2.2 Флотационный процесс обогащения

Флотацией обогащаются минералы крупностью 0 – 0.5 мм (руды крупностью 0 – 0.074 мм, угли крупностью 0 – 0.5 мм). Процесс основан на различии в смачиваемости разделяемых компонентов. По смачиваемости все минералы можно разделить на две категории:

1. Смачиваемые водой – гидрофильные;

2. Несмачиваемые водой – гидрофобные

Критерием смачиваемости является краевой угол смачивания - . Это угол между касательной, проведенной к капле из точки сопряжения капли воды с минералом и плоскостью минерала, отсчитываемый в сторону жидкой фазы (рис. 9.1).

Рисунок 9.1 – Краевой угол смачивания  для углей и пород

Чем больше краевой угол смачивания, тем выше гидрофобность и флотационная способность минерала.

С мачиваемость породных частиц объясняется наличием у них кристаллической решётки, с которой взаимодействуют диполи (молекулы) воды, образующие вокруг частиц гидратную оболочку (рис.9.2). Эта оболочка препятствует прилипанию частиц породы к пузырькам воздуха в процессе флотации.

Рисунок 9.2 – Гидратная оболочка вокруг частицы породы

С углеродными аполярными частицами (уголь, графит) диполи воды не взаимодействуют и не образуют вокруг них ориентированную гидратную оболочку (рис.9.3) Поэтому частицы угля беспрепятственно прилипают к пузырькам воздуха и флотируют.

Рисунок 9.3 – Расположение диполей воды вокруг частицы угля

Для протекания процесса флотации необходимо наличие следующих фаз:

1. Твёрдой (исходный материал);

2. Жидкой (вода);

3. Газообразной ( воздух)

Флотационные реагенты Флотационные реагенты применяются для регулирования процесса флотации. В соответствии с назначением и механизмом действия реагенты делятся на следующие типы:

1. Собиратели (коллекторы);

2. Пенообразователи;

3. Депрессоры;

4. Активаторы;

5. Регуляторы среды

1. Собиратели предназначены для повышения гидрофобности минералов. В угольной практике это различные температурные фракции керосинов. Механизм действия – физическая адсорбция аполярных веществ за счёт действия молекулярных сил (Вандерваальса).

Для руд в качестве собирателей применяются гетерополярные вещества. Для сульфидных руд (CuS, ZnS, PbS) наиболее характерные собиратели – ксантогенаты с различной длиной углеводородного радикала R, имеющие общую формулу ROCSSMe.

R - OCSSNa

Механизм действия ксантогенатов – хемосорбция, в результате которой на поверхности минералов образуется гидрофобное соединение, например ксантогенат меди – (ROCSS)₂Cu.

С обиратели концентрируются на поверхности раздела жидкость – твёрдое (рис. 9.4). При этом радикал обращён в жидкую фазу, полярная группа – к минералу.

Рисунок 9.4 – Закрепление ксантогената на поверхности минерала

2 . Пенообразователи предназначены для диспергирования (дробления) и стабилизации воздушных пузырьков. Характерные представители пенообразователей – спирты, имеющие гетерополярную структуру молекулы типа R-ОН (рис.9.5).

Рисунок 9.5 – Структура молекулы пенообразователя спирта

Пенообразователи концентрируются на границе раздела жидкость – газ. При этом полярная часть молекулы направлена в жидкую фазу, а аполярная – в газообразную (рис.9.6).

Механизм действия пенообразователя – снижение поверхностного натяжения на границе жидкость – газ.

Рисунок 9.6 – Концентрация молекул пенообразователя на границе раздела жидкость - газ

Силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ направлены в жидкую фазу (рвут пузырёк). Полярная часть молекул пенообразователя, взаимодействуя с диполями воды, гасит избыточную поверхностную энергию (поверхностное натяжение) стабилизируя, таким образом, воздушный пузырёк.

Пенообразователь препятствует коалесценции (слиянию) воздушных пузырьков.

3. Депрессоры предназначены для подавления гидрофобных свойств минералов. Применяются при разделении коллективных концентратов. Например, при разделении медно-цинкового коллективного концентрата на медный и цинковый в качестве депрессора цинковых минералов применяют цинковый купорос ZnSO₄.

4. Активаторы применяются для восстановления гидрофобных свойств ранее депрессированных минералов. Например, для активации депрессированного сфалерита (ZnS) применяется медный купорос CuSO₄.

5. Регуляторы среды применяются для создания определённой щёлочности (кислотности) флотационной среды. При флотации сульфидных руд предпочтительна щелочная среда (рН = 8 –11). Типичные регуляторы среды: известь Ca(OH)₂, сода Na₂CO₃. Кислая среда используется редко, кроме того, она способствует коррозии оборудования.

Флотационные машины

Флотационные машины применяются для реализации процесса флотации. В зависимости от характеристики обогащаемого сырья и требований к продуктам обогащения применяются следующие типы флотационных машин:

1. Механические, в которых перемешивание пульпы и засасывание воздуха осуществляется вращающимся импеллером;

2. Пневмомеханические, в которых перемешивание пульпы осуществляется вращающимся импеллером. Воздух подаётся от внешнего источника (компрессора).

3. Пневматические, в которых воздух подаётся от внешнего источника. Вращающийся импеллер отсутствует.

4. Пенные сепараторы, обеспечивающие обогащение частиц повышенной крупности (для углей до 3-5 мм).