2.2. Флотационный метод обогащения

Флотацию применяют для обогащения большинства руд цветных металлов, апатитовых, фосфоритовых, графитовых, флюоритовых и других руд, широко используют в сочетании с другими методами при обогащении руд черных металлов, угля. Широкая распространенность флотации объясняется универсальностью процесса, связанной с возможностью разделения практически любых минералов, обогащения бедных руд с весьма тонкой вкрапленностью полезных минералов. Основные недостатки флотационного метода в экологической вредности процесса и относительно высокой его стоимости.

Флотация основана на различном закреплении частиц разделяемых минералов на межфазной границе, что определяется различием в смачивемости. При пенной флотации, наиболее применяемой в промышленности, пульпу насыщают газом, и частицы некоторых (несмачивемых) минералов прилипают к пузырькам газа и всплывают на поверхность, образуя минерализованную пену, которая легко удаляется механическим путем. Другие минералы (смачиваемые) не прилипают и остаются в объеме пульпы.

По способу насыщения пульпы газом различают несколько видов пенной флотации, однако наибольшее распространение получило насыщение пульпы воздухом.

Способность частицы минерала прикрепляться к пузырьку воздуха хорошо объясняется с позиции смачивания. Минералы, поверхность которых легко смачивается водой, называются гидрофильными (кальцит, кварц), а минералы, плохо смачиваемые водой,  гидрофобными (сера, графит, тальк, молибденит). Гидрофобность поверхности минералов оценивается различными методами. Наиболее распространенным методом оценки является определение краевого угла смачивания (), измеряемого от 0 до 180. Краевым углом смачивания называется угол между касательной к поверхности воздушного пузырька (или к поверхности капли воды в любой точке трехфазного периметра смачивания) и поверхностью минерала (рис. 2.11). Его принято отсчитывать в сторону жидкой фазы. Капля жидкости, нанесенная на поверхность твердого (минерала), будет растекаться до тех пор, пока не наступит равновесие между силами поверхностного натяжения, действующих по периметру смачивания, на границе твердое  газ _т-г, жидкость  газ _ж-г и твердое  жидкость _т-ж:

_т-г=_т-ж+_ж-гcos

Исходя из этого равенства, легко найти косинус краевого угла смачивания:

.

При полной гидрофильности, когда капля полностью растекается по поверхности твердого, краевой угол стремится к нулю, а косинус  к единице. При полной гидрофобности краевой угол стремится к 180, а косинус к – минус единице.

Чем хуже смачивается минерал, тем лучше он прикрепляется к пузырьку воздуха, легче флотируется. Почти все природные минералы хорошо смачиваются водой (краевой угол смачивания у них меньше 50). Исключением являются некоторые естественно-гидрофобные минералы (сера, графит, уголь, тальк и молибденит), у которых краевой угол составляет около 90.

Для регулирования смачиваемости разделяемых минералов (соответственно результатов флотации) применяют различные флотореагенты. Их подразделяют на собиратели, вспениватели, депрессоры, активаторы и регуляторы среды.

Задача собирателей  повысить гидрофобность извлекаемого минерала. Собиратели  это органические вещества, содержащие в своей молекуле углеводородную цепочку. В зависимости от строения молекулы собиратели бывают аполярными и гетерополярными.

Молекулы аполярных собирателей (керосин, смазочные масла) содержат только углеводородную цепочку. Их широко применяют при флотации естественно-гидрофобных минералов (уголь, сера и др.)

Молекулы гетерополярных собирателей имеют сложную асимметричную структуру, состоящую из двух частей, отличных по своим физико-химическим свойствам: углеводородной цепочки и активной группы (COOH, SH и др.). Такие молекулы в воде диссоциируют, и если углеводородная цепочка остается в анионе, то реагент называется анионоактивным, а если в катионе – катионоактивными. Если анионоактивные собиратели имеют в составе активной групе серу, то они называются сульфгидрильными, а если кислород – оксигидрильными. Наиболее распространенным анионоактивным собирателем являются ксантогенаты (жирные соли дитиоугольной кислоты) и жирные кислоты (например, олеиновая) или их соли (например, олеат натрия). Ксантогенаты являются основным собирателем при флотации сульфидных руд цветных металлов, а жирнокислотные при флотации кальцийсодержащих минералов.

Из катионоактивных собирателей наибольшее практическое значение получили первичные алифатические амины RNH₂ и четвертичные аммониевые основания, например лауриламин солянокислый (C₁₂H₂₅NH₃Cl), который широко применяют при флотации солей и полевого шпата.

Назначение вспенивателей  способствовать созданию устойчивой минерализованной пены. В качестве вспенивателей используют органические соединения, в основном, из класса спиртов. Одним из распространенных вспенивателей является сосновое масло, которое применяют на многих обогатительных фабриках.

Назначение депрессоров  повысить гидрофильность неизвлекаемого минерала. В качестве депрессоров применяют различные минеральные соли, кислоты и основания. Например, цианистые соли (NaCN) используют для подавления флотации медных минералов.

Задача активаторов  усилить действие собирателя на извлекаемый минерал. В качестве активаторов применяют различные минеральные соли, кислоты и основания. Например, сульфид натрия (Na₂S) широко используется для улучшения флотации окисленных минералов.

Назначение регуляторов среды  поддерживать рН пульпы в требуемых пределах. Если необходимо сдвигать рН в кислую область ( 7), то чаще используют серную кислоту; если в щелочную ( 7), то щелочи (CaO, Na₂CO₃, NaOH).

Подбирая соответствующие реагенты, их комбинацию и количества, добиваются оптимальных показателей флотационного обогащения.

Флотационными машинами называют аппараты, в которых осуществляют флотацию. Широкое применение флотации для обогащения самых разнообразных полезных ископаемых привело к созданию большого числа типов и конструкций флотационных машин.

Классификацию флотационных машин чаще всего производят в зависимости от способа аэрации и перемешивания пульпы. По этому признаку машины разделяют на механические, пневматические и пневмомеханические.

Механическая флотационная машина (рис. 2.13, а) состоит из последовательного ряда камер 1. В центральной части каждой камеры внутри трубы 4 размещен вращающийся вал 2 с импеллером 3. При вращении импеллера проходящая через него пульпа эжектирует (засасывает) атмосферный воздух и выбрасывает его в камеру, заполненную пульпой. Образование воздушных пузырьков и аэрация пульпы происходят в результате турбулизации пульповоздушной смеси, поступающей из импеллера в камеру.

Пенный продукт (обычно концентрат) с помощью гребкового устройства 5 направляется на обезвоживание (или перечистку). Камерный продукт самотеком поступает в следующую камеру или выдается в качестве хвостов (из последней камеры машины).

В пневмомеханической флотационной машине (рис. 2.13, б) перемешивание осуществляется установленной на валу 1 мешалкой 2, аэрация осуществляется путем подачи сжатого воздуха от воздуходувки. Воздух обычно подается через полый вал мешалки.

Флотационные машина обычно состоят из нескольких камер кубической формы. Пульпа последовательно перетекает из камеры в камеру и из нее удаляется пенный продукт. Камерный продукт разгружается через специальной отверстие в последней камере машины. В последнее время все чаще применяют большеобъемные (до 200 м³) флотационные машины с цилиндрическими камерами. Такие машины состоят не более чем из трех камер. Применение большеобъемных машин позволяет снизить затраты на флотацию.

Пневматическая (аэролифтная) флотомашина конструктивно является наиболее простой (рис. 2.14). Она представляет собой емкость, вытянутую вверх, прямоугольного или круглого сечения, с коническим днищем, внутри которой расположена аэролифтная труба. В трубу под давлением подается сжатый воздух, который интенсивно перемешивает пульпу и насыщает ее пузырьками. Образующаяся на поверхности пена самотеком разгружается в желоба.

Особым видом пневматической машины является колонная флотационная машина. Эти машины предназначены для обогащения руд методом пенной флотации и рекомендуется для применения преимущественно в операциях перечистки черновых концентратов флотации. Колонная машина представляет собой камеру прямоугольного или круглого сечения (рис. 2.15). В верхней части камеры устанавливается брызгало, в нижней - шланговый затвор для полного выпуска материала из камеры. Кроме того в нижней части колонны помещен аэратор, в который подается сжатый воздух. Колонны выпускаются высотой до 15 метров и диаметром до 1,5 м. По сравнению с импеллерными флотомашинами применение колонных обеспечивает повышение содержания полезного компонента в концентрате на 1-2%, прирост извлечения на 0,5-2,5%, сокращение расходов на ремонт, электроэнергию на 40% и производственной площади - на 60%.

Обычные флотационные машины не могут обогащать крупные частицы (верхний предел крупности ограничен: для руд – 0,15 мм, для углей 0,5 – 1 мм), т.к. пузырьки воздуха просто не могут поднять крупные частицы на поверхность. Поэтому иногда используют машины пенной сепарации. В них пульпа поступает не внутрь машины, а подается сверху, через специальный питатель на слой пены (рис. 2.16) . Гидрофобные частицы задерживаются в этом слое (из-за контакта с пузырьками воздуха), а гидрофильные проходят сквозь слой пены и опускаются на дно (т.к. к пузырькам не прилипают). В таких машинах верхний предел крупности обогащаемого материала может быть поднят до 1 – 2 мм.

Для обработки пульпы реагентами применяются специальные аппараты – контактные чаны, которые представляют собой емкости круглого или прямоугольного сечения с механическим или воздушным перемешиванием. Реагентные питатели это специальные приборы, предназначенные для подачи реагента в требуемую точку схемы обогащения в строго определенном количестве. Исполнительный механизм таких приборов может быть механического, пневматического или электромагнитного принципа.

Схема флотации – определенная последовательность операций флотации возможно в сочетании с операциями измельчения и классификации. При выборе схемы флотации учитывают характер и размер вкрапленности полезных минералов, их содержание в руде и флотируемость, требования к качеству концентратов и ряд технико-экономических факторов. Начальная операция флотационного процесса в схеме при извлечении одного или нескольких металлов называется основной флотацией. В результате проведение основной флотации, как правило, не удается получить кондиционный концентрат и отвальные хвосты из-за близости флотационных свойств разделяемых минералов, недостаточного их раскрытия и т. д. Получаемые после основной флотации некондиционные (грубые) концентраты и «богатые» хвосты подвергают, иногда после их доизмельчения, повторной флотации. Флотация концентрата основной флотации называется перечистной флотацией, а флотация хвостов основной флотации  контрольной флотацией.

Число перечистных и контрольных флотации зависит от содержания флотируемых минеральных компонентов и требований, предъявляемых к концентрату и хвостам. Совокупность основной, контрольной и перечистных операций, при которых выделяется один или несколько готовых (не подвергаемых дальнейшей флотации) продуктов, образует цикл флотации.

Флотация бывает прямой и обратной. Если полезный минерал переходит в пенный продукт, то флотация называется прямой; если он остается в камерном продукте, то обратной. В практике обогащения применяют, в основном, прямую флотацию.

Флотация является основным процессом обогащения сульфидных руд всех цветных металлов.