Теоретична частина

Флотаційний метод збагачення грунтується на використанні різниці в природній чи штучно створеній змочуваності поверхні мінералів. При цьому проявляється різниця в здатності утримуватись на межі розділення фаз: твердої (Т), рідкої (Р) та газоподібної (Г). Різна здатність мінералів утримуватись на міжфазній поверхні визначається різним значенням їх питомої поверхневої енергії, залежної від хімічного складу та будови кристалічної решітки мінералів.

Флотація здійснюється у водному середовищі і широко застосо­вується для збагачення тонкомелених (до крупності менше 0,5 мм) найрізноманітніших корисних копалин. З точки зору можливості застосування флотація є універсальний метод, придатний для розділення практично будь-яких мінералів незалежно від різниці в їх густинах, магнітних, електричних чи інших властивостях.

Флотаційна здатність мінералів, тобто степінь змочуваності мінералів водою, можна змінювати штучно, оброблюючи їх поверхню флотаційними реагентами. Флотаційні реагенти— речовини, здатні вибірково адсорбувати на поверхні мінералів свої молекули і зменшу­вати або збільшувати їх змочуваність.

Основу пінної флотації складає елементарний акт прилипання мінеральної частинки до повітряної бульбашки у воді. Цей процес пояснюється фізико-хімічними властивостями взаємодіючих фаз та явищами на межі їх розділення. Однією з таких властивостей е наявність на поверхні розділу фаз вільної поверхневої енергії, представляючої надлишок енергії, який виникає внаслідок нескомпенсованих сил, діючих у поверхневому шарі.

Енергія, чисельно рівна вільній енергії, діючий на 1 м2 поверхневого шару, називається вільною поверхневою питомою енергією; одиниця її виміру є ньютон на метр (Н/м). Питома поверхнева енергія на межі розділу двох фаз, наприклад. «рідина-газ», позначається σ_р-г.

Питома поверхнева енергія залежить також від полярностей дотичних фаз, тобто різниці в інтенсивності діючих в них молекулярних сил. Мірою полярності фази можуть бути такі властивості її, як дипольний момент молекул, внутрішній тиск, діелектрична стала. Чим більша різниця в полярності дотичних фаз, тим більше питома поверхнева енергія на межі цих фаз.

Поверхнева енергія твердих тіл характеризує природу та особливості поверхні мінералів та здатність їх до взаємодії з водою та присутніми у ній реагентами.

При дотиканні мінералу з водою, внаслідок дії вільної поверхневої енергії, характер взаємодії полярних молекул води та молекул поверхневого шару мінералу може бути різним. Якщо сила притягання між молекулами мінералу і води більша, ніж сила притягання між молекулами води, то здійснюється змочування поверхні мінералу водою (гідратація). В цьому випадку крапля води вільно розтікається по поверхні мінералу та легко витісняє з поверхні повітря .

Якщо сили притягання між молекулами води і мінералу менше ніж сили притягання між молекулами води, то поверхня мінералу не змочується водою. В цьому випадку крапля води на поверхні мінералу витісняється повітрям і зберігає майже кулеподібну форму .

Всі природні мінерали значно різняться по здатності до гідратації. Вони бувають легко змочуваними, або гідрофільними, погано змочуваними, або гідрофобними, та проміжними. До перших належать кварц, кальцит, магнетит, золото та інші, до других — сірка, галеніт, молібденіт, графіт, тальк та інші, до третіх — гематит, пірит та інші мінерали.

Чим слабші та менше зкомпенсовані зв'язки на поверхні мінералу, тим сильніше молекула води притягується до твердої поверхні, тим гідрофільніша та більше гідратована поверхня мінералу. На добре змочуваній поверхні молекули води утворюють упорядковані гідратні шари, товщина яких досягає 0,1 мкм.

Флотуємість мінералів обумовлюється степінню змочуваності (гідрофобністю) їх поверхні, тобто адсорбційною здатністю до молекул води.

Для проведення процесу флотації необхідно посилити різницю у змочуваності, увівши в пульпу відповідні хімічні речовини, називаємі реагентами. Закріплення реагентів на поверхнях мінеральних зерен та повітряних бульбашок здійснюється за рахунок втрати вільної поверхневої енергії на поверхнях розділу фаз внаслідок фізичної чи хімічної адсорбції реагентів на цих фазах. Адсорбція призводить до збільшення концентрації речовин на межі розділу фаз системи порівняно з концентрацією даної речовини в об'ємі пульпи.

В залежності від призначення флотаційні реагенти класифікують наступним чином:

1. 3бирачі або колектори представляють собою органічні сполуки, вибірково діючі на поверхню частинок певних мінералів і гідрофобізуючих її.

2. Піноутворюючі — поверхнево-активні речовини, які, концентруючись на поверхні розділу «рідина-газ», сприяють збереженню повітряних бульбашок у дисперсному стані, запобігають їх злиттю (коалесценції) та збільшують міцність піни.

3. Активатори — реагенти, сприяючі закріпленню збирача на поверхні мінералу.

4. Придушувачі (депресори) — речовини, зменшуючі флотуемість тих мінералів, вилучення яких у пінний продукт в цю мить небажане. Більшість реагентів-придушувачів є неорганічними сполуками — електролітами та застосовуються для підвищення вибірковості (селективності) флотації при розділенні мінералів, близьких за своїми флотаційними властивостями.

5. Регулятори середовища — флотаційні реагенти, застосовувані для регулювання взаємодії збирачів, депресорівів та активаторів з мінералами та створення рН середовища (кислотності чи лужності), внаслідок чого підвищується вибірковість (селективність) флотаційного процесу.

Більшість реагентів-збирачів — це гетерополярні та аполярні речовини. Найбільше розповсюджені при флотації руд гетерополярні збирачі. Молекули гетерополярних збирачів мають складну асиметричну структуру, складену з двох частин, відмінних фІзико-хімічними властивостями, — неполярної (аполярної) та полярної, Такі реагенти відносяться до іоногенних, тобто дисоціюючих на іони. В залежності від того, який вид іонів закріплюється на мінералі та викликає його гідрофобізацію, розрізняють аніонні чи катіонні іоногенні збирачі.

В основу вибору селективних гетерополярних збирачів покладено латність полярної частини їх молекул вступати в хімічну та фізичну взаємодію з іонами поверхневого шару мінералу.

У аніонних збирачів з поверхнею мінералу реагують аніони.

Катіонні збирачі є реагенти іоногенного типу, в яких гідрофобізуючим іоном є катіон.

Аполярні збирачі належать до неіоногенних збирачів, погано розчинних у воді. Вони представляють собою органічні рідини, складені з вуглеводів різних гомологічних рядів, одержуваних з нафти. Ці реагенти не мають у складі молекул солідофільної групи і тому не мають можливості хімічно закріплюватись на поверхні мінералів. Закріплення їх здійснюється за рахунок фізичної адсорбції.

Після закріплення збирача на поверхні мінералу необхідно здійснення міцного його прилипання до повітряної бульбашки, що значно залежить від ефективності дії реагентів-піноутворювачів.

Реагенти-піноутворювачі представляють собою гетерополярні органічні речовини, здатні адсорбуватись на поверхні розділу фаз «вода-повітря». Орієнтуючись своєю полярною групою до води, а неполярною — до повітря, вони підвищують стійкість гідратних шарів оболонок бульбашок повітря.

Основним призначенням реагентів-активаторів є поліпшення взаємодії реагентів-збирачів з поверхнею певних мінералів.

Більшість реагентів-депресорів є неорганічні сполуки — електроліти. Вони використовуються для підвищення вибірковості флотаційного процесу. Ці сполуки діють на флотацію мінералів різними, інколи взаємопов'язаними способами.

Регулятори середовища використовуються для створення оптимальних умов дії інших реагентів при флотації. Це досягається шляхом зміни рН середовища, регулюванням значень окислювально-відновлювального потенціалу пульпи, процесів диспергації та коагуляції шламів, видалення з рідкої фази «небажаних» іонів, до яких відносяться іони, зменшуючі концентрацію збирача у пульпі, придушуючі флотуємі мінерали, активуючі флотацію придушених мінералів.

Одні й ті реагенти можуть бути акти­ваторами, придушувачами та регуляторами рН середовища.