книги из ГПНТБ / Глембоцкий В.А. Флотация учебник

УДК 622.765(075.8):622.3

Глембоцкий В. А., Клаесен В. И. Флотация. М., «Недра», 1973. 384 с.

В книге изложены теоретические основы флотационного про­ цесса обогащения полезных ископаемых на основе современного состояния физической химии, физики твердого тела и других научных дисциплин. Рассмотрены технология флотации, конструк­ ции флотационных машин, применяемых в промышленности, и вспомогательное оборудование.

Освещена практика флотации полезных ископаемых. Техноло­ гия и практика флотации иллюстрированы примерами передовых отечественных и зарубежных обогатительных фабрик.

Книга написана в соответствии с программой курса «Флотация» и предназначена для студентов обогатительной специальности гор­ ных и горно-металлургических вузов. Она может быть полезна инженерно-техническим работникам научно-исследовательских институтов и обогатительных фабрик.

Таблиц 39, иллюстраций 127. Список литературы — 256 назв.

Гос. пуб~ч'>"?я

н а у ч н о - ' • • > ; I -

ЧИТАЛЬНОГО З А Л А

© Издательство «Недра» 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник «Флотация» значительно переработан и дополнен по сравнению с учебным пособием, изданным в 1961 г.

Учитывая наличие к настоящему времени значительного коли­ чества выпущенных монографий, где подробно изложены основные вопросы теории флотации и особенно практики флотационного обога­ щения многих, наиболее важных полезных ископаемых, в учебник вошли лишь наиболее важные теоретические положения и практиче­ ские данные, характеризующие современный флотационный процесс.

Флотация все в большей степени становится ведущим и уни­ версальным методом обогащения большинства полезных ископаемых, поэтому учебный курс «Флотация» является важнейшим профилиру­ ющим курсом для обогатительной специальности горных и горно­ металлургических вузов.

В книге авторы учитывали, что перед изучением курса флотации студенты уже знакомы с общим курсом обогащения и основными положениями физической химии и минералогии, и не освещали целый ряд элементарных положений.

При подготовке книги авторы стремились не только изложить современное состояние флотационной науки и техники, но и показать наиболее перспективные направления их развития.

За последнее десятилетие вклад советских ученых, инженернотехнических работников научно-исследовательских, проектных институтов и горно-обогатительных предприятий в развитие и совер­ шенствование флотационной науки и техники весьма значителен

имногообразен. Естественно, что в связи с этим труды наших ученых

ипримеры, иллюстрирующие отечественную практику флотацион­ ного обогащения, заняли в книге важное место.

1*

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА

Г л а в а I

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ФЛОТАЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Флотация является методом разделения компонентов твердой фазы (или выделения твердых частиц из жидкости, в которой они взвешены), представленных относительно мелкими частицами, взве­ шенными в жидкости, с использованием для этой цели пузырьков газа и избирательной способности частиц прилипать к ним. Частицы одного компонента, которые вследствие их плохой смачиваемости жидкостью прилипают к газовым пузырькам, выносятся ими на по­ верхность жидкости, где образуется слой пены. Частицы же другого компонента, хорошо смачиваемые жидкостью, не прилипают к газо­ вым пузырькам и остаются в жидкости во взвешенном состоянии.

Кроме применения флотации как наиболее известного метода обогащения полезных ископаемых ее используют в гидрометаллур­ гии, пирометаллургии, химической промышленности, промышлен­ ности строительных материалов, геологии, медицине, биологии, сель­ ском хозяйстве и других областях. Флотацию широко применяют при: разделении хлористого аммония и бикарбоната натрия в произ­ водстве соды; отделении криолита от частиц угля и алюминия; очи­ стке воды и воздуха от бактерий и твердых частиц; выделении кау­ чука из растительных продуктов; разделении различных видов бактерий друг от друга (например, желудочных бактерий и палочек Коха); очистке виноградного сока и растворов свекловичного и тро­ стникового сахара от твердых примесей; разделении друг от друга проросших и непроросщих семян, а также семян одних растений от семян других растений.

В последнее время возникли и развиваются две новые разновид­

соединений, которые способны закрепляться на поверхности воздуш­ ных пузырьков и одновременно химически связывать ионы извлека-

4

емого компонента, присутствующие в растворе. Всплывая на по­ верхность жидкости, пузырьки концентрируют в пенном слое ионы, извлекаемые из раствора, в форме их соединения с поверхностноактивным веществом.

Электрофлотация [149] основана на использовании для флотации в качестве газовых пузырьков водорода и кислорода, образующихся при электролизе воды. Пузырьки этих газов могут использоваться как совместно, так и раздельно, с учетом специфических физикохимических особенностей каждого из газов. Преимуществом электро­ флотации является получение весьма малых газовых пузырьков, размер которых может легко регулироваться силой тока при электро­ лизе. Все это имеет важное значение при флотации мелких или весьма мелких частиц.

Современный флотационный процесс, основанный на использо­ вании физико-химических и физических явлений, регулируемый воздействием многих факторов, является одним из наиболее выда­ ющихся научно-технических достижений нашего времени.

В основе флотации как метода обогащения полезных ископаемых лежит использование различий в физико-химических свойствах поверхности частиц разделяемых минералов^ наиболее существен­ ными из которых являются их смачиваемость водой (гидратируемость) и способность к взаимодействию с реагентами и газами. Эти различия приводят к тому, что частицы одних минералов, сталки­ ваясь с воздушными пузырьками, прилипают к ним, в то время как при флотации других минералов прилипания не происходит.

Процесс флотации осуществляется в перемешиваемой водной

минералов, плохо смачивающиеся водой (гидрофобные), при сопри­ косновении с воздушными пузырьками прилипают к ним и всплы­ вают на поверхность флотационной пульпы. Здесь образуется слой минерализованной (флотационной) пены, которая самотеком или принудительно, обычно с помощью специальных гребков выделяется

полезный минерал (или группу полезных минералов) и пенный про­

Успех флотации во многом зависит от того, насколько отли­ чаются по своей смачиваемости (гидрофобности) минералы, подлежа­ щие разделению. Практически во всех случаях природные различия

•5

в смачиваемости у разделяемых минералов оказываются недостаточ­ ными для эффективного разделения и их усиливают применением специальных флотационных реагентов.

Ни один из существующих методов обогащения полезных ископа­ емых не может конкурировать с флотацией, как наиболее универсаль­ ным и совершенным способом обогащения. В то время как плотность, магнитная -проницаемость, электропроводность и другие свойства, лежащие соответственно в основе гравитационного, магнитного или электрического методов обогащения, практически не поддаются изменению без глубокого, объемного нарушения состава и природы минерала, различия в поверхностных свойствах могут быть усилены с помощью флотационных реагентов, которые воздействуют лишь на поверхность минерала, не затрагивая его объемных свойств. Действие самих реагентов поддается регулированию. Эти обсто­ ятельства наряду с возможностью обогащения тонковкрапленных руд, требующих весьма тонкого помола, быстро выдвинули флотацию на передовые рубежи обогатительной техники и сделали ее ведущим методом обогащения, особенно важным для руд цветных и редких металлов.

при переработке минерального сырья; число их непрерывно воз­ растает.

Свинец, цинк, медь, олово, никель, кобальт, золото и алмазы; сера, мышьяк, сурьма и барит; литий и бериллий; вольфрам, молиб­ ден и германий; железо, хром и титан; уголь, графит, фосфориты и апатит; растворимые соли, слюда, полевые шпаты, флюорит; мине­ ралы урана, тантала, ниобия и циркония и многие другие, необхо­ димые для современной техники полезные компоненты, извлекаются из минерального сырья методом флотации.

Современный флотационный процесс, существующий в развитой форме всего 30—40 лет, возник не сразу и прошел большой и слож­ ный путь в своем развитии. Многое из того, что относится к ранним

обходимо ознакомиться с основными историческими данными, характеризующими возникновение и развитие флотационного про­ цесса.

Официальной датой возникновения флотации как метода обога­ щения полезных ископаемых следует считать 23 августа I860 г. т. е. день выдачи патента; патент был выдан В. Хайнсу в Англии. Патент назывался «Метод концентрации металлов из руд и пород». С применением процесса, который позднее получил название масля­ ной флотации, В. Хайнс отделял главным образом сульфидные мине-

6

ралы от пустой породы, используя в качестве «агента» масла и нера­ створимые в воде битуминозные вещества. Реагент, состоящий из подобных веществ, смешивался в определенной пропорции с мелкоизмельченной рудой в специальном смесительном аппарате, после чего вся смесь промывалась водой. Выделенные из руды омасленные ценные минералы отделялись от масла, промывались в щелочном растворе. Основным принципом масляной флотации., который впо­ следствии использовался в различных модификациях другими авто­ рами, являлось избирательное смачивание маслом сульфидных минералов, которые вместе с маслом образовывали гранулы, всплы­ вающие на поверхность воды. Частицы минералов пустой породы, хорошо смачиваемые водой и практически несмачиваемые маслом, оставались при этом в объеме воды.

Патент Хайнса не получил практического использования вслед­ ствие высокого расхода масла. Но он является, по-видимому, первой работой, положившей начало возникновению флотационного метода обогащения полезных ископаемых и вызвавшей многочисленные попытки развития процесса с применением приемов, сокращающих расход масла до практически приемлемых величин.

В патенте, выданном в Германии (1877 г.) братьям Бессель, содержались уже некоторые признаки современного пеннофлотационного процесса. Метод братьев Бессель предназначался главным образом для извлечения из руд графита. Согласно патенту, измель­ ченная руда смешивалась с маслами, жирами или углеводородами, взбалтывалась с водой и нагревалась до кипения. Выделяющиеся при этом пузырьки водяного пара поднимали на поверхность пульпы омасленные частицы графита, образующие слой минерализованной пены. Пустая порода оставалась на дне сосуда, или — в объеме пульпы. Для усиления ценообразования рекомендовалось добавлять различные реагенты, например сивушное масло. Последнее, как известно, содержит в своем составе ряд спиртов, а они являются эффективными пенообразователями. Современный пенно флотацион­ ный процесс также не может быть осуществлен без применения реагентов пенообразователей.

Другим важным моментом в работе братьев Бессель явилось хотя и робкое, но явное использование при флотации пузырьков газа, облегчающее всплывание флотируемых частиц минерала на поверх­ ность пульпы. Без применения газовых пузырьков также не может быть осуществлена современная пенная флотация. Расход минераль­ ного масла при этом составлял от 1 до 10% к весу руды.

В России в 1904 г. в гор. Мариуполе (ныне г. Жданов, УССР) действовала графитовая обогатительная фабрика. Процесс обогаще­ ния состоял из кипячения графитсодержащей пульпы. Для облегче­ ния прилипания частиц графита к газовым пузырькам применялся керосин.

7

Вуд, 1914 г.). Сущность пленочной флотации состояла в том, что руда, мелко измельченная сухим способом, насыпалась тонким слоем с небольшой высоты на поверхность воды. При этом сульфиды (или другие плохо смачиваемые водой минералы) удерживаются силами поверхностного натяжения на поверхности воды, образуя хрупкую пленку, тогда как минералы пустой породы, будучи гидрофильными, смачиваются водой, тонут и опускаются на дно аппарата.

Пленочная флотация возникла и развивалась в результате стре­ мления избежать затрат на обогащение, связанных с генерацией газовых пузырьков и необходимостью использовать масло (или дру­ гие реагенты). Известны случаи производственного применения пленочной флотации для извлечения, например, цинковой обманки из руд. Низкая производительность аппаратуры, неизбежная при пленочной флотации, и неустойчивость процесса явились причинами отказа от этого метода флотации, тем более, что применение масел и других реагентов, а также газовых пузырьков в качестве подъем­

спективность и жизненность методов масляной и пенной флотации.

Пленочная флотация, особенно как побочное явление на совре­ менных обогатительных фабриках или даже как самостоятельная технологическая операция (например, при доводке алмазных кон­ центратов), представляет еще некоторый практический интерес. Во всяком случае стало уже давно совершенно очевидным, что даже с использованием новых технических приемов и аппаратов пленочная флотация, по-видимому, не будет иметь сколько-нибудь серьезного и тем более самостоятельного практического значения.

Вернемся, однако, к дальнейшему развитию масляной флотации,

Заслуживает упоминания патент, выданный в 1885 г. американке Эверсон, которая, по-видимому, для сокращения расхода масла предложила применять серную кислоту. Способ Эверсон не нашел практического использования, но сыграл свою роль, обратив внима­ ние последующих исследователей на важность применения кислоты для улучшения процесса флотации (хотя, как это будет видно дальше, роль кислоты в дальнейших работах была совсем иной).

В 1901—1902 гг. сначала Поттером (США), затем Фроментом (Италия) был запатентован способ обогащения, основанный на использовании загружаемых в пульпу минеральной кислоты и не­ больших количеств масла. В результате взаимодействия кислоты с карбонатными минералами руды выделялись пузырьки углекис­ лого газа, прилипающие к частицам омасленных сульфидов и спо­ собствующие их всплыванию.

Если в руде отсутствовали карбонаты, их добавляли. Использо­ вание пузырьков совместно с маслами позволяло значительно сокра­ тить их расход при флотации.

8

Этот способ был с успехом и в больших масштабах использован при обогащении цинксодержащих отвалов, которые наряду с цин­ ковой обманкой содержали достаточное количество карбонатов (месторождение «Брокен-Хилл», Австралия, 1901 г.). Сухой исход­ ный материал, содержащий 20% цинка в виде сульфида и карбоната, загружался в чаны с разбавленным раствором серной кислоты. Выделяющиеся при этом пузырьки углекислого газа способствовали переходу цинковой обманки на поверхность пульпы. Этот способ

весьма эффективным: в течение ряда лет было получено 6 млн. т цинкового концентрата, содержащего 42% цинка.

Идя по тому же пути использования газовых пузырьков при флотации, но, по-видимому, стремясь избавиться от необходимости применять в этих целях кислоту, Эльмор в 1904 г. предложил метод так называемой вакуум-флотации. Процесс осуществлялся с помощью масла, но газовые пузырьки получались путем выделения воздуха из водного раствора благодаря пониженному давлению над слоем жидкости *. Установки для осуществления процесса Элмора полу­ чили некоторое практическое применение на нескольких обогати­ тельных фабриках, но они не отличались достаточно высокой произ­ водительностью и были весьма громоздкими. Поэтому они не могли получить широкого распространения в промышленности, несмотря па довольно благоприятные технологические показатели и, в ча­ стности, несмотря на невысокий расход масла. Несомненное значение работ Эльмора состояло, однако, во-первых, в том, что он подтвердил важность практического использования газовых пузырьков при флотации и возможность при этом обойтись без применения кислоты для их получения, применяя вместо углекислого газа (или пузырьков водяного пара — как в патенте братьев Бессель) пузырьки воздуха. Во-вторых, несмотря на явные преимущества использования для флотации воздуха, засасываемого или нагнетаемого в пульпу из атмосферы, Эльмор показал возможность флотации пузырьками воздуха, выделяющимися из раствора. Впоследствии уже на новой теоретической основе была доказана эффективность использования этого принципа в современных конструкциях некоторых флотацион­ ных машин.

В 1903 г. была основана английская фирма «Минерале Сепарейшен» и в 1905 г. возник так называемый «базисный патент» (англий­ ский патент № 7803), благодаря обладанию которым фирма на дли­ тельное время завоевала монопольное положение в области флотации. Значительная концентрация научных сил в одной компании и стре­ мление запатентовать в интересах этой компании все новое

вобласти флотации (что характерно и для других отраслей капитали-

Всоответствии с известным законом Генри.

9