию, флотацию.

Флотация основана на различной смачиваемости минералов водой. Основным показателем смачиваемости минералов служит величина краевого угла смачивания А, образующегося на твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т.е. вдоль линейной границы раздела «твердое тело – жидкость – воздух».

Положение на границе трех фаз твердое тело – жидкость – газ показано на рисунке 7.1. Жидкость образует с не смачиваемой частью 1 тупой краевой угол А, а со смачиваемой 2 – острый. Силы поверхностного натяжения стремятся выровнять угол жидкости, в результате этого не смачиваемая (гидрофобная) частица выталкивается из жидкости (всплывает), а смачиваемая (гидрофильная) погружается в жидкость. Чем меньше частицы, тем больше отношение их поверхности к общей (массе) и тем сильнее оказывается смачивание. Поэтому флотации предшествует тонкое измельчение минералов в пределах размеров частиц от 0,1 до 0,3 мм. Мелкие гидрофобные частицы всплывают независимо от плотности; таким образом, при флотации нередко всплывают более тяжелые гидрофобные частицы полезного материала, а более тяжелые частицы пустой породы тонут, поскольку они все же тяжелее воды.

Для ускорения флотации применяют ряд технологических приемов. Через смесь твердого измельченного материала с водой пропускают снизу мелкими пузырьками воздух. На границе каждого пузырька с водой происходят уже рассматриваемые явления.

Чем больше несмачиваемость (гидрофобность) частиц минерала и краевой угол А, тем больше периметр прилипания пузырька воздуха к частице и вероятность ее всплытия.

Рисунок 7.1 – Влияние смачивания

Большинство минералов природных руд мало отличаются по смачиваемости друг от друга. Для их разделения необходимо создать условия неодинаковой смачиваемости водой отдельных компонентов породы, для чего применяют разнообразные химические соединения – флотационные реагенты. Они избирательно усиливают или ослабляют смачиваемость водой, а также прилипаемость к пузырькам воздуха взвешенных минеральных частиц. Внесенные в пульпу фотореагенты, называемые собирательными (коллекторами), адсорбируются поверхностью определенного минерала (минералов), образуя гидрофобный адсорбционный слой. Гидрофобизированные частицы прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются на поверхности пульпы в пену, находящуюся на поверхности пульпы, и удаляются вместе с ней. Собирателями служат поверхностно-актитвные вещества (ПАВ). Частицы, которые не адсорбируют коллекторы, в частности пустая порода, остаются в пульпе, образуя так называемый камерный продукт.

Минерализированная пена (пенный продукт), которая и дает флотационный концентрат, должна быть устойчивой, плотной и подвижной. Такая пена создается внесением в суспензию пенообразователей, поверхностно-активных веществ, образующих адсорбционные пленки на поверхности пузырьков воздуха. К наиболее эффективным пенообразователям относятся сосновое масло, вспениватели ОПСБ, Т-80 и др. Расход вспенивателей составляет от 25 до 100 г/т.

Для изменения флотируемости минералов путем регулирования действия на их поверхность собирателей применяется группа реагентов, объединяемых под общим названием – модификаторы; к ним относятся депрессоры, активаторы среды. К депрессорам, которые повышают смачиваемость твердых частиц, относятся известь, сульфит натрия и др. Активаторы применяют для активации поверхности; это медный купорос, серная кислота, сульфид натрия и др. К регуляторам среды относят известь, соду, серную кислоту.

В результате подъема пузырьков на поверхность жидкости образуется слой так называемой минерализованной пены, наполненной частицами гидрофобного минерала. Частицы на других, долее смачиваемых минералах, остаются в объеме пульпы во взвешенном состоянии и постепенно опускаются вниз.

Однако динамическая пена, создаваемая только за счет гидродинамических условий (барботажа), легко разрушается, пузырьки ее быстро сливаются. Кроме того, природные материалы редко обладают природной флотируемостью, т.е., как правило, мало отличаются по смачиваемости.

Поэтому для создания благоприятных условий флотации в пульпу вводят несколько различных флотационных реагентов. Для увеличения стойкости воздушных пузырьков и образования из них стабильной пены на поверхности пульпы в нее вносят пенообразователи, т.е. поверхностно-активные вещества, образующие адсорбционные пленки на поверхности пузырьков.

Для повышения гидрофобности частиц отдельных минералов в пульпу вводят коллекторы (собиратели), т.е. вещества, которые адсорбируются на одних минералах и не адсорбируются на других. В результате гидрофобные частицы собираются на поверхности пузырьков и всплывают.

Применение флотореагентов-коллекторов позволяет осуществлять флотацию сложного минерального сырья селективно, т.е. последовательно выделять всплывающие фракции концентратов. Для увеличения гидрофильности других минералов, входящих в состав разделяемой породы, к пульпе добавляют подавители, которые подавляют возможность всплытия.

При повторной флотации, проводимой для разделения тех минералов, которые потонули при первой, применяются активаторы – вещества, разрушающие действие подавителей.

В большинстве случаев добавляют еще регуляторы, которые способствуют воздействию других флотационных реагентов.

В зависимости от формы компонентов различают коллективную и селективную флотацию.

Коллективной флотацией называется процесс, при котором получают концентрат, содержащий все полезные компоненты, пустую породу. Коллективный концентрат затем может быть разделен на отдельные составляющие. Это разделение можно осуществлять с помощью избирательной или селективной флотации. При избирательной флотации кроме собирателей и пенообразователей в процесс вводят депрессоры, способные усиливать гидрофильность определенных минералов, препятствуя их всплытию.

Последующим внесением активаторов снимают действие депрессантов и способствуют всплытию минералов, которые в предыдущей стадии флотации погружались в жидкость. Эффективность флотации повышается добавкой регуляторов, изменяющих водородный показатель рН среды и усиливающих воздействие флотореагентов.

Процесс флотации осуществляется во флотационных машинах, где пульпа перемешивается и насыщается воздухом, который диспергируется на мелкие пузырьки.