А. А. АБРАМОВ

ФЛОТАЦИОНН.ЬIЕ

МЕТОДЫ

ОБОГАЩЕНИЯ

Допущено Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебника для студентов вузов,

обучающихся по специальноста «Обогащение полезных· ископаемых»

~~ . МОСКВА "НЕДРА" 1984

УДК (622.765:&22.34](075.8)

Абрамов А. А. Флотационные методы обогащения. Учебник дJiя вузов. М.:

Недра, 1984, 383 с.

Изложены основы теории флотационного нроцесса с позиций совремеи­

ного состояния физической химии, физики твердого тела и других научных

дисциnлин. Освещены вопросы технологии и практики флотации с теорети­ ческим обоснованием реагентных режн~о~ов, широко используемых в практИкс

еелективной флотации различных руд. Показамы методы и пути оптимизации

и интенсификации флотационного процесса. Рассмотрены конструкции и эф­

фективность работы флотационных аппаратов.

Для студентов вузов, специализирующихся в области обогащения по­

.лезных ископаемых.

Табл. 4, ил. 123, список лит.- 50 назв.

р е ц е н 3 е н т ы:

кафедра ОПИ ЛГИ,

.nроф. д-р хнм. наук В. И. Мелик-Гайказян (Курский политехн. ин-т).

215015000000-111515	i© Издательство «Недра:., l9R
043(01)-84

ПРЕДИСЛОВИЕ

Важнейшей задачей, поставленной «Основными направле­

ниями экономического и социального развития СССР на 1981-

1985 Годы и на период до 1990 года», является удовлетворение­ всевозрастающих потребностей народного хозяйства в . цвет­ ных, редких, черных, благородных металлах, угле, удобрениях~ строительных материалах. Для решения этой зад·ачи требуется · резкое увеличение объемов добычи, перер.аботки и обогащени~

полезных ископаемых. Основными в переработке многих типов.

полезных . искоnаемых являются флотацион!iые методы обога­ щения. Они используются, например, при обогащении· более

95 % руд цветных металлов, апатит-нефелиновых руд и других

типов минерального сырья. Возрастающее значение флотацион­

ных методов обогащения в настоящее время обусловлено во­

влечением в переработку бедных, тонковкрапленных и трудно­

обогатимых руД и углей, необходимостью комплексного И' более­

полного их использования.

Учитывая важ~ое значение флотационного процесса, изуче-:· нию его в целях совершенствования и интенсификации у деля-.

ется большое вАимание. На высоком научном уровне прово­ дятся исследовательские, конструкторские и проектные работы.

в институтах Механобр, ИПКОН АН СССР, Гинцветмет, ИОТТ, ГИГХС, ВИМС, ВНИИЦветмет, ЦНИГРИ, Унипро-· медь, ЦНИИОлово, .Гипромашобогащение, Госгорхимпроект, УкрНИИУглеобогащение и др. Значительный объем теоретиче· ских и экспериментальных исследований выполнен учебными:.

вузами.

В результате проведеиных исследований формируются новые·

представ.'lения о физической и физико-химической сущности ЯВ··

лений при флотации, разработаны принципь1 их физико-химиче­

ского моделирования, математические модели процессов, соз··

даны совершенные машины' и аппараты, технологические схемы

и режимы флотационного обогащения; предложены новые про-·

цессы флотации и методы их интенсификации. Все это позво­

Jlяет на научной основе осуществить автоматический контро~ь. и регулирование процессов коллективной и селективной флота-.

ЦИИ, добИТЬСЯ ВЫСОКОГО качеСТВ? продукции, СНИЗИТЬ ПОТерК

ценных компонентов с отходами производства и повысить ком­

плексность использования сырья в условиях полного водаобо­

рота и охраны окружающей среды.

Высокий технический уровень обогатительных флотацион­

ных фабрик·, оснащенных системами АСУ ТП и АСУП, опреде­

ляет необходимость подготовки специалистов, способных

в сложных производственных .условиях творчески решать во­

просы совершенствоваt~ия технологии флотационного ·обогаще-

3

ния, управления технологическим процессом и производством,

технически грамотно анализировать и добиваться высоких тех­ нико-экономических показателей работы предприятий.

Назначение настоящего учебника -дать студентам необхо­

димые знания теоретических основ флотационного. обогащения

полезных ископаемых, детально ознакомить с технологией фло­ тации и_флотационным оборудованием, методами оптимизации и управления процессами, технико~экономическими показате­ лями флотационного обогащения различных типов минераль·

ного сырья.

Учебник составлен в соответствии с учебной программой

дисциплины «Флотационные методы обогащения» для студен­

тов высших учебных заведений, обучающихся по специальности

0204 «Обогащение полезных ископаемых».

Автор выражает глубокую благодарность проф., д-ру хим.

наук В. И. Мелик-Гайказяну, доц., канд. техн. наук С. И. Гор­

ловекому и колЛективу. кафедры обогащения полезных ископае­

мых Ленинградского горного института за ценные советы, кри­

тические замечания и указания, которые помогли улучшить на­

стоящее издание.

1. СУЩНОСТЬ М РАЗНОВИДНОСТИ

ФЛОТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Флотация является основным технологическим процессом

обогащения многих полезных ископаемых. В настоящее время только в СССР работают сотни обогатительных фабрик, на ко­

торых флотируют руды цветных, редких и черных металлов, ка­

менные угли, фосфатные руды, серу, полевой шпат, борные

руды, плавиковый шпат, калийные соли и другие полезные ис­ кqпаемые. Для многих. руд, особенно руд цветных и редких ме­

таллов, нет другого технологического процесса обогащения, ко­

торый был бы в состоянии конкурировать с флотацией.

1.1. Сущностlt фnотвцмонноrо процесс•

Как и всякий процесс обогащения nолезных ископаемых,

флотация основана на различиях в свойствах разделяемых ми­

нералов. При этом используется различие в физико-химиче­

ских свойствах nоверхностей минералов, а именно, различие

в их удельных свободных поверхностных энергиях. . Свободная энергия частицы· ·в· -:любой системе складывается

из ее потенциальной и поверхностной энергии. Первая из них

пропорциональна массе или объему частицы, т. е. диаметру ча­ стицы в кубе, а вторая- ее поверхности, т. е. диаметру

в квадрате. Очевидно, что .с уменьшением размера (диаметра)

частицы ее потенциальная энергия уменьшается в гораздо боль­

шей степени, чем поверхностная энергия. Поэтому, как бы ни

была мала поверхностная энергия частицы по сравнению с по­ тенциальной, всегда можно получить частицы малых размеров, у которых поверхностная энергия будет намного больше по­ тенциальной. Именно такие частицы участвуют во флотацион­ ном процессе разделения. Крупность флотируемых частиц

обычно не превышает 0,6 мм, а при особых режимах флота­ ции -нескольких миллиметров [21].

Флотационная система является гетерогенной, включающей

тgердую, .жидкую и газообразную фазы, которые образуют по­ верхности раздела: жидкость- газ (ж-г), жидкость- твер­

дое (ж-т) и твердое- газ (т-г). Каждая из nоверхностей

раздела фаз характеризуется своим значением свободной по­ верхностной энергии, появление которой обусловлено неодина­

ковым притяжением молекул поверхностного слоя со стороны

соприкасающихся фаз (рис. 1.1). Так как молекулярные силы имеют небольшой радиус действия, то предполагают [15], что

поверхностная энергия локализована в тонком поверхностном слое, толщина которого ненамного превышает размеры двух­

трех молекул. В объемах соприкасающихся фаз 1 и 2 плотно-

б

j

	1Фаза 1Фаза2 1								- л,-JJ2
Рис.	1.1. Схема		сил !llолекулярноrо		Рис. 1.2. Влияние различия					в ./).И­
притяжения		на	поверхностн	раз­	электрических		постоянных			D1-Dz
дела	фаз и распределение свобод­				соприкасающихся			фаз	на значение
ной	энергии	в	поверхностном	·слое	удельной	свободной			поверхноствой
					энергии G	на	границе их			раздела
					(по данным 1(.		А.	Разумова		[36))

сти энергий f1 и f2 nостоянны; в поверхностном слое толщиной h=h1 +h2 плотность энергии возрастает, достигая максимума

на границе раздела фаз (см. рис.	1.1).	·
Значение удельно~ свободной поверхностной энергии о з~­
висит от разницы в значениях	полярности	сщ1рикасающихся

фаз, т. е. разницы в значениях интенсивности действующих

'в них молекулярных сил ..Мерой полярности фазы могут слу­

жить такие се свойства, как диэлектр~;~ч_еская постоянная, ди­

nольный момент молекул и другие, так называемые молеку­

лярные, ~войства фазы. Чем больше разница в значениях по­

лярности соnрикасающихся фаз, тем меньше компенсируется

-взаимодействие между ·молекулами и .ионами граничащих фаз и тем больше удельнаЯ поверхностная энергия на границе их раздела. По этой причине значение поверхностной энергии на

границе раздела Двух ПО1fярных фаз; а также на границе раз­

дела двух неполярных фаз будет малое, а на границе раздела полярной и неполярной фаз- большое.

Например, 130здух имеет ·низкую диэлектрическую nостоян­

ную,_ nоэтому на границе -его раздеJ1а с разными жидкостями

удельная поверхностная энергия Ож-r будет более вЫсокой дЛя

жидкостей	с	большими	диэлектрическими			постоянными
(рис. 1.2).	Значение - Ож-г		для воды при		20 ос составляет
72,5 мДж · м-2		(72,5 м Н· м-1 ), для		жидких	органических ~е­
ществ оно	изменяется от 20		до 40	мДж · м-2	[13]	(значения О'

в единицах СИ совпадают со значениями о в единицах СГС-

6

Рис. 1.3. Кристаюшческце решетки графита (а) и rалита (б)

эрг· см-² или· дин· см-¹ , приведеиными в литературе прошЛых

лет).

Энергия взаимодействИя минеральных поверхностей с водой

и воздухом и значениЯ поверхностной энергии на границе их раздела определяются характером связей, разрушаемых при

дроблении и измельчении. Структурные элементы (атомы:, ионы:

или молекулы) кристаллической решетки минералов распола­ гаются с определенной закономерностью относительно друг

дру)'а .и существующие между ними связи отличаются по своей

nрочности. Для прочных или сильных связей, таких, как

ионная, ковалентная, металлическая и других форм атомных

.связей, энергия равна 80-800 кДж/моль. Молекулярная связь ·з.начительно менее прочная. Энергия, необходимая для ее раз­

рушения, составляет всего· лишь 0,08-8 кДж/моль [6]. Водо­

родная связь слабее химических, но орочнее молекулярных. Если при разрушении кристалла рвутся сильные полярные

связи, то энергия взаимодействия поверхности с полярными мо­

лекулами воды будет велика (значение От-ж- мало), а с не­

полярными молекулами, например, воздуха- мала (значение

О'т-г- велико). В этом случае молекулы воды притягиваются

• поверхности твердого тела, хорошо смачивают ее и поверх­

ность становится гидрофильной. Если же при разрушении кри­

сталла происходит разрыв слабых связей, то образующаяся не­ полярная поверхность слабее притягивает дипольвые .молекулы

воды и сильнее взаимодействует с воздухом, т. е. поверхность

становится гидрофобной.

-Характер обнажающихся на поверхности связей ·при дроб­

лении и измеJiьчении минералов опредеЛяется строением их кри­

сталлических решеток.

Например, в графите (рис. 1.3, а) атОJУIЫ углерода· располо­ жены слоями, построенными в виде гексагональной сетки.

В плоскости этих слоев между атомами углерода существуют ковалентньtР связи, а связь между слоями (на плоскостях спай-

7

ности) осуществляется слабыми межмоЛекулярными силами. Этим объясняются гидрофобность графита по плоскостям спай­

tюсти, где связь между находящимиен в соседних слоях ато­

мами углерода молекулярная, и гидрофильность его на торцах

чешуек, где разрываю1'ся сильные атомные связи.

Сила взаимодействия поверхностей минералов с молску­

лами или ионами окружающей среды зависит не только от ха­

рактера, но и от числа разрушаемых при измельчении минера­

лов связей, а также от по.'Iожения атомов или ионов на поверх­

ности минерала. Так, например, в случае кубической решетки

кристалла NaCI (рис. 1.3, 6) ион в положении А (внутри кри­

сталла) взаимодействует с ближайшими шестью противоио­

нами, окружающими его со всех сторон. Ион Б, н.аходящнйся

на грани кристалла, взаимодействует только с пятью противо­

ионами и имеет одну ненасыщен.ную связь, которая может быть

им использована для взаимодействия с молекулами воды. Ион

В, находящийся на ребре кристалла, имеет две неиасыщенные связи, а ион Г, находящийся в вер·шине, имеет три ненасыщен­

ные связи. Поэтому вершины и ребра кристалла являются

более активными при взаимодействии с водой, чем его грани.

Поверхность твердого тела, состоящего из атомов двух иди

более видов, всегда энергетически нсоднородна, и свободная

поверхностная энергия меняется от атома к атому. Поэтому под

свободliой поверхностной энергией твердых тел понимают сред­

нюю величину для макроповерхности каждой из кристалличе­ ских граней.

Разные минералы обязате.'Iьно отличаются друг от друга ИJIИ срставом, или строением кристаJ1лической рещетки и, ·сле­ довательно, имеют разные значения удеJiьной поверхностцой

энергии на границах раздела минерал - газ и минерал - жид­

кость. Это приводит к тому, что минимум свободной энергии

флотар,ионной системы в соответствии со вторым законом тер­

модинамики достигается для разных минералов при контакте

их с разными фазами. Так, для минералов с полярной поверх­

ностью энергетически выгодна поверхность раздела твердое -

подярная жидкость (вода), а для минералов· с а полярной по­ верхностью твердое- а полярное вещество (масло, газ), т. е. разные минералы обладают различной способностью закреп­ ляться на рассматриваемых междуфазовых поверхностях. Это

создает условия для их разделения, что используется на прак­

тике. По определению l(. А. Разумова [36] флот а ц и о н н ы м и

процессами называются процессы разделения

м и н е р а л о в, о с н о в а н н ы е н а р а з л и ч н о й с п о с о б -

ности этих минералов закрепляться на между­

ф а з о в ой поверх н о с т и. Частицу минерала, закрепив­ шуюся на междуфазовой поверхности, называют флот и р у ю­

щей с я, незакрепившуюся- н е флот и р у ю щей с· я. Флотация в отличие от других процессов обогащениа явля­

ется процессом универсальным, так как не существует принци-

пиальных ограничений в отношении возможности ее примене­ ния для разделения любых минералов, поскольку все они имеют

разные значения у дельной свободной поверхностной энергии.

"Универса.1ьность флотационного процесса обеспечивается и тем,

что сели сприродная» разница в значениях удельной поверх­

постной энергии у разделяемых минералов невелика и недоста­

точна Для эффективного флотационного разделения, то она может быть увеличена с помошью специальных реагентов, на­ зываемых ф.1отационными, избирательное закрепление которых

на поверхности определенных минерадов изменяет их поверх­

ностную энергию в заданном направлении.

Практика подтверждает припципиальную возможность прИ-.

:v~енения флотации для разделения Jiюбых минералов и обдасть применения ее в различных отраслях народного хозяйства все

время расширяется.

1.1. Разновидности фnотационных процессов

Флоtационное разделение минералов может быть осущест­

влено на с.1едующих поверхностях раздела: жидкость- газ, жидкость - жидкость, жидкость - твердое и газ - твердое.

Флотационное ра;3деление минералов на поверхности раз­

дела жидкость- газ. Фдотационное раздедение минерадов,

происходящее на плоской поверхности раздела вода - воздух,

по.1учило название п л е н очной флот а ц и и. Исходная

смесь флотирующихся и нефлотирующихся частиц при этом по­

дается на водную поверхност,ь сверху. Флотирующи~ся частицы:

удерживаются на поверхности и переносятся потоком к месту

разгрузки концентрата, а нефлотирующиеся тонут и удаляются

в виде хвостов. При кажущейся простоте этот процесс доста­

точно чувствителен, малопроизводитеден и в чистом виде не по­

лучил промытленного применсния.

Принцип пленочной флотации использован в настоящее

время при ф Jl о т о гр а в и т а ц и о н н о м сп о с о б е о б о г а -

щ е н и я, широко применяемом в схемах доводки редкоме­

таJIЛЫIЫХ концентратов. По данному способу смесь относи­

тельно крупных частиц разделяемых минера.1ов (3 мм и более)

сначала обрабатывается реагентами для· повышения флотируе­

мости загрязняющих концентрат сульфидных минералов,

а затем поступает на концентрационный стол. Флотирующиеся частицы сульфидных минералов ПJIЫвут по поверхности воды

(п.1еночная флотация), а нефлотирующиеся минералы разделя­ ются на сто.1е обычным способом: на тяжелую (например, касситерит или вольфрамит) и легкую (силикаты, кварц)

фраКitИИ ..

Производительность процесса резко возрастает, если при

разделении используют не плоскую поверхность раздела жид­

кость - газ, а криволинейную поверхность пузырьков, образуе­

мых в пульпе, как в процессе п с н н ой флот а ц и и и различ-

q

. ных ее модификациях. В этом случае флотирующиеся частицы

закрепляются на пузырьках и выносятся ими на поверхность

пульпы, образуя слой минерализованной пены. В зависимости

от снособа насыщения пульпы пузырьками газа ленная флота-

ция подразделяется на' несколько разновидностей. .

При о бы ч н ой п е н н ой флот а ц и и, используемой в на­

стоящее время практически на всех фJютационных фабриках. газом является засасываемый и.тiи подаваемый под давлением воздух,· который диспергируется в пульпе на мелкие пузырькц

с помощью различных	устройств.
При в а к у у мной	флот а ц и и аэрация пульпы. обеснечи­

вастся выдел~нием во.здуха из раствора. Процесс используется

для обогащения коксующихся углей и является перспектинным для флотации тонких шламов других поJ1езных ископаемых.

Аналогичный процесс флотации получается,· если сначала вода

насыщается воздухом под повышенным давлением, а затем пр~

атмосферном давлении выделяются пузырьки. Такая. флотация

с повышенным давлением, или компрессио.нная

ф Л О Т а Ц И Я, ИСПОJ1ЬЗуеТСЯ ДJIЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ТОНКИХ Ка-пе- · лек нефти, которые закрепляются на поверхности выде.ilяю­

щихся пузырьков и всплывают вместе с ними на поверхности

очистного сооружения.

Принцип .компрессионной флотации получил развитие и ис­