книги из ГПНТБ / Глембоцкий В.А. Флотация учебник

гается с выделением аморфного кремнезема и тем быстрее, чем выше модуль.

Как реагент-регулятор жидкое стекло находит широкое приме­ нение в качестве депрессора кварца и силикатов при мыльной фло­ тации, а также для селективного разделения близких по флотацион­ ным свойствам несульфидных минералов — кальцита и флюорита, кальцита и шеелита.

Жидкое стекло, применяющееся при флотации, обычно имеет модуль от 2 до 3. Водные растворы жидкого стекла могут содержать N a 2 S i O s , N a 2 S i 2 0 5 , N a 2 S i 0 4 и гидратированные частицы S i 0 2 . Чем ниже модуль растворимого стекла, тем выше щелочность его водного раствора и тем слабее его депрессирующее действие на кварц. При модуле выше трех растворимое стекло трудно растворяется и образуется значительное количество грубодисперсных частиц геля кремнекислоты.

Указанные выше особенности растворов жидкого стекла (выделе­ ние аморфного кремнезема на воздух) требуют, чтобы растворы этого реагента на обогатительной фабрике готовились каждый раз в одних и тех же условиях. Только в этом случае можно рассчитывать на ста­ бильные результаты флотации.

Воздействие жидкого стекла на минералы может значительно изменять состояние их поверхности. Жидкое стекло гидрофилизует поверхность минералов, однако его действие отличается избиратель­ ностью, заметной даже при сопоставлении минералов с одинако­ выми катионами.

В количествах, превышающих обычные для флотации (напри­ мер, при расходе 1,1 — 1,2 кг/т), жидкое стекло уже не проявляет избирательности действия. [106].

влено для апатита, флюорита и даже для малахита и церуссита — при флотации последних изоамиловым ксантогенатом.

Избирательность депрессирующего действия жидкого стекла может быть значительно повышена тогда, когда этот реагент при­ меняется вместе с кальцинированной содой и солями поливалент­ ных металлов.

Установлено, что сложная проблема селективного разделения кальцита и флюорита (минералов с общими катионами) не может быть удовлетворительно решена при применении одного жидкого стекла, но решается с хорошими результатами при применении этого реагента совместно с солями алюминия. В других случаях соли алюминия и других поливалентных металлов совместно с жидким стеклом с положительными результатами применялись для отделения шеелита от кальцита и апатита.

Большое практическое применение нашел способ повышения избирательности действия жидкого стекла, разработанный Н. С. Пет­ ровым [106,153]. Этот способ основан на применении большого коли­ чества жидкого стекла при повышенной температуре пульпы (60° С

167

и выше), благодаря чему депрессирующее действие и избиратель­ ность жидкого стекла значительно повышаются.

Способ Н. С. Петрова нашел применение прежде всего для флота­ ции шеелито-кальцитовых руд. При этом сначала кальцит и шеелит переводят другим карбоксильным собирателем в коллективный концентрат, который сгущается и обрабатывается при температуре 60—80° С в течение 30—60 мин жидким стеклом при расходе его 8 — 15 кг/т концентрата. Благодаря такой обработке шеелит сохра­ няет способность к флотации, а кальцит утрачивает ее. Используя эти различия между шеелитом и кальцитом, их разделяют, подвер­ гая вторичной флотации. Установлено, что при обработке минералов жидким стеклом по этому способу олеиновая кислота избирательно десорбируется жидким стеклом, главным образом с кальцита.

Механизм депрессирующего действия жидкого стекла еще не вполне ясен. Можно, однако, утверждать, что наиболее сущест­ венную роль в данных случаях играют сильногидратированные мицеллы кремневой кислоты. Закрепление этих мицелл на поверх­ ности минералов должно подавлять флотацию. Такой механизм воздействия жидкого стекла хорошо согласуется с тем, что этот регулятор способен депрессировать в известных условиях самые разнообразные по составу минералы и сравнительно легко десорби­ руется при одном лишь разбавлении раствора или в результате обыкновенной промывки минерала водой. Подтверждением этого является также увеличение депрессирующего действия жидкого стекла с повышением его модуля (при повышении модуля увеличи­ вается содержание кремневой кислоты) [106].

Вместе с тем следует учитывать и действия силикатных ионов жидкого стекла, а также ионов Н + и О Н " , которые являются потенциалопределяющими по отношению к кварцу и силикатным минералам.

Во всем этом следует искать объяснения причин избирательности депрессирующего действия жидкого стекла на различные минералы, проявляющегося при сравнительно небольших расходах этого реа­ гента.

Специфическое депрессирующее действие электролитов, имеющих в своем составе ионы, одноименные с ионами минерала

Особенностью сернистого натрия как депрессора сульфидов является то, что в его состав входят анионы, одноименные с анио­ нами депрессируемого минерала ( S 2 - ) . Являясь потенциале проявля­ ющими и одноименными, эти ионы закрепляются на поверхности сульфида, изменяя ее заряд и снижая закрепление собирателя. Введение с электролитом ионов, одноименных минералу (например, анионы серы при флотации сульфидов, сульфат-ионов при флотации барита BaS0 4 ), будет приводить к интенсивному закреплению этих ионов в кристаллической решетке барита. Эти анионы будут закре­ пляться на барите путем достраивания его решетки, причем теми

168

катионами на поверхности минерала, которые наименее насыщены и, следовательно, являлись бы при присутствии собирателя наиболее вероятными местами его закрепления. Так как эти места теперь уже заняты анионами электролита, введение собирателя не вызывает флотации, т. е. наблюдается депрессия.._Чем ниже растворимость минерала, тем активнее на нем будут закрепляться одноименные ионы (в частности, анионы) и тем сильнее будет их депрессирующее действие на минерал. Экспериментально установлено [27] депрес­ сирующее действие сульфатов натрия и калия и серной кислоты на флотацию барита, целестина и англезита, т. е. минералов, содер­ жащих сульфат-ионы. Вместе с тем такие электролиты, как соляная и азотная кислоты, хлораты и нитраты щелочных металлов и др., не содержащие сульфат-ионов, не депрессируют указанных выше минералов.

О р г а н и ч е с к и е п о д а в и т е л и

Использование в качестве реагентов-подавителей высокомолеку­ лярных органических веществ известно давно (с 30-х годов), когда были испытаны для этой цели крахмал, декстрин, квебрахо, жела­ тина и др. Однако практическое применение реагентов этого типа началось лишь после второй мировой войны.

Такие реагенты представляются весьма перспективными. Они обладают весьма своеобразным избирательным действием на флота­ цию отдельных минералов. Развитие производства полимеров соз­

иДР-).

2.Анионные — полимеры, содержащие анионные полярные

3.Катионные — полимеры, содержащие катионные полярные группы — N H 2 , = N H и т. п. (поливиниламин, хитозан, сополимеры винилпиридина и др.).

4.Амфотерные — полимеры, содержащие анионные и катион­

ные полярные группы (гидролизованный полиакриламид, казеин и другие белки).

Реагенты 3-й и 4-й групп могут содержать также и неионогенные полярные группы.

Взаимодействие органических подавителей с поверхностью мине­ ралов различно у реагентов отдельных групп.

Неионогенные реагенты закрепляются на минералах своими полярными группами (чаще всего гидроксильными) с помощью довольно прочных связей. Здесь главную роль играют, по-види­ мому, водородная связь между водородом гидроксила и атомами

169

кислорода, азота, серы или фтора, находящимися на поверхности минерала. Хотя энергия водородной связи в 3—20 раз меньше энер­ гии химической связи, огромное количество гидроксильных групп может привести к устойчивому закреплению молекул реагента на минерале. Это косвенно подтверждается плохой десорбцией реагента с минерала при отмывке горячей водой. Схема закрепления крах­ мала на кварце показана на рис. 47.

Анионные подавители обладают полярными группами, вступа­ ющими в химическую связь с поверхностью многих минералов. Поэтому эти реагенты закрепляются на минералах не только водо­ родными связями, но и химическим взаимодействием карбоксильных

ОН Н СН2ОН

Поверхность кварца

Рис. 47. Схема закрепления крахмала на кварце

групп и сульфогрупп с катионами, находящимися на поверхности минералов. Такие реагенты закрепляются очень прочно (рис. 48). Химическая связь подтверждена с помощью инфракрасной спектро­ скопии [248]. Кроме того, не исключено, что на закрепление этих реагентов влияют и электростатические силы. Об этом косвенно свидетельствует уменьшение сорбции реагента с повышением зна­ чения рН среды [106].

Катионные подавители весьма слабо связываются с поверх­ ностью минералов. Часть катионных подавителей легко удаляется при отмывке водой. Однако слои реагента, непосредственно приле­ гающие к поверхности, закрепляются на ней устойчиво. Следова­ тельно, здесь действуют не только электростатические силы и водородные связи, но имеет место и химическая связь.

Амфотерные подавители закрепляются на минералах, по-види­ мому, так же, как и катионные.

Депрессирующее действие органических реагентов в принципе связано с комплексом явлений: десорбцией собирателя с поверх-

170

ности минералов, препятствием закрепления собирателя на мине­ рале и гидрофилизацией поверхности депрессором. Во многих слу­ чаях эти процессы протекают одновременно. Но роль их для отдель- * ньгх типов, реагентов различна.

Опыты показали, что почти все органические полимеры практи­ чески не вытесняют с поверхности минералов сорбированные на них собиратели анионного и катионного типа. Но закрепившиеся предварительно на минералах полимеры препятствуют последующей

сн2 он

\ /

>////У/> *е/77777777/'

Рис. 48. Схема закрепления карбоксиметилцеллюлозы на гематите

сорбции собирателя. Такое действие для некоторых собирателей замет­ нее при повышении щелочности среды, когда образуются мицеллы собирателя, диффузия которых к поверхности минерала между молекулами полимера затруднена. Однако катионные полимеры, не вытесняющие с поверхности анионные собиратели, оказывают такое действие на катионные собиратели.

Водорастворимые полимеры весьма гидрофильны. Размеры их молекул значительно превышают размеры углеводородных радика­ лов собирателей. Поэтому сорбция органических полимеров на поверхности сильно ее гидрофилизирует даже тогда, когда на поверх­ ности находятся молекулы собирателя. Именно гидрофилизация поверхности является основой их подавляющего флотацию дей­ ствия.

171

§ 4 Действие регуляторов, изменяющих щелочность среды

Флотацию в настоящее время проводят в щелочной среде, благо­ приятствующей взаимодействию с минералами ряда собирателей, которые более устойчивы в этих условиях. Некоторые собиратели

Щелочные регуляторы (в частности, известь) применяют для предотвращения отрицательного действия растворимых солей при флотации, которые появляются в пульпе в результате взаимодейст­ вия отдельных минералов руды с водой, кислородом и реагентами или присутствуют в готовом виде в руде. Особенно не желательно для флотации присутствие в пульпе катионов тяжелых металлов. Последние в щелочной среде переходят в осадок, благодаря чему в значительной степени парализуется их отрицательное влияние на ход флотационного процесса.

Щелочность пульпы зависит не только от состава и количества

172

Влияние водородных и гидроксильных ионов на флотацию может быть прослежено в нескольких направлениях [106, 248]. Ионы Н + и О Н " , адсорбируясь на минерале, влияют на устойчивость гидратпых слоев и, следовательно, могут лзменять гидратированность поверхности минерала. Адсорбция ионов Н + и ОН" может проис­ ходить как в отсутствии, так и в присутствии собирателя, поскольку собиратель и эти ионы могут закрепляться на разных участках поверхности минерала. Ввиду этого изменение концентрации водо­ родных ионов может привести иногда к увеличению количества закрепленного собирателя без одновременного улучшения флотацион­ ных показателей или даже при их некотором ухудшении.

Если учесть, что гидрофобность поверхности минерала, опреде­ ляющая его флотируемость, представляет суммарный эффект гидро-

Закрепление ионов водорода или гидроксила во внутренней или внешней обкладках двойного электрического слоя будет изменять электрическое состояние поверхности минерала и тем самым влиять на закрепление ионов собирателя в диффузионном слое или непо­ средственно на поверхности.

Для таких минералов, как кварц, силикаты, гидроокислы, ионы Н + и ОН" являются потенциалопределяющими, а их адсорбция весьма интенсивна, что объясняет высокую чувствительность ука­ занных минералов к изменению щелочности пульпы и значи­ тельную зависимость результатов их флотации от изменения рН пульпы.

Известь, являющаяся дешевым реагентом, наиболее широко используется как регулятор щелочности пульпы и депрессор пирита. Известь применяется в виде специально приготовляемого известко­ вого молока, представляющего суспензию частиц Са(ОН)2 в его водном насыщенном растворе [в 1 л воды при температуре 20° С растворяется 1,26 г Са(ОН)2 ]. Расход извести на обогатительных фабриках в среднем составляет 1,5—2 кг/т. Аэрация пульпы усили­ вает депрессию пирита известью.

§ 5. Пептизирующее действие регуляторов

Некоторые регуляторы используются при флотации для пептизации шламов — для ослабления их отрицательного влияния на ре­ зультаты флотации. В пептизированном состоянии шламы не флоти­ руют и меньше влияют нафлотацию частиц обычных для флотации размеров. Пептизирующим действием обладают электролиты, причем для эффективной пептизации необходимо, чтобы один из ионов элект- ролита-пептизатора был бы потенциалопределяющим по отношению к пептизируемому веществу.

173

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ПУЗЫРЬКОВ ВОЗДУХА ПРИ ФЛОТАЦИИ

Г л а в а I

ОБРАЗОВАНИЕ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПУЗЫРЬКОВ

Прилипание частиц минералов к пузырькам воздуха является основным актом процесса пенной флотации. Поэтому прилипание одной из частиц к пузырьку называют элементарным актом флота­ ции. Операции измельчения руды, обработки ее реагентами, пере­ мешивания пульпы во флотационных машинах создают наиболее благоприятные условия для избирательного, быстрого и прочного прилипания частиц определенных минералов к пузырькам воздуха.

Минерализация пузырьков при флотации осуществляется двумя основными путями: при столкновении частиц с пузырьками в пульпе и при образовании на их поверхности пузырьков газов, выделя­ ющихся из раствора. Эти процессы могут быть исследованы термоди­ намическим и кинетическим методами. С помощью первого метода можно установить принципиальную возможность минерализации пузырьков. Второй метод позволяет выяснить механизм и кинетику этого процесса, т. е. установить его физическую сущность и ско­ рость. Оба метода исследования имеют свои особенности и должны применяться совместно. Второй метод является в практическом отно­ шении более ценным, чем первый.

§ 1. Термодинамический анализ возможности прилипания

частицы минерала к пузырьку воздуха

При флотации система из менее устойчивого состояния (разобщен­ ные пузырьки и подготовленные к флотации частицы) переходит в более устойчивое (агрегат минерал — пузырек). Принципиальная возможность-осуществления такого процесса может быть устано­ влена на основании второго закона термодинамики. Согласно этому закону, всякий процесс или реакция могут протекать самопроиз­ вольно только в направлении, соответствующем уменьшению свобод­ ной энергии данной системы. Свободной энергией называется та часть внутренней энергии системы, которая может быть превра­ щена в работу при постоянных температуре и объеме. Связанная же часть внутренней энергии (характеризуемая энтропией) не может

175

быть превращена в работу. Если процесс приводит к возрастанию свободной энергии системы, то дЛя его осуществления необходимо затратить работу, источник которой находится вне данной системы.

При определении термодинамическим методом возможности дан­ ного процесса рассчитывается свободная энергия системы до и после его осуществления.

При анализе возможности образования комплекса минерал — пузырек учитываемой свободной энергией системы является поверх­ ностная энергия на поверхностях раздела: твердое — газ (т — г), твердое — жидкость (т — ж) и жидкость — газ (ж — г). Количество свободной энергии определяется в этом случае суммой произве­ дений поверхностных энергий на соответствующие площади

поверхностей раздела.

Термодинамический анализ возможности прилипания частицы минерала к пузырьку при их столкновении

Основное уравнение, харак­ теризующее возможность само­ произвольного прилипания ча­ стицы минерала к пузырьку, выводится следующим образом.

Запас свободной энергии системы до прилипания частицы к пузырьку (рис. 50, а)

Этим соотношением нельзя пользоваться для расчетов, поскольку поверхностные энергии твердых тел пока не могут быть измерены.

176