Флотация-это способ разделения минералов, основанный на различии их смачиваемости. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым частицам и поднимают их к поверхности.

Флотация применяется для следующих классов крупности: - при обогащении углей – 0-0,5(1) мм. - при обогащении руд - 0-0,2 мм.

Область применения флотации:

1. Обогащение тонковкрапленных руд;

2. разделение близких по свойствам полезных ископаемых;

3. обогащение шламов образующихся при добыче и переработке полезных ископаемых;

4. в качестве специальных процессов: очистка сточных вод от солей тяжёлых металлов, нефтепродуктов, жиров, бактерий; флотация ионов и молекул; разделение семян в сельском хозяйстве.

Фаза - часть гетерогенной системы, отделенная от других частей видимой границей, обладающая одинаковыми химическими и термодинамическими (изменяются при температуре и давлении) свойствами.

Р ис.1- Положение частиц (I-V) относительно между фазовой поверхности а-а.

I – все грани частицы контактируют с маслом;

II – одна нижняя грань контактирует с водой, остальные с маслом;

III – одна верхняя грань контактирует с маслом, остальные с водой;

IV – все грани частицы контактируют с водой (не флотируемая частица);

V – частицы не находится в равновесии, бултыхается.

Главные особенности флотационного процесса:

1. Для флотации нет ограничений в отношении возможностей ее применения для разделения минералов.

Если различие поверхностной энергии минералов не велико и не достаточно для хорошего разделения, то его можно увеличить нанесением на поверхность минерала тончайших покрытий реагентов. В отношении других процессов ее различие нельзя увеличить простыми, дешевыми средствами. Благодаря этому процесс флотации универсальный.

2. Флотационный процесс применим только для разделения любых минералов мелких частиц, для которых потенциальная энергия имеет малые значения по сравнению с поверхностной. При обычной пенной флотации минералы с плотностью более 5 г/см³ практически не флотируются при крупности зерен 0,2 – 0,3 мм. Минералы с малой поверхностью (каменный уголь, самородная сера) при пенной флотации могут флотироваться при крупности до 0,6 мм. В специальных флотационных процессах крупность флотируемого материала может быть значительно повышена.

Виды флотационных процессов:

1) Пленочная флотация. Разделение минералов происходит на плоской поверхности раздела фаз вода-воздух. Если на поверхность воды, перемещающейся в верхнем слое, осторожно загружать смесь флотирующихся и не флотирующихся частиц, то первые будут находиться на поверхности, затем перемещаться к месту разгрузки, вторые будут тонуть, затем удаляться через отверстия на дне сосуда. Недостатка: малая производительность,

2) Масленая. Если в пульпу, содержащую тонкоизмельчённую руду, добавить значительное количество масла, удельный вес которого меньше 1, то при перемешивании масло будет всплывать вместе с частицами, которые при столкновении с маслом будут удерживаться на поверхности фаз масло-вода. Не флотируемые частицы будут тонуть. Недостатки: большой расход масла,

3) Пенная. При которой через смесь частиц с водой пропускают мелкие пузырьки воздуха, частицы определённых минералов собираются на поверхности раздела фаз «воздух-жидкость», прилипают к пузырькам воздуха и выносятся с ними на поверхность в составе пены, которую в дальнейшем сгущают и фильтруют. В качестве жидкости чаще всего используется вода, реже насыщенные растворы солей или обогащение серы. Этот метод применяется наиболее широко.\

(воздух попадает в пульпу за счёт работы импеллера; с помощью компрессора; комбинированным способом)

Элементарный акт флотации.

Это основная и определяющая стадия процесса, под ним подразумевается закрепление единичного зерна на поверхности раздела фаз. К наиболее важным в практическом отношении фазам относятся вода (жидкость), минерал (твердое) и воздух (газ).

Поверхность раздела двух фаз обладает свободной энергией. Величина этой энергии зависит от площади межфазовой поверхности и величины удельной поверхностной энергии, которая является константой, определяемой свойствами соприкасающихся фаз. Поверхностная энергия возникает, когда силы, действующие на молекулы поверхностного слоя со стороны молекул первой фазы, не равны силам, действующим со стороны молекул второй фазы.

Равнодействующие сил на поверхностную молекулу со стороны воды R1, со стороны воздуха R2, суммарная равнодействующая RC = R1+R2 (RC> 0).

Свойства поверхности раздела вода – воздух определяются главным образом значением ее удельной свободной поверхностной энергии и структурой поверхностного слоя молекул воды на границе раздела газ – жидкость, которые, в свою очередь, зависят от наличия и концентрации растворенных солей, аполярных или гетерогенных органических соединений в воде.

Свойства поверхности раздела твердое – жидкость зависят от кристаллохимического строения минерала, определяющего характер, число и расположение образующихся при измельчении связей. Чем больше связей разрушено и чем сильнее, тем больше полярность и заряд поверхности.

Гипотеза избирательной адсорбции кислорода воздуха

В начальный период развития пенного флотационного процесса флотировали только сульфидные минералы. Закрепление сульфидов на пузырьках воздуха объясняли сродством серы к кислороду. Предполагалось, что растворенный в воде кислород воздуха адсорбируется на поверхности сульфидов, образуя газовую пленку, и частица оказывается закрепленной на пузырьке. Позднее эта гипотеза была опровергнута, так как оказалось, что сульфиды могут флотироваться инертными газами, а минералы, не содержащие серы, также могут закрепляться на пузырьках воздуха. Тем не менее кислород воздуха имеет очень важное значение для флотации сульфидов, но основная его роль заключается в окислении поверхностного слоя сульфидов.

Гипотеза электростатическая

В этом случае закрепление объясняли тем, что пузырек и флотирующая частица имеют электрические заряды разного знака. При экспериментальной проверке оказалось, что частицы графита и пустой породы имели заряды одного знака, однако флотировался только графит. Позднее несостоятельность этой гипотезы была доказана и теоретически. Заряд поверхности частиц играет важную роль при флотации, но не ту, которую приписывали ему сторонники этой гипотезы.

Гипотеза смачивания, или гипотеза краевого угла.

Способность минералов закрепляться на поверхности раздела газ – жидкость зависит от смачиваемости их жидкостью. Чем сильнее минералы смачиваются водой, тем хуже они флотируются, и наоборот. Так как смачиваемость характеризуется величиной краевого угла, то эту гипотезу называют также гипотезой краевого угла. Гипотеза смачивания включает в себя две трактовки элементарного акта флотации. Первая исходит из представления о силах поверхностного натяжения и рассматривает силы, действующие на частицу. Такую трактовку называют еще "силовой". Вторая трактовка основывается только на представлении о существовании поверхностных энергий на границах фаз. Возможность закрепления частицы при этом оценивается на основе второго закона термодинамики, т.е. как показано выше, по величине свободной энергии системы до и после закрепления частицы. Вторая трактовка является наиболее правильной (строгой) и называется термодинамической. Выводы и формулы обеих трактовок идентичны.

Адсорбционная гипотеза К.Ф. Белоглазова.

Гетерополярные молекулы коллектора закрепляются на поверхности флотируемых частиц, причем углеводородные концы молекул обращены в водную фазу. Такое ориентированное закрепление происходит вследствие возникновения сильных связей между полярной частью молекулы коллектора и полярным минералом.

Закрепление покрытых коллектором частиц на поверхности пузырька объясняется уменьшением поверхностной энергии, так как в этом случае поверхность раздела воздух – вода, обладающая большой удельной поверхностной энергией, как бы заменяется поверхностью раздела воздух – углеводород с низкой поверхностной энергией. Зкрепление частицы на междуфазовой поверхности по гипотезе Белоглазова в энергетическом отношении эквивалентно адсорбции того числа молекул гетерополярного вещества, которое находится на грани минерала, контактирующей с газообразной фазой. Поэтому элементарный акт флотации рассматривается как адсорбция гетерополярных молекул и на него распространяются закономерности, установленные для процесса адсорбции. Вследствие этого, гипотеза Белоглазова может быть названа адсорбционной. Основные исходные ее предпосылки, как признавал и сам автор, не вполне точны. Адсорбционную гипотезу можно рассматривать как частный случай гипотезы смачивания.

Краевой угол – это угол, образованный поверхностью раздела двух фаз с поверхностью третьей фазы.

Максимальный размер частицы, флотирующейся на поверхности пузырьков при пенной флотации.

Для осуществления пенной флотации необходимо турбулентное движение пульпы, так как при ламинарном ее движении частицы минералов осаждаются на дно машины. При турбулентном движении пульп вместе с увлеченными частицами и пузырьками перемещается по криволинейной траектории. Это вызывает центробежные силы, под влиянием которых пузырьки воздуха имеющие малую плотность начинают двигаться от периферии к центру машины и одновременно всплывают. Частицы минералов имеющие большую плотность чем пульпа, двигаются в пульпе от центра вихря к периферии и одновременно тонут под действием силы тяжести. Таким образом скорости пузырька и частицы до закрепления на пузырьке складываются из скорости переносного движения пульпы и скорости относительного движения в пульпе.

Флотационные реагенты.

Назначение флотационных реагентов является изменение показателей флотируемости минералов, числа и размера пузырьков воздуха и прочности пены.

В зависимости от места действия, флотационные реагенты делятся:

1. реагенты, непосредственно взаимодействующие или регулирующие взаимодействие других реагентов с поверхностью минерала;

2. реагенты, действующие на поверхности раздела фаз газ-жидкость.

Первые делятся на 4 группы:

1) Коллекторы (собиратели). Органические вещества, способные закрепляться на поверхности отдельных минералов и увеличивать их флотируемость (природные жиры, содержащие олеиновые и другие кислоты);

2) Депрессоры (подавители). Реагенты, понижающие флотируемость тех минералов, извлечение которых в пенный продукт нежелательно. Главный механизм действия таких реагентов в том, что они препятствуют закреплению коллектора на поверхности минералов (соли, щелочи, кислоты, известь);

3) Активаторы. Некоторые минералы флотируются только после того, как на их поверхности образовалась активная пленка. Эту пленку образуют реагенты активаторы. Они также способны нейтрализовать действие депрессоров (распространенными являются медный купорос, серная кислота и сернистый натрий);

4) Для улучшения факторов, способствующих флотации, применяются реагенты – регуляторы процесса. Реагенты, влияющие на взаимодействие коллекторов, депрессоров и активаторов с минералами. Основное назначение - регулирование ионного состояния пульпы и процесса коагуляции и диспергирования тонких шламов.

2-4 являются модификаторами.

Вторые являются вспенивателями (пенообразователями). Добавляются для получения устойчивых пузырьков воздуха, как правило, пропускаются через воду (спирты, фенол, крезол и другие).

Требования к флотационным реагентам:

1) Селективность (выборочность) действия;

2) Стандартность качества;

3) Дешевизна и не дефицитность;

) Удобство в применении.

ТЕХНОЛОГИЯ ФЛОТАЦИИ

1. Влияние крупности частиц на флотацию.

2. Особенности флотации крупных частиц. Уравнение Матвеенко

3. Влияние шламов на флотацию

Показатели флотации в рудной практике оценивают по извлечению ценного компонента в концентрат:

ε_к = β_к γ_к / γ_пит α .

Здесь ε_к – извлечение в концентрат, β_к – содержание полезного компонента в концентрате, γ_к – выход концентрата, γ_пит – выход исходной руды, α – содержание полезного компонента в руде.

Конечные показатели флотационного разделения зависят от ряда факторов: крупность измельчения руды перед флотацией, содержание твердого в пульпе при флотации, реагентный режим и порядок подачи реагентов, интенсивность аэрации и перемешивания пульпы, скорость съема пены, продолжительность флотации, температура пульпы, схема флотации, расход пульпы, поступающей на флотацию.

Измельчение руды должно обеспечивать: 1) достаточное количество мелких зерен, которые могут надежно закрепиться на пузырьках; 2) достаточное раскрытие полезных минералов т.е. освобождение их от сростков с пустой породой и друг с другом (в случае флотации полиметаллических руд).

Максимальная крупность флотируемых частиц зависит от гидрофобности минерала, его плотности и формы частиц. Зерна с округлой формой флотируются хуже, чем зерна с плоскими гранями или зерна чешуйчатой формы. Минералы, обладающие высокой естественной гидрофобностью и малой плотностью, могут флотироваться при большей крупности зерен, например уголь.

При флотации тонковкрапленных руд конечная крупность измельчения определяется размером вкраплений ценных минералов.

З ерна разной крупности флотируют с разной скоростью. С уменьшением крупности скорость флотации увеличивается до определенного предела, а затем снижается (рис. 20.1). Оптимальная крупность зависит от свойств минерала и условий флотации.

Для крупных зерен, имеющих большой вес, значительны и силы, отрывающие частицу от пузырька. Отрыв частиц происходит под действием сил инерции. Пузырек с частицами двигается в камере машины по неправильным траекториям, сталкиваясь с деталями машины и другими пузырьками. При этом скорость и направление движения резко изменяются, увеличиваются силы отрыва.

Для флотации крупных частиц необходимо: 1. повышать гидрофобность поверхности, увеличивая расход собирателя или применяя более сильные реагенты или их смеси, аполярные реагенты; 2. применять пептизаторы; 3. наличие прочного пенного слоя и осторожного его удаления из камеры; 4. увеличивать аэрацию пульпы при ее осторожном перемешивании – создавать условия для аэрофлокулярной флотации .

При этом на крупную частицу налипают мелкие пузырьки воздуха, а к ним через тонкие флотирующие частицы прикрепляются другие пузырьки. Кроме того крупные частицы могут всплывать в пену с помощью нескольких пузырьков.

В соответствии с уравнением Фрумкина-Кабанова в расчетах принимается, что на частицу действует отрывающая сила, пропорциональная весу частицы в статических условиях:

π a σ_ж-г Sin Θ = ρgV + ((2σ_ж-г / R) – ρgh) ( πa² /4 ).

Применительно к реальным условиям флотации Н.В. Матвеенко уравнение Фрумкина-Кабанова преобразовано с учетом возникновения сил инерции. Кроме того, в уравнении Матвеенко суммарная сила отрыва отнесена к единице длины трехфазного периметра смачивания πa и получено:

σ_ж-г Sin Θ = С К (Δ – ρ) d²_кр / π χ + 0.25 d_кр χ ((2σ_ж-г/R) – ρgh ) .

Здесь С – ускорение отрыва частицы от пузырька; К – коэффициент пропорциональности между кубом диаметра частицы и ее объемом; Δ – плотность частицы; ρ – плотность жидкости; d_кр – диаметр частицы критической для флотации крупности; χ = а/d – отношение диаметров площади контакта и частицы; R, h – радиус и высота воздушного пузырька.

Из уравнения следует, что максимальное ускорение движения частиц в камере машины снижает верхний предел крупности флотируемых зерен на порядок сильнее, чем действие силы тяжести. Определяющим является не столько гидрофобность частиц, сколько их масса и интенсивность перемешивания. Для флотации крупных частиц применяют пенную сепарацию или флотацию в машинах с кипящим слоем.

Самые тонкие зерна 5-10 мкм флотируют очень медленно, что объясняется следующими причинами: 1.Для тонких зерен мала вероятность их встречи с пузырьком. При обтекании пузырька потоками пульпы очень мелкие частицы сносятся потоком и не могут встретиться с пузырьком. 2. Кинетическая энергия тонких частиц недостаточна для преодоления энергетического барьера. 3. Тонкие частицы обладают большой удельной поверхностью. Поэтому для их извлечения требуется большая поверхность раздела жидкость-газ. 4. Тонкие частицы имеют склонность к неселективному агрегированию, что равносильно образованию сростков. 5. Тонкие частицы обычно сильнее окислены, что ухудшает их флотируемость.

Н аличие большого количества тонких частиц (3-10 мкм) в пульпе затрудняет флотацию более крупных зерен. Шламы пустой породы могут налипать на поверхность флотируемого минерала, снижая его гидрофобность (рис. 20.3). Тонкие частицы самого минерала, находящиеся на поверхности крупных зерен, препятствуют их прилипанию к пузырькам, а также и снижают свободную поверхность пузырька.

Кроме того, тонкие шламы обладают большой поверхностью и забирают на себя значительную часть реагента-собирателя. Поэтому питание флотации должно иметь равномерный состав по крупности. Крупные зерна удаляются в операциях поверочной классификации, а для уменьшения ошламования применяют стадиальные схемы обогащения - операции флотации чередуются с операциями измельчения.

Для снижения вредного влияния шламов применяют: 1. стадиальные схемы флотации; 2. реагенты-пептизаторы или флокулянты; 3. ведут флотацию в разбавленных пульпах, где агрегирование шламистых частиц меньше; 4. раздельную обработку песковой и шламистой частей твердой фазы пульпы. 5. обесшламливание пульпы перед флотацией.

Плотность пульпы сильно влияет на показатели обогащения. Плотность пульпы характеризуют разбавлением (разжиженностью) или содержанием твердого. Разжиженность R = Ж : Т - это отношение веса воды к весу твердого в пульпе. Содержание твердого С определяется как отношение веса твердого к весу пульпы, выраженное в %.

Плотность пульпы влияет и на технико-экономические показатели работы флотационного отделения: расход реагентов, производительность флотомашин, удельный расход электроэнергии, воды и др. При плотных пульпах расход реагентов ниже, выше производительность машин по твердому, но хуже показатели обогащения. Поэтому подбирают оптимальное разбавление пульпы, которое зависит от свойств руды (крупность и плотность минерала), назначения операции флотации, качества концентрата. Разжиженность колеблется от 1.8 до 6, а содержание твердого – от 14 до 35%.

1. Влияние других факторов на флотацию

1.1 Реагентный режим

1.2. Аэрация пульпы

1.3. Интенсивность съема пены и др.

2. Вторичное обогащение концентратов в пене

3. Кинетика и скорость флотации. Коэффициент селективности.

Реагентный режим предполагает номенклатуру реагентов, их расход, точки подачи и распределение каждого реагента по этим точкам, продолжительность контакта с пульпой. Реагентный режим определяется экспериментально при исследовании руды на обогатимость. Обычно реагенты подаются в следующем порядке: 1) регуляторы среды – чаще в операцию измельчения; 2) депрессоры – загружаются вместе с регуляторами или чуть позже; 3) собиратели; 4) вспениватели. Подача собирателя может быть единовременной или дробной. При дробной подаче процесс флотации несколько затягивается, но качество концентрата выше.

Для образования воздушных пузырьков необходима аэрация пульпы. Аэрация определяется как количество воздуха, проходящего в единицу времени через единицу площади горизонтального сечения камеры или через единицу объема пульпы. При аэрации часть воздуха растворяется в воде, а затем выделяется в виде очень мелких зародышей пузырьков, которые появляются на поверхности зерен флотируемого минерала. Мелкие пузырьки облегчают закрепление частиц на более крупных транспортирующих пузырьках. Кроме того, кислород воздуха окисляет поверхность частиц и влияет на взаимодействие с реагентами и результаты флотации.

Аэрация прямо пропорционально зависит от интенсивности перемешивания пульпы в машине. Интенсивность перемешивания должна быть достаточной для обеспечения хорошей аэрации и равномерного распределения частиц и пузырьков по всему объему нижней зоны камеры. Сильное перемешивание увеличивает силы отрыва частиц от пузырьков и расход электроэнергии. При прочих равных условиях аэрация зависит от плотности пульпы - в более плотных пульпах аэрация снижается.

П оказатели флотации зависят от интенсивности съема пены. При интенсивном съеме снижается время флотации, но уменьшается содержание ценного минерала в пенном продукте β. Параметр β в пульпе и пенном слое изменяется по высоте – происходит вторичная концентрация (рис. 21.1). В пульпе β по высоте изменяется мало (аb). При переходе в пенный слой β увеличивается скачком (bс) и далее в слое пены растет постепенно (сd).

Если снимать в концентрат только верхний слой пены, то качество его будет высокое, но извлечение снизится. При снятии пены по всей высоте качество концентрата понизится, но извлечение будет выше.

Для улучшения вторичной концентрации можно: 1) поддерживать оптимальную толщину пенного слоя, согласованную со скоростью удаления пены, 2) снимать только верхние слои пены, 3) увеличивать скорость движения частиц породы вниз, осторожно орошая поверхность пены водой – применяется редко.

Повышение температуры пульпы в основном положительно влияет на результаты флотации, но применяется мало из-за дороговизны.

Скорость флотации зависит от скорости подачи пульпы в камеру машины, которая определяется как количество пульпы, подаваемое в машину в единицу времени. При увеличении потока пульпы скорость флотации увеличивается, время флотации снижается. Для разных конструкций машин существует оптимальный поток пульпы. Например, для механических машин оптимальный расход пульпы находится в пределах 1-2-х объемов камеры.

Определение скорости и селективности флотации важно для оценки технологической эффективности процесса.

Скорость флотации характеризуется временем, необходимым для достижения определенного извлечения ценного минерала в пенный продукт. В лабораторных условиях скорость флотации определяют по результатам дробной флотации. В расчетах пользуются методом К.Ф. Белоглазова.

Введем обозначения: n - общее число частиц, подлежащих флотации; х – число частиц, перешедших в пенный продукт к моменту времени t; N - число пузырьков, прошедших сквозь пульпу в единицу времени; W – вероятность устойчивого закрепления частиц на пузырьках.

К моменту времени t число частиц, оставшихся в пульпе, будет равно (n – x). За время dt через пульпу пройдет N dt воздушных пузырьков и сфлотируется dх частиц. Число столкновений частиц с пузырьками за время dt будет пропорционально величине N (n – x) dt. Число частиц, сфлотированных за время dt, будет равно:

dx = k N (n – x) W dt .

Здесь k – коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние различных факторов на флотацию, константа скорости флотации.

Разделим переменные и найдем интеграл:

∫ dx / (n – x) = ln x / ( n – x) ;

ln n / ( n – x) = k ∫ N W dt ;

Разделим на n :

ln 1 / (1 – x / n ) = k ∫ N W dt .

Величина x / n является извлечением ценного минерала в концентрат. Тогда

ln 1 / (1 – ε ) = k ∫ N W dt .

Величина ln 1/(1–ε) называется коэффициентом удельной скорости флотации.

В упрощенном виде скорость флотации может быть определена как (уравнение Белоглазова):

ln 1 / (1 – ε ) = k t.

Это выражение справедливо для флотации узких классов крупности мономинеральной пульпы. В более общем виде это уравнение будет:

dε / dt = k (1 - ε ) ^р .

Здесь р и k – параметры, зависящие от свойств флотируемого минерала и условий флотации; dε / dt – скорость флотации в данный момент времени, которая определяется тангенсом угла наклона кривой ε = f (t), показанной на рис. 21.2.

З ависимость ε = f (t) характеризует кинетику флотации.

Извлечение 100% никогда не достигается. В начале процесса извлечение растет почти пропорционально времени, а затем прирост извлечения замедляется и оно приближается к некоторому предельному значению. Качество концентрата с увеличением времени флотации непрерывно снижается.

Величина (1-ε) пропорциональна массе ценного минерала в пульпе в данный момент времени. При постоянных свойствах минерала и условиях флотации скорость флотации пропорциональна массе минерала и его флотационным свойствам.

К ривые изменения скорости флотации в зависимости от времени могут иметь следующий вид (рис. 21.3).

Прямолинейная зависимость 1 – скорость флотации постоянна. Выпуклая кривая 2 – снижение скорости флотации к концу процесса за счет удаления из пульпы легкофлотируемых зерен в начале и снижения концентрации реагентов. Вогнутая кривая 3 – повышение скорости флотации к концу процесса за счет удаления тонких шламов, более длительного контакта с реагентами.

Для оценки селективности флотации чаще используют индекс селективности η, который вычисляется как отношение удельных скоростей флотации разных компонентов:

η = ( ln 1 / (1 – ε₁ )) / ( ln 1 / (1 – ε₂ )) ,

где ε₁ и ε₂ - извлечения в пенный продукт компонента 1 и компонента 2.

ТЕМА СХЕМЫ И ПРАКТИКА ФЛОТАЦИИ