книги из ГПНТБ / Глембоцкий В.А. Флотация учебник

Т а б л и ц а 16

Иаменение минерализации пены при отстаивании

ния. Этому процессу (синерезису) способствует давление в пене, возникающее вследствие непрерывного поступления в нее снизу массы пузырьков, а также дав­ ление вышележащих слоев пены.

Вследствие стекания воды прежде всего утончаются водные прослойки верхних слоев пены. В нижних же слоях прослойки значительное время «подпитываются» стекающей сверху водой и утончаются значительно позже. Поэтому, как правило, разруше­ ние пены начинается с ее верх­ них слоев.

2. Вода прослоек испаряется. Особенно заметное количество воды испаряется с поверхности пены в окружающую ее атмосферу. Внутри пузырьков пены быстро создается насыщение паром воды, и дальнейшее испарение внутри пузырьков прекращается.

3. После известного утончения прослоек пены значительную роль начинает играть всасывание жид­ кости в треугольники Гиббса

(рис. 64), возникающие вследствие различной кривизны отдельных участков пузырьков пены. Капиллярное давление Р, «оттягивающее» пленку внутрь пузырька, определяется уравнением

г) 2сгж_г

т. е. обратно пропорционально радиусу кривизны поверхности пузырька г. Поэтому давление в участках прослоек воды, ограни­ ченных менее изогнутыми поверхностями, меньше, чем в участках

207

с большей кривизной ограничивающих поверхностей: Рг > Р 2 . В результате в прослойках пены возникают токи воды в направле­ нии к утолщенным участкам и происходит всасывание в них воды.

4. Во флотационных машинах на пену оказывают также механи­ ческое воздействие потоки пульпы и пеносниматели. Бурление пуль­ пы под пеной и волнообразные колебания пульпы вызывают взаимо­ перемещение пузырьков пены, способствуя стенанию воды и дефор­ мации прослоек в пене. Такое же влияние оказывает горизонтальное перемещение пены, особенно гребками, на далекое расстояние. Следовательно, имеется много факторов, способствующих снижению устойчивости флотационной пены, ее разрушению.

Важные факторы, повышающие устойчивость пены:

молекулы реагентов-пенообразователей, адсорбируясь на поверх­ ности пузырьков (рис. 65, а), повышают устойчивость последних; при трехфазной пене к поверхности пузырьков прилипают час­ тицы флотируемых минералов. Эти частицы механически препятст­ вуют сближению пузырьков и чрезмерному утончению разделяющих их водных прослоек (рис. 65, б). Опыты подтверждают, что мине­ ральные частицы, достаточно прочно удерживающиеся в пене, очень

сильно повышают ее устойчивость.

Стабилизирующее влияние сфлотированных частиц тем сильнее,

цами, а также частицами плоской формы, поскольку такие частицы полнее покрывают поверхность пузырьков.

Последние исследования показывают, что если в пульпе в резуль­ тате взаимодействия собирателей с катионами металлов образуются субмикроскопические гидрофобные взвеси, то устойчивость пены снижается (по А. К. Лившицу и С. В. Дуденкову).

208

Это объясняется тем, что тончайшие частицы, налипая на поверх­ ность пузырьков, уменьшают ее гидратированность. Кроме того, будучи очень небольшими, эти частицы не могут препятствовать механическим путем утончению прослоек до критических размеров.

В результате устойчивость прослоек воды понижается и пена легче разрушается.

§ 4. Влияние реагентов на устойчивость флотационной пены

Реагенты влияют на устойчивость флотационной пены, изменяя:

по поверхности пузырьков пены в более простом случае достигается применением одного реагента-пенообразователя и оптимизацией его концентрации (расхода).

Все реагенты-стабилизаторы водных прослоек, по П. А. Ребиндеру, можно разделить на три основные группы:

1)растворимые в воде вещества, образующие истинные (молеку- лярно-дисперсные) растворы. К этим реагентам относятся низшие спирты, скипидары и т. д.;

2)поверхностно-активные вещества, образующие в воде коллоид­ ные или полуколлоидные растворы. Концентрируясь в адсорбцион­ ном слое, эти вещества образуют твердообразные структуры-студни (сапонин и т. п.);

3)аполярные вещества, практически не растворимые в воде (керосин и т. п.).

Все эти реагенты повышают устойчивость пен, однако в избыточ­

ных количествах они действуют различно. Если реагенты второй группы даже при больших расходах оказывают стабилизирующее действие на пену, то реагенты первой группы при больших расходах резко уменьшают устойчивость пены. Такое понижение устойчивости пены реагентами первой группы объясняется тем, что избыточная концентрация гетерополярных молекул уже не повышает, а, наобо­ рот, снижает гидратированность поверхности пузырьков. В этом случае образуется второй адсорбционный слой молекул вспенивателей, полярные группы которых сцепляются с полярными группами первого слоя молекул, а гидрофобные радикалы обращены в воду.

Если к пене, образованной реагентами-пенообразователями пер­ вой группы, добавить реагент третьей группы (например, керосин), то устойчивость пены значительно снизится. Керосин при достаточно больших расходах полностью уничтожает пену, полученную при помощи реагентов первой группы. Такое действие нерастворимых реагентов-масел объясняется тем, что они, адсорбируясь на внутрен­ ней поверхности пузырьков, образуют на ней слой и как бы вытес­ няют из него гетерополярные молекулы пенообразователя внутрь водной прослойки.

Действие реагентов на устойчивость флотационной пены во мно­ гом зависит от того, как они изменяют прочность прикрепления минеральных частиц к пузырькам. Реагенты, увеличивающие эту прочность, тем самым повышают устойчивость пены. Реагентыподавители, снижающие прочность прилипания сфлотированных зерен к пузырькам, способствуют удалению этих зерен из пены и тем самым уменьшению ее устойчивости.

§ 5. Вторичное обогащение концентратов в пенном слое

Содержание флотируемого минерала по высоте пенного слоя обычно изменяется весьма значительно. При хорошо отрегулиро­ ванном процессе верхние слои пены содержат меньшее количество частиц пустой породы, чем ниж­

ние (рис. 66).

Причиной этого является вы­ падение частиц пустой породы из пены. Менее прочно прикреплен­ ные к пузырькам (или находя­

щиеся внутри водных прослоек, Нижняя границаразделяющих пузырьки) частицы пенного слая пустой породы увлекаются вниз

стекающими потоками воды и вы­ водятся из пены. Таким образом

верхние слои пенного слоя содер­ Содержание флотируемогожанаиболеминера/iaчистый концентрат.

Опыты показывают, что если сни­ мать только верхнюю часть пены, то содержание флотируемого ма­ териала в концентрате будет мак­ симальным.

Однако на практике вторичное обогащение концентрата в пенном слое бывает большим не всегда. Часто в средней зоне пенного слоя концентрируются зерна пустой породы или вторичное обога­ щение концентрата в пене бывает очень небольшим. Для улучшения вторичной концентрации требуется создание следующих специаль­ ных условий:

1. Необходимо поддерживать оптимальную толщину пенного

ные условия для увеличения скорости нисходящего движения частиц пустой породы в пене. Для этого придают пене некоторую эластичность, с тем чтобы между пузырьками свободно проходили частицы пустой породы, т. е. чтобы в местах сопряжения пузырьков оставались свободные каналы для стекания воды с частицами пустой породы. Кроме того, необходимо строгой регулировкой реагентного режима добиться менее прочного прилипания частиц пустой породы к пузырькам пены, т. е. максимальной гидрофилизации их поверх­ ности.

210

Нисходящее движение в пене частиц пустой породы можно уси­ лить равномерным, осторожным орошением поверхности пены водой, благодаря чему увеличивается количество воды, стекающей между пузырьками пены [107]. Особенно эффективен этот прием тогда, когда к воде, используемой для орошения, добавляется реагентподавитель, облегчающий отделение от пузырьков пены прилип­ ших к ним частиц пустой породы. Однако в практике флотации ороше­ ние пены пока применяют редко.

Для получения более богатого концентрата (например, в перечистных операциях флотации) часто при помощи пеносъемника сни­ мают верхние слои пены. При этом получаются богатые хвосты. В тех операциях флотации, из которых выходят отвальные хвосты (последние камеры машин основной или контрольной флотации}, стремятся снять всю пену, в том числе и нижние ее слои с концентри­ рующимися в них крупными зернами полезного минерала. В этом

После удаления из флотационной камеры пена должна быть раз­ рушена.

Однако не всегда удается подобрать такой реагентный режим, который обеспечивал бы одновременно высокую эффективность фло­ тации и получение легкоразрушающейся пены. Устойчивость пены чрезмерно возрастает благодаря присутствию в пульпе тонких шламов. Поэтому часто прибегают к специальным механическим и физико-химическим приемам разрушения пены в желобах флотацион­ ных машин.

Основным механическим приемом разрушения пены является применение сильной струи воды. При этом во избежание чрезмер­ ного обводнения пенных продуктов расход воды должен быть мини­ мальным. На некоторых обогатительных фабриках применяют не­ сложные механические приспособления, при помощи которых непре­ рывно изменяется направление струи воды, рассекающей пену в раз­ ных направлениях. Желоба, в которые поступает пена, должны быть достаточно широкими и глубокими. Иногда пену пропускают через сгустительные воронки или через сетчатые центрифуги.

В последнее время обнадеживающие результаты получены при воздействии на пену ультразвуковых и звуковых колебаний.

Физико-химические способы разрушения пен заключаются в добавлении к ним различных реагентов (кислоты, пенообразователей первой группы и др.)

РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ

ФЛОТАЦИОННЫЕ МАШИНЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Г л а в а I

ФЛОТАЦИОННЫЕ МАШИНЫ

Аппараты, в которых осуществляется флотация, называются флотационными машинами. Они призваны аэрировать пульпу, обеспечивать избирательную минерализацию пузырьков частицами с более гидрофобной поверхностью, выстаивание и удаление минера­ лизованной пены.

§ 1. Процессы аэрации пульпы во флотационных машинах

Процесс аэрации пульпы состоит из отдельных стадий: разделения вводимого во флотационную машину воздуха на пузырьки, коалесценции части этих пузырьков, движения пузырьков в пульпе.

Воздух, вводимый тем или иным способом в пульпу, дробится на пузырьки различными способами: механическим воздействием пульпы на струю воздуха, пропусканием струи воздуха сквозь мелкие отверстия, а также выделением из пульпы растворенных

вней газов.

Впрактике чаще используется образование пузырьков механи­ ческим воздействием среды, при этом всегда имеет место определен­ ное выделение воздуха из раствора. Пропускание воздуха сквозь поры применяется в последнее время чаще в связи с появлением новых конструкций машин (колонной, пенной сепарации).

Струя воздуха, перемещаясь в воде, вызывает значительное вих­ ревое движение. Под действием водяных вихрей струя воздуха неиз­ бежно распадается на отдельные пузырьки. Сплошная струя воз­ духа может устойчиво существовать в воде только на весьма огра­ ниченном расстоянии.

Распадение струи воздуха на отдельные пузырьки происходит тем скорее и размеры получаемых при этом пузырьков тем меньше, чем больше разность скоростей относительного перемещения воз­ духа и воды, а также чем меньше поверхностное натяжение на гра­ нице их раздела [102].

212

В последнее время привлекла внимание возможность использо­ вания для диспергирования воздуха мелкомасштабных пульсаций, происходящих в пристенном слое жидкости. Такая турбулизация потока зависит от его скорости и от смачиваемости твердой поверх­ ности: чем она гидрофобнее, тем при меньших скоростях возникает турбулизация поверхностного слоя жидкости.

Для практического осуществления этого принципа сконструиро­ ван аэратор, представляющий собой вращающийся полый усечен­ ный конус, расположенный основанием вверх. Внутрь конуса воз­ духодувкой подается воздух, который перемещается вверх по наруж­ ной поверхности конуса и диспергируется в слое воды, граничащем с его поверхностью. Первые промышленные испытания этого аэра­ тора дали весьма положительные результаты [139].

Относительно крупные пузырьки обычно неустойчивы. Они

к захвату вихрями небольших объемов воздуха, т. е. к образованию мелких его пузырьков. Это явление наиболее ярко выражено в кор­

на множество мельчайших пузырьков. Это будет происходить только в случае, когда общая поверхность полученных мелких пузырьков будет меньше поверхности начального сильно деформированного пузырька.

Чем мельче пузырьки, тем труднее они деформируются и дро­ бятся. Поэтому для получения пузырьков определенных размеров, пригодных для флотации, пульпу надо энергично перемешивать с созданием в ней множества мелких вихревых потоков. Для полу­ чения мелких пузырьков необходимо также хотя бы немного пони­ зить поверхностное натяжение воды, что достигается при флотации добавлением реагентов-пенообразователей.

Таким образом, получение мелких пузырьков воздуха механиче­ ским воздействием пульпы на более крупные пузырьки осущест­ вляется после деформации последних вихревыми потоками пульпы. Этот процесс усиливается при добавлении реагентов-пенообразова­ телей.

Выделение газов из раствора усиливается насыщением газами пульп при перемешивании с воздухом в шаровых мельницах, при перекачке насосами и перемешивании в контактных чанах. Допол­ нительно воздух растворяется в пульпе уже во флотационных маши­ нах, где под механическим воздействием среды создается масса воз­ душных пузырьков. Большая суммарная поверхность пузырьков делает растворение воздуха в этом случае весьма существенным. Повышение давления в пульпе также приводит к увеличению рас­ творимости газов воздуха.

Воздух выделяется из раствора вследствие понижения давления в пульпе, главными причинами которого являются [102]:

213

В машинах специальных конструкций, в которых флотация осуще­ ствляется только воздухом, выделяющимся из раствора, понижение давления достигается созданием вакуума над поверхностью пульпы. Соотношение отдельных причин выделения воздуха из раствора зави­ сит от конструктивных особенностей машины.

Во всех случаях образование пузырьков вследствие выделения воздуха из раствора значительно улучшается при добавлении реа­ гентов-пенообразователей.

Пузырьки выделяются из раствора на поверхности более гидро­ фобных минеральных частиц, на поверхности стенок и деталей фло­ тационных машин. Таким образом, большинство пузырьков, выде­ лившихся из раствора, имеют на своей поверхности прилипшие достаточно гидрофобные минеральные частички. Однако к получен­ ным таким путем пузырькам прилипают и другие гидрофобные частицы, сталкивающиеся с ними, увеличивая тем самым минераль­ ную нагрузку пузырьков.

Таким образом, аэрация пульпы вследствие выделения газов из раствора усиливается при увеличении интенсивности перемешивания пульпы, вертикальной ее циркуляции и при добавлении реагентовпенообразователей.

Пропуская воздух сквозь мелкие отверстия в каких-либо перегородках (из тканей, перфорированной резины и т. п.) можно подобрать условия, позволяющие получить мелкие пузырьки. Для этого необходимы: оптимальная скорость истечения воздуха и доста­ точно большое расстояние между отверстиями.

Если скорость истечения воздуха через отверстия будет выше определенной критической величины, то над отверстиями образуется сплошной воздушный факел, который затем распадается на отдель­ ные пузырьки вследствие механического воздействия среды. При чрезмерном сближении отверстий выходящие из смежных отверстий пузырьки, соприкасаясь друг с другом, сливаются.

Зависимость размеров пузырьков от величины отверстия может быть определена из условия равновесия между подъемной силой пузырька и силой сопротивления его отрыву от аэратора [102].

Понижение поверхностного натяжения на разделе вода — воздух уменьшает размеры пузырьков, отрывающихся от аэраторов. При применении перегородок с массой отверстий разного размера доба­ вляют поверхностно-активные вещества, благодаря которым умень­ шается слияние пузырьков, а также воздух легче проходит через более мелкие поры, что в свою очередь уменьшает размеры пузырь­ ков. Поэтому добавление реагентов-пенообразователей приводит

214

к резкому уменьшению размеров пузырьков воздуха, получаемых при продувании его сквозь мелкие отверстия [106].

Во флотируемой пульпе наблюдается очень часто слияние пузырь­ ков воздуха. Выше было рассмотрено влияние этого процесса на мине­ рализацию пузырьков и разрушение пены. Но слияние пузырьков оказывает также большое влияние и на крупность пузырьков в пуль­ пе. При интенсивном слиянии мелких пузырьков значительно ухуд­ шается аэрация пульпы и, следовательно, процесс флотации.

Основным способом предотвращения слияния пузырьков в нульпе

Всплывание массы пузырьков во флотируемой пульпе происходит в сложных условиях ее вихревого движения и вертикальной цирку­ ляции, что пока не позволяет дать полный теоретический анализ этого процесса. В настоящее время относительно ясно установлены закономерности всплывания одиночных пузырьков в спокойной жидкости. Эти закономерности значительно отличаются от законо­ мерностей падения твердых тел, так как очертания пузырьков не имеют правильной и постоянной формы, а объем их также несколько изменяется в соответствии с изменением давления в пульпе.

Зависимость скорости всплывания одиночных пузырьков в воде от их размеров изображена на рис. 67.

Наблюдения показывают, что пузырьки крупнее 1—2 мм всплы­ вают в спокойной воде по спирали, причем шаг этой спирали увели­ чивается при возрастании размера пузырьков.

При необходимости расчета скорости всплывания в воде одиноч­ ных пузырьков разного размера можно пользоваться формулами, приведенными в литературе [106].

Реагенты-пенообразователи заметно уменьшают скорость всплы­ вания пузырьков в воде не только в результате их более тонкого диспергирования. Даже при строгом постоянстве объемов пузырьков

215

добавление пенообразователей значительно снижает скорость их всплывания.

Средняя скорость прохождения вверх массы пузырьков в пульпе во флотационных машинах может быть определена эксперимен­ тально и рассчитана по уравнению

С повышением плотности пульпы возрастает ее вязкость, что замедляет всплывание пузырьков.

Увеличение скорости всплывания пузырьков в слишком плотной пульпе вызывается тем, что в этих условиях воздух очень плохо диспергируется и поднимается в виде крупных пузырей.

На всплывание минерализованных пузырьков значительное влия­ ние оказывает минеральная нагрузка. Иногда при большой минера­ лизации поверхности мелкого пузырька последний не только не всплывает, а, наоборот, тонет. Реже в лабораторной машине с про­ зрачными стенками можно наблюдать уравновешивание минераль­ ными частицами подъемной силы пузырьков. При этом пузырьки плавают в пульпе на одном уровне.

По высоте камеры машин механического типа скорость всплыва­ ния пузырьков изменяется следующим образом. В нижней зоне благодаря максимальной дисперсности пузырьков, большей плот­ ности пульпы и интенсивному вихревому ее движению средняя ско­ рость перемещения пузырьков вверх минимальна. С уменьшением глубины вихревое движение пульпы ослабляется, размер пузырьков увеличивается (вследствие уменьшения гидростатического давления) и скорость перемещения пузырьков вверх возрастает. В подпенном слое ввиду большого скопления пузырьков скорость их всплывания снова замедляется.

Аэрированность пульпы характеризуется размерами пузырьков воздуха, их количеством и равномерностью распределения в пуль­ пе [102].

216