Лекція 9.
Флотаційний метод збагачення корисних копалин. Основи теорії. Феноменологічна модель флотації. [1] c. 138-160.
Лекція 10.
Флотореагенти. Флотованість корисних копалин. Конструкції флотомашин. [1] c.138-160.
Флотація Сутність процесу флотації і галузі використання
Флотація – один з основних процесів збагачення дрібних корисних копалин, який базується на відмінностях у поверхневих фізико-хімічних властивостях різних мінералів, що обумовлює їх різну змочуваність і вибіркову здатність деяких мінералів до закріплення на поверхні розділу фаз з наступним їх спливанням та нагромадженням на поверхні пульпи. Процес у своєму класичному варіанті ґрунтується на вибірковому спливанні частинок корисної копалини на поверхню разом з бульбашками повітря.
Змочуваність – явище взаємодії поверхні мінеральних частинок з молекулами води під впливом неврівноважених сил молекулярного притягання на поверхні мінеральної частинки. Змочуваність залежить від величини вільної поверхневої енергії частинки. При великому запасі вільної поверхневої енергії поверхня частинки добре змочується водою, при малому – погано. За змочуваністю водою поверхні твердих тіл класифікують на незмочувані – гідрофобні і добре змочувані водою – гідрофільні.
Сфера застосування. Флотація застосовується для збагачення широкого діапазону руд (більшість руд кольорових та рідкісних металів, апатитових, фосфоритових, графітових, борних та інших руд), вугілля, сірки, флюориту, калійних солей та інших корисних копалин.
Класифікація флотаційних процесів. За об'єктом флотування розрізняють флотацію мінеральну, вугільну, йонну, органічних сполук. За характером флотуючої поверхні – пінну, плівкову, масляну, на носіях (рис. 3.40). Крім того, розрізняють флотацію соляну, електролітичну, а також флотогравітацію.
В залежності від схемних рішень розрізняють флотацію основну, перечисну, контрольну, стадіальну.
В залежності від того, в якому з продуктів знаходиться концентрат, розрізняють пряму флотацію (корисна копалина у пінному продукті) та зворотну флотацію (корисна копалина у камерному продукті).
Рис. 3.40. – Класифікація флотаційних процесів.
Основні історичні способи флотації: масляна, плівкова і пінна. Специфічні різновиди процесу флотації – пінна сепарація, флотогравітаційний процес, йонна, електролітична флотація. Зупинимося на них докладніше.
Масляна флотація полягає у вибірковому прилипанні гідрофобних частинок до крапель масла, яке подають у пульпу. Комплекси «мінерал-масло», які при цьому утворюються, спливають на поверхню пульпи, оскільки густина цих комплексів менша густини води. На поверхні пульпи ці комплекси утворюють шар гідрофобного продукту. Не змочувані маслами частинки залишаються у пульпі у завислому стані – це камерний продукт.
Процес масляної флотації було вперше запропоновано В.Хайнсом у Великобританії в 1860 р. Застосовувався для збагачення сульфідних руд та вугілля. Але в подальшому процес не знайшов широкого застосування в практиці збагачення через значні витрати дорогого масла. Похідними від нього можна вважати масляну ґрануляцію, сферичну (селективну) аґломерацію, різноманітні схеми і способи реалізації яких як спеціальних процесів збагачення тонких класів гідрофобних матеріалів (головним чином вугілля) запропоновано в Японії, США, Канаді, Україні, Індії, Німеччині, Росії, Австралії та ін.
Плівкова флотація – процес розділення мінералів на поверхні води в залежності від змочуваності тонкоподрібнених частинок, що обережно подаються на поверхню води. Тонка плівка, утворена на поверхні води за допомогою флотаційних реаґентів, утримує природно гідрофобні частинки. А гідрофільні – тонуть. Технологія розроблена А.Нібеліусом, США, 1892 р. та А.Мак-Куїстеном, Великобританія, 1904 р. Самостійного значення процес плівкової флотації не має, він застосовується рідко, в основному в процесі флотогравітаційної доводки олов’яних і вольфрамових концентратів.
Пінна флотація – найбільш поширений різновид флотації. Пінна флотація ґрунтується на здатності погано змочуваних водою мінеральних частинок (гідрофобних) прилипати до бульбашок повітря, які виникають при аерації пульпи. Комплекси «мінерал-повітря» спливають на поверхню пульпи, утворюючи пінний продукт. Змочувані водою мінеральні частинки залишаються завислими у пульпі і утворюють камерний продукт. Для підсилення різниці в змочуваності мінеральних частинок пульпа обробляється спеціальними флотаційними реаґентами.
У процесі пінної флотації оброблені реаґентами частинки виносяться на поверхню води бульбашками повітря, утворюючи пінний шар. Для утворення бульбашок передбачалися різні методи: утворення вуглекислого газу за рахунок хімічної реакції, виділення газу з розчину при зниженні тиску – вакуумна флотація, енергійне перемішування пульпи (механічна флотація), пропускання повітря крізь дрібні отвори (пневматична флотація). Тонкодисперсні бульбашки для флотації з розчинів отримують також при електролітичному розкладі води з утворенням газоподібних кисню і водню (електрофлотація). Різноманітні способи утворення газових бульбашок і комбінації цих способів відповідають різним типам флотаційних машин. Концентрат може бути отриманий пінним (пряма флотація) або камерним продуктом (зворотна флотація); в останньому випадку флотації піддається пуста порода. Для проведення пінної флотації руду подрібнюють до крупності 0,5-1 мм у випадку природно-гідрофобних неметалічних корисних копалин з невеликою густиною (сірка, вугілля, тальк) і до 0,1-0,2 мм для руд металів. Для створення і посилення різниці в гідратованості мінералів, які розділяють, і надання піні достатньої стійкості до пульпи додаються флотаційні реаґенти. Потім пульпа надходить до флотаційних машин. Утворення флотаційних аґреґатів (частинок і бульбашок повітря) – аерофлокул відбувається при зіткненні мінералів з бульбашками, які вводяться до пульпи. Вдосконалення процесу пінної флотації іде шляхом синтезу нових видів флотаційних реаґентів, конструювання флотаційних машин, заміни повітря іншими газами (кисень, азот), а також впровадження систем управління параметрами рідкої фази флотаційної пульпи.
Пінна сепарація – процес розділення мінеральних частинок за їх змочуваністю при проходженні зверху вниз крізь шар рухомої піни, яка утворюється на поверхні аерованої рідини. Гідрофобні частинки концентруються у верхніх шарах піни, а гідрофільні вимиваються з піни потоком рідини, яка подається з потоком живлення на піну зверху. В піні створюються умови протитечійного руху частинок і бульбашок, що інтенсифікує процес розділення. Пінна сепарація має багато переваг у порівнянні з флотацією (менші тривалість, енерго- та металомісткість, більша крупність флотованих частинок), але великого поширення вона не одержала.
Флотогравітація – комбінований процес збагачення, який поєднує флотацію і гравітацію. Флотогравітація здійснюється на апаратах для гравітаційного збагачення (концентраційних столах, ґвинтових сепараторах, відсаджувальних машинах та інших), в яких, завдяки обробці флотаційними реаґентами і введенню до пульпи бульбашок повітря, утворюються аерофлокули певних мінералів, що мають меншу густину, ніж частинки, які не взаємодіють з повітряними бульбашками. Відмінність у густині, яка створюється при цьому, сприяє більш ефективному розділенню мінералів, ніж при звичайному гравітаційному збагаченні. В промисловості флотогравітацію використовують в основному для виділення сульфідних мінералів з гравітаційних олов’яних і вольфрамових концентратів.
Йонна флотація – спосіб флотації, процес вилучення йонів з розчину методом флотації, при якому як реаґенти-збирачі використовують поверхнево-активні речовини (ПАР). Йон, який вилучається (колігенд), утворює з ПАР сполуку (сублат), що концентрується на поверхні спливаючих бульбашок і виноситься в піну. Для йонної флотації характерний невеликий шар нестійкої піни, у верхній частині якої утворюється т.зв. пінка (твердий гідрофобний продукт, що складається в основному з сублату). Можливі два механізми йонної флотації – адсорбційний і адгезійний. Для промислового використання більш прийнятним є адгезійний механізм, при якому забезпечується вилучення корисного компонента на рівні 90-99%. Для йонної флотації характерне вилучення крупних (сотні-тисячі мкм) аґреґатів, що містять 97-99,9% води і складаються з окремих частинок розміром від часток до декількох мкм. Процес здійснюють у флотаційних машинах (пневмомеханічних, пневматичних та ін.). Перша в світовій практиці промислова установка йонної флотації створена в 1972 р. для отримання молібденового концентрату. Цю флотацію доцільно застосовувати при вихідних концентраціях колігенду в інтервалі 10-5-10-2 моль/л, оскільки при великих концентраціях має місце дуже великий об'ємний вихід пінного продукту, а при менших – великі втрати ПАР.
В.О.Глембоцький та В.І.Классен виділяють такі різновиди йонної флотації:
власне йонна флотація (основана на взаємодії з йонами розчину протилежно заряджених йонів збирача, які раніше закріпилися на поверхні бульбашок повітря; застосовують для вилучення аніонів ортофосфорної к-ти четвертинними амонієвими сполуками, аніонів оксидів хрому – бромистим цетилетилдиметиламонієм, катіонів радіоактивних металів – алкілсульфатами);
йонна флотація гідрофобних осадів (основана на утворенні кольоровими металами зі збирачами нерозчинних у воді тонкодисперсних частинок, які флотуються дрібними бульбашками газів; застосовується для вилучення ртуті з промивних вод за допомогою ксантогенатів, нікелю, кобальту та ін. металів; вилучення осадів досягає 90-95%);
йонна флотація гідрофобізованих осадів (метали, що вилучаються, спершу переводять у осад, а потім флотують за допомогою збирачів; приклад – вилучення йонів важких металів зі стічних вод, осаджуючи їх фероціанідами калію і флотуючи осад желатиною; йони цинку після осадження їх у вигляді сульфіду флотують за допомогою лауриламіну та ін.);
пінне фракціонування (основане на адсорбції поверхнево-активних йонів на поверхні бульбашок повітря, які виносять їх у пінний продукт; застосовують для очистки стічних вод від органічних речовин);
флотоекстракція (концентрування гідрофобних сполук у шарі органічної рідини, який покриває поверхню водного розчину, що аерується; комбінований процес, який поєднує флотацію та рідинну екстракцію).
Йонна флотація перспективна для вилучення: молібдену, вольфраму, скандію, ґерманію, ренію, золота та ін., виділення металів з відносно бідних розчинів (десятки-сотні мг/л).