Тема 12. Флотация углей
12.1 Общие сведения
Флотацией называют процесс обогащения мелких классов угля, основанный на различной смачиваемости водой поверхности угля и отходов.
Флотацию осуществляют во флотационных машинах, представляющих собой ванны или ряд последовательно соединенных камер, непрерывно заполняемых пульпой, в которые также непрерывно подают воздух и реагенты для усиления несмачиваемости угольных частиц водой.
Различают пенную, масляную и пленочную флотацию.
Масляная и пленочная флотация из-за низкой производительности аппаратов и неустойчивости процесса имеет ограниченное применение.
Наибольшее распространение получила пенная флотация.
Пенная флотация заключается в том, что во флотационной машине частицы угля, плохо смачиваемые водой, при встрече с пузырьками воздуха прилипают к ним и всплывают на поверхность пульпы. Всплывшие пузырьки воздуха с частицами угля образуют пену (пенный концентрат), которая удаляется из машины. Частицы породы, хорошо смачиваемые водой, к пузырькам воздуха не прилипают и остаются в пульпе.
В результате флотации получают флотационный концентрат с наибольшим содержанием горючей массы и отходы с наибольшим содержанием минеральных примесей.
Пенная флотация — наиболее эффективный процесс обогащения тонких классов угля. Недостатки процесса флотации — большой удельный расход электроэнергии и высокая стоимость.
Флотацию применяют для обогащения шламов крупностью О—0,5 мм коксующихся и энергетических углей и регенерации оборотной воды.
12.2 Теоретические основы флотации
Флотационная пульпа представляет собой многофазную систему. Она состоит из твердой фазы Т—мелких частиц угля и породы; жидкой фазы Ж — воды; газообразной фазы Г — пузырьков воздуха. Кроме того, в пульпу подают флотационные реагенты для изменения свойств поверхности твердой фазы.
Процесс флотации связан с физико-химическими явлениями, происходящими на поверхности раздела фаз. Наиболее важное значение для процесса флотации имеют поверхностное натяжение, смачиваемость и адсорбция.
Поверхностное натяжение (поверхностная энергия). В жидкости (рис.45) молекулы находятся в равновесии, так как они испытывают одинаковые по всем направлениям силы притяжения соседних молекул. Равнодействующая сил, действующих на молекулу, равна нулю.
На поверхности раздела фаз Ж - Г молекулы жидкости испытывают притяжение молекул жидкости и воздуха неуравновешенные силы стремятся втянуть молекулу внутрь жидкости.
Рис.45.Схема действия молекулярных сил
Рис.46.Схема действия сил поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение— сила, действующая вдоль поверхности раздела на единицу ее длины. Поверхностное натяжение и поверхностная энергия численно равны.
При флотации поверхностное натяжение воды уменьшают, добавляя флотационные реагенты, что улучшает пенообразование.
Смачиваемость—явление взаимодействия поверхности минеральных частиц с молекулами воды под действием неуравновешенных сил
Количественно смачиваемость определяется значением краевого угла смачивания.
Краевой угол смачивания 0 (рис.46) —угол, образованный касательной к поверхности капли (или пузырька воздуха) и поверхностью минерала, отсчитываемый со стороны капли. Краевой угол смачивания изменяется от 0 до 180° и составляет для угля 60—90° и породы 0—10°. Растекание капли воды по поверхности минерала прекращается при уравновешивании сил поверхностного натяжения.
Частицы, плохо смачиваемые водой, называют гидрофобными; частицы, хорошо смачиваемые водой, — гидрофильными. К гидрофобным относятся частицы угля, к гидрофильным — породы. С поверхности гидрофобных частиц воздух легко вытесняет воду, а с поверхности гидрофильных частиц вода легко вытесняет воздух.
Уменьшение смачиваемости водой флотируемых частиц способствует лучшему их прилипанию к пузырькам воздуха. Введением в пульпу флотационных реагентов добиваются изменения смачиваемости поверхности минеральных частиц и, следовательно, прилипания их к воздушным пузырькам.
Адсорбция — поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела или жидкости, называемых адсорбентом.
При адсорбции реагентов изменяются свойства поверхности частиц. Явление адсорбции используют при флотации для изменения смачиваемости флотируемых частиц.
Рис.47. Схема адсорбции гетерополярных веществ на поверхности пузырьков воздуха
Рис.48. Структура флотационных пен
Образование в водной среде флотационного комплекса минеральная частица — пузырек воздуха — важнейший процесс при флотации.
В начальный период сближения частицы и пузырька воздуха вода из образовавшейся прослойки удаляется легко. При дальнейшем сближении возрастает сопротивление до определенного предела, после чего происходит разрыв гидратной оболочки с большой скоростью. Пузырек скачком прилипает к твердой поверхности,
образуя с ней определенную площадь контакта, которая зависит от гистерезиса смачивания — явления задержки передвижения периметра смачивания по шероховатой поверхности твердого тела. При разрыве гидратного слоя на границе контакта трех фаз появляется каемка реагента, способствующая повышению прочности закрепления частицы на пузырьке воздуха.
Конечная стадия флотационного процесса — образование минерализованных пен. Минерализованная пена образуется на поверхности пульпы в камерах машин вследствие всплывания и накопления большого количества флотационных комплексов.
По структуре флотационные пены делят на пленочные, пленочно-структурные и агрегатные.
Пленочная пена состоит из тонкого слоя всплывших на поверхность пульпы крупных минеральных частиц, соединенных между собой мельчайшими пузырьками воздуха.
Пленочно-структурная пена состоит из крупных пузырьков воздуха, покрытых тонкими частицами угля. В промежутках между пузырьками находится значительное количество воды. Эта пена характерна для флотации углей.
Агрегатная пена (рис. 48, в) состоит из более крупных частиц угля и агрегатов, заполняющих основную часть пространства между пузырьками. Размеры пузырьков у агрегатной пены меньше, чем у пленочно-структурной. Эта пена хорошо минерализована и обводнена меньше, чем пленочно-структурная.
Прочность и устойчивость пены повышаются с уменьшением размеров частиц и пузырьков воздуха.
Получаемая при флотации угля пена значительно минерализована, очень вязка и относительно устойчива. Транспортирование устойчивых пен по трубам затруднено и требует перекачивания насосами.