книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты
.pdfСмачиваемость поверхности твердого при соприкоснове нии трех фаз (Т, Ж, Г) характеризуется величиной равновес ного краевого угла, под которым понимают угол, образован ный поверхностью раздела двух фаз с поверхностью третьей фазы. Его принято измерять через жидкую фазу и обозначать символом 0Р. Краевые углы смачивания тел различной степе ни гидрофобности водой при различных положениях сопри касающихся фаз приведены на рис. 10.1. Образующаяся линия трехфазного контакта называется периметром смачивания, осо бенностью которого является наличие трех сил, обусловлен ных свободной поверхностной энергией на границе раздела фаз. Векторы сил направлены перпендикулярно к линии кон такта трех фаз по касательной к поверхности раздела каждых двух фаз.
Рис. 10.1. Равновесные краевые углы смачивания (0Р) тел (Т) различной
степени гидроф обности водой (Ж ) и воздухом (Г)
Равновесный краевой угол 0Р является физико-химической константой для соприкасающихся фаз и не зависит от их раз мера и взаимного расположения, действия сил гравитации и прочих факторов, не оказывающих влияние на значение сво бодных поверхностных энергий на границах раздела фаз. Ве личина его определяется условием равновесия сил, действую щих на границе раздела трех фаз:
0р f (ü r —т, СТж—Ti Or—ж)*
Например, для острого краевого угла (рис. 10.1, а) в усло виях равновесия
Or—т — Ож—т + Or—ж COS 0р,
откуда
с о з е = СТг- т ~ 0ж- т . |
(юл) |
ра г-ж
Всвою очередь, для тупого краевого угла (рис. 10.1, б) в условиях равновесия
аж-т = ас-т + аг_ж cos(180 - 0Р) = аг_т - a r^ co s0 P
откуда
ЛЛРл _ СТг—т —СГж-т |
. |
|
cos и —--------------- |
СТг-ж |
|
Р |
|
|
Для обоих рассмотренных случаев зависимость
0 р — У^(сУ г_т, О ж —т , С Тж -г),
характеризующая смачиваемость твердой поверхности жид костью или газом, описывается одним и тем же выражением, которое в литературе называют законом Юнга, правилом Неймана, или вторым законом капиллярности.
Чем меньше смачиваемость минеральной поверхности во дой, тем больше степень ее гидрофобности и значение краево го угла 0р. В подавляющем большинстве случаев практика флотации имеет дело с минералами, значения краевых углов на поверхности которых меньше 90°
10.1.2. Условия закрепления частпиы на межФазовоп поверхности. Показатель Флотируемости
В соответствии со вторым законом термодинамики за крепление частицы на межфазовой поверхности и флотация возможны, если свободная энергия системы после закрепле ния частицы на пузырьке Ei будет меньше свободной энергии системы до закрепления частицы Е\. В этом случае система из состояния I (рис. 10.2) самопроизвольно перейдет в состояние И при условии, что на пути перехода нет энергетического барь ера, или если системе временно сообщена энергия (энергия активации), достаточная для его преодоления. Чем больше бу дет разница в величине свободной энергии в сравниваемых состояниях, тем более вероятен переход в состояние с мень шей энергией.
При принятых на рис. 10.2 обозначениях:
El — Ог_ж Sr_ж + Ож—т 5ж—т,
El — Or ж Sr-ж + Ож—т S:ж-т Or—т Sr—TI
а изменение поверхностной энергии системы при элементар ном акте флотации:
Е ! — El — Or ж (Sr ж — Sr—ж ) "Ь Ож—т (&с—т — ) — Or—т .SV-- т.
Из рис. 10.2 видно, что (&<_т - SÜ-T) = Sr—т,тогда как раз
ность (iSr_ж - SLж) нельзя принять равной Sr-т вследствие деформации особенно маленьких пузырьков при закреплении на них минеральных частиц. Поэтому
El —El — Or_ж(Sг_ж — Sr—ж) + (Ож—т —Or—т) Sr—т.
Учитывая, что в равновесных условиях по правилу Нейма на [выражение (10.1)]
Ож_т —Or—т — -O r—ж COS0p,
получим
El — El —Or—ж(5г—ж — Sr—ж) — Ог—ж COS0p Sr т. |
|
||||||
|
|
|
|
|
Ei - E i |
|
|
Разделив это выражение на &_т и обозначив — |
----- -- F |
||||||
найдем |
|
|
|
|
Sr—T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
Sr-r |
° r 4 |
S r- т |
—cos0pj. |
|
(10.2) |
|
|
|
|
|
||||
ГГГ- |
|
|
Величина |
F , Харак |
|||
/ |
Sг-ж теризующая изменение |
||||||
|
|
поверхностной |
энергии |
||||
Ч _ У |
|
Ч |
/Sry |
системы |
при |
закрепле |
|
* |
нии частицы на поверх |
||||||
|
|
|
Т |
ности раздела |
фаз, |
от |
|
|
|
|
^ $ж-т |
||||
|
|
|
несенное |
к |
единице |
||
|
|
|
|
площади |
контакта |
газ |
|
I состояние |
Л состояние |
— твердое, |
называется |
Рис. 10.2. Схемы состояния системы до и |
показателем |
флотируе- |
|
после закрепления частицы на пузырьке |
мости. |
|
|
306
Система перейдет из состояния I в состояние П (см. рис. 10.2) только при условии, что F> 0 (т. е. Е\ > Ег). Чем больше зна чение F, тем вероятнее закрепление частицы на поверхности раздела жидкость — газ и ее флотация.
При закреплении на пузырьках минеральных частиц, раз меры которых малы по сравнению с размерами пузырьков (что наблюдается при обычной пенной флотации), т. е. когда дефор
мация пузырьков мала и можно принять, что |
Sr—ж—Sr—ж |
* 1 , |
|
выражение (10.2) принимает вид |
Sr-T |
|
|
F = Or_ж(1 - COS0p), |
(10.3) |
из которого следует, что чем больше краевой угол, тем боль ше показатель флотируемости. При 0Р = 0 значение F также равно нулю.
10.1.3. Разновпаносга Флотаапонных процессов разаеленпя минералов
10.1.3.1. Разделение минералов на поверхности раздела жидкость — газ
Разделение минералов, происходящее на плоской поверх ности раздела вода — воздух, получило название пленочной фло тации. Исходная смесь флотирующихся и нефлотирующихся частиц при этом подается на водную поверхность сверху. Фло тирующиеся частицы удерживаются на поверхности и пере носятся потоком к месту разгрузки концентрата, а нефлотирующиеся — тонут и удаляются в виде хвостов. Принцип пле ночной флотации использован в настоящее время при флот о гравит ационном способе обогащения, широко применяемом в схемах доводки редкометалльных концентратов.
При пенной флотации флотирующиеся частицы закрепля ются на пузырьках, образуемых в пульпе, и выносятся ими на ее поверхность, образуя слой минерализованной пены. В зави симости от способа насыщения пульпы пузырьками газа пен ная флотация подразделяется на несколько разновидностей.
При обычной пенной флотации, используемой в настоящее время практически на всех флотационных фабриках, газом
является засасываемый или подаваемый под давлением воз дух, который диспергируется в пульпе на мелкие пузырьки раз личными устройствами.
При вакуум ной флотации аэрацию пульпы обеспечивают при выделении воздуха из раствора. Процесс используется для обогащения коксующихся углей и перспективен для фло тации тонких шламов других полезных ископаемых. Анало гичный процесс флотации можно получить, если сначала вода насыщается воздухом под повышенным давлением, а затем при атмосферном давлении происходит выделение пузырьков. Такая флотация с повышенным давлением (компрессионная фло тация) используется для очистки воды от тонких капелек неф ти, которые закрепляются на поверхности выделяющихся пу зырьков и всплывают вместе с ними на поверхности очистно го сооружения.
Принцип компрессионной флотации получил развитие и используется в настоящее время в процессе адгезионной сепа рации для извлечения гидрофобных частиц, осадков и веществ из шахтных, сточных или оборотных вод в результате адгезии их на поверхности выделяющихся из раствора пузырьков газа и отделения образующихся флотационных комплексов от объе ма жидкости или пульпы.
При химической (газовой) флотации пузырьки газа обра зуются при химическом взаимодействии, например, между за гружаемой в пульпу кислотой и карбонатами пустой породы. В этом случае флотирующиеся минералы закрепляются на вы деляющихся пузырьках углекислоты. Процесс в течение ряда лет применялся в Австралии для переработки отвалов — хво стов отсадки, содержащих сфалерит.
При электрофлотации используется межфазовая поверх ность образующихся при электролизе воды пузырьков водоро да или кислорода, крупность которых легко регулируется из менением силы тока. Процесс может быть использован для фло тации мелких или весьма мелких частиц, например алмаза, а также при осуществлении так называемой ионной флотации и ее разновидностей (пенного фракционирования, флотации гидро
фобных и гидрофобизированных осадков, флотоэкстракции), ког да поверхность раздела жидкость — газ используется для из влечения из растворов ионов и молекул органических соеди нений или продуктов их взаимодействия с ионами или молеку лами неорганических соединений.
При пенной сепарации исходная пульпа, предварительно об работанная реагентами, подается на пену или аэрированную жидкость. Флотирующиеся частицы удаляются с пеной, а нефлотирующиеся — проходят сквозь пену под действием силы тяжести и разгружаются в виде камерного продукта. Процесс пенной сепарации предложен в СССР (в 1961 г.) В.А. Малинов ским и используется в настоящее время для флотационного обогащения крупноизмельченных фосфоритовых, калийных, алмазсодержащих и других типов минерального сырья.
Флотационные явления на границе раздела жидкость — газ лежат в основе процесса гидрообеспыпивания. В этом случае через запыленный воздух движутся капельки воды. При стол кновении частичек пыли с каплями воды флотирующиеся ча стицы закрепляются на поверхности капель (т. е. на межфазо вой поверхности раздела жидкость — газ), а нефлотирующиеся частицы будут переходить внутрь капель (т. е. в жидкую фазу).
10.1.3.2. Разделение минералов на поверхности раздела жидкость — жидкость
На различной способности минералов закрепляться на поверхности раздела вода — масло основан процесс масляной флотации. Сталкиваясь с каплями диспергированного в пуль пе масла и закрепляясь на них, флотирующиеся частицы бу дут удерживаться на поверхности раздела масло — вода, а нефлотирующиеся частицы останутся в пульпе. Если плотность масла меньше единицы, то капельки вместе с закрепившимися частицами всплывают на поверхность пульпы, образуя слой минерализованного масла, который затем удаляется. Если бе рется масло высокой плотности и загружается в небольшом количестве, то образующиеся минерализованные гранулы опу скаются на дно, а нефлотирующиеся зерна выносятся наверх
восходящим потоком воды. Флотационный процесс в таком исполнении применяется, например, для обогащения коксую щихся углей и называется грануляционным.
Поверхность раздела жир — вода используется в промыш ленных условиях для улавливания алмазов в процессе обо гащ ения на ж ировы х поверхност ях. На поверхность, по кото рой течет содержащая алмазы пульпа, или на барабан нано сится слой вязкого жира, алмазы закрепляются на поверхно сти раздела жир — вода, а пустая порода сносится потоком пульпы.
В процессе флотации при авт оклавной плавке серных кон центратов используется способность частиц пустой породы закрепляться на поверхности капель воды, находящихся внут ри расплава серы, т. е. на поверхности раздела вода — расплав серы. Так как удельный вес нагруженных капелек воды мень ше удельного веса расплава серы, то они поднимаются на по верхность расплавленной серы, вынося с собой пустую поро ду, в результате чего достигается очистка серы от загрязняю щих ее минеральных примесей.
10.1.3.3. Флоташюнные процессы на поверхностях
разаела твердое — жидкость п твердое — газ
Флотация на поверхности раздела твердое — жидкость ре ализуется в так называемой флотации с носителем, когда для повышения извлечения тонких гидрофобных частиц в пульпу добавляют хорошо извлекаемые крупные частицы, на поверх ности которых они закрепляются и с которыми флотируются в пену. В качестве флотационного процесса на поверхности раздела твердое — вода можно рассматривать также коагуля цию (слипание) минеральных частиц в пульпе, широко ис пользуемую в технике для осветления шламовых вод. Роль твердой фазы в данном случае играют слипшиеся минераль ные частицы. Аналогично явление слипания твердых частиц в аэрозолях и дымах можно рассматривать как процесс их за крепления на поверхности раздела газ — твердое. Роль твер дой фазы здесь играют взвешенные частички пыли, а газооб разной — воздух или дымовой газ.
зю
10.2. Флотаипонные реагенты it пх аелствпе при флотаипп
10.2.1. Назначение н класспФпкаипя Флотаипонных
реагентов
Назначением флотационных реагентов является направ ленное изменение поверхностной энергии на границе раздела этих фаз с целью изменения показателя флотируемости разде ляемых минералов, числа и размера пузырьков воздуха, проч ности пены. Прогресс в области флотационного обогащения в значительной мере определяется совершенствованием реагент ного режима, улучшением способов использования флотаци онных реагентов, разработкой и внедрением новых эффектив ных реагентов и их сочетаний.
Флотационные реагенты могут быть органическими или неорганическими соединениями, а также их растворами или смесями. Современная классификация предусматривает раз деление флотационных реагентов в зависимости от их роли при флотации на следующие группы:
•пенообразователи, представляющие собой различные гетерополярные органические соединения, которые за счет их ад сорбции на поверхности раздела жидкость — газ облегчают дис пергирование воздуха на мелкие пузырьки, препятствуют их слиянию и повышают прочность пены;
•собиратели, представляющие собой органические веще ства, способные закрепиться на поверхности извлекаемых ми нералов и резко увеличить их флотируемость;
•депрессоры, или подавители, к которым относят реаген ты, понижающие флотируемость тех минералов, извлечение которых в пенный продукт нежелательно в данной операции;
•активаторы, к которым относят реагенты, способст вующие закреплению собирателя на поверхности, гидрофобизации ее и флотации извлекаемого минерала;
•регуляторы среды, к которым относят реагенты, влия ющие на процессы взаимодействия собирателей, депрессоров
иактиваторов с минералами. Основное назначение их сосго-
зп
ит в регулировании ионного состава пульпы, процессов дис пергирования и коагуляции тонких шламов.
Депрессоры, активаторы и регуляторы среды часто отно сят к одной группе и называют модификаторами, поскольку один и тот же реагент может выполнять различную роль при флотации.
Ко всем флотационным реагентам предъявляются следую щие требования: селективность действия, стандартность каче ства, дешевизна и недефицитность, удобство в применении (ус тойчивость при хранении, легкая растворимость в воде, отсут ствие неприятного запаха и т. д.).
Направленное изменение поверхностной энергии раздела фаз под действием флотационных реагентов достигается в результате их химических взаимодействий в объеме жидкой фазы и адсорбции на поверхности, возможность протекания которых зависит от природы и состояния межфазной поверх ности и реагентов в пульпе.
10.2.2. Собиратели
10.2.2.1. Строение молекул и классификация собирателей
В качестве собирателей предложено большое количество органических соединений. Классификация основных групп собирателей, наиболее широко используемых при флотации различных типов минерального сырья, приведена на рис. Ю.З.
Поскольку собиратели применяются для гидрофобизации поверхности минералов, то в состав их молекул в обязатель ном порядке входят аполярные группы атомов. Если молеку лы собирателя состоят только из углеводородов, то такие со биратели называются аполярными, неполярными, или «углево дородными маслами».
Гораздо чаще при флотации используют гетерополнрные собиратели, молекулы которых кроме углеводородного ради кала алифатического или реже циклического ряда, т. е. аполярной (или неполярной) части, имеют и полярную группу. Полярная группа собирателя определяет его химические свой ства и способность закрепляться на полярных минералах, по этому она называется еще солидофилъной или функциональной
группой.
Прочность закрепления гетерополярного собирателя на по верхности определяется энергией связи функциональной груп пы с минералом, зависящей от ее характера и природы мине рала, а также энергией дисперсионного взаимодействия угле водородных радикалов в адсорбционном слое, возрастающей с увеличением длины углеводородного радикала. Поэтому эф фективность действия собирателя может быть преобразована путем изменения или характера функциональной группы, или углеводородного радикала.
Собиратели с неопределенным химическим составом (смо лы, сульфированный и окисленный керосин и др.) представ ляют собой смесь аполярных и гетерополярных органических соединений.
В зависимости от характера полярной группы гетерополярные собиратели могут быть ионогенными, т. е. обладать спо собностью к диссоциации, или неионогенными, т. е. не обла дать такой способностью.
Рис. 10.3. Классификация основны х групп собирателей