Вспомогательные процессы. Лабораторный практикум

ческий потенциал, а броуновское движение сближает и заставляет частицы слипаться;

• сернокислых солей алюминия или железа, которые, гидролизуясь, образуют коллоидные частицы гидроксида металла, имеющие противоположный знак заряда. Это способствует нейтрализации заряда на поверхности частиц и их слипанию.

Для коагуляции требуется обеспечить необходимую концентрацию коагулянта, при которой двойной электрический слой не препятствовал бы агрегированию частиц при их столкновении. Минимальную концентрацию электролита, при которой начинается коагуляция, называют порогом коагуляции. Порог коагуляции зависит от валентности коагулирующего иона. Коагулирующая способность иона тем больше, чем выше его валентность. Так, для одно-, двух- и трехвалентных катионов характерно следующее соотношение коагулирующих способностей: 1:20:350. Эту закономерность называют правилом значности.

В первом приближении процесс агрегирования можно рассматривать состоящим из двух стадий: соударение частиц и их закрепление, причем не каждое соударение приводит к закреплению частиц. Вероятность соударения частиц зависит от плотности пульпы и гидродинамического режима ее перемешивания. Вероятность закрепления частиц зависит от величины и соотношения поверхностных сил притяжения и ионно-электростатических сил отталкивания. Сближению частиц до расстояний, на которых преобладают силы притяжения, препятствуют образующиеся на поверхности частиц сольватные оболочки из молекул жидкой фазы.

Различают три типа межмолекулярного взаимодействия: ориентационное, индукционное и дисперсионное. Ориентационное взаимодействие наблюдается при сближении полярных молекул, которые ориентируются относительно друг друга противоположно заряженными концами диполей. Чем более полярны молекулы, тем прочнее связь между ними. Индукционное взаимодействие проявляется между полярной и неполярной молекулами, причем полярная деформирует электронное облако у неполярной. В результате у неполярной молекулы возникает временный электрический дипольный момент и обе молекулы взаимодействуют как диполи. Дисперсионное взаимодействие проявляется между двумя неполярными молекулами. Это взаимодействие тем сильнее, чем легче поляризуются молекулы и чем меньше расстояние между ними.

21

Энергия взаимодействия зависит от формы и размеров частиц твердого тела. Силы прилипания мелких частиц к крупным гораздо больше, чем к мелким, поэтому агрегирование грубодисперсной системы протекает гораздо эффективнее, чем тонкодисперсной.

Ионно-электростатические силы отталкивания между частицами связаны с образованием на их поверхности одноименного заряда, который появляется вследствие возникновения двойного электрического слоя на границе твердое-жидкое. Механизм его образования связан со следующими факторами: наличием дефектов кристаллической решетки, преимущественной адсорбцией катионов или анионов из раствора, преимущественным переходом в раствор катиона или аниона кристаллической решетки минерала, направленной ориентацией диполей молекул в пограничном слое, образованием полимерных связей. Силы отталкивания возникают при перекрытии диффузных частей двойных электрических слоев частиц твердой фазы.

Коагуляция может быть связана и с физическими факторами: механическим воздействием, нагреванием или охлаждением, разбавлением или повышением содержания твердого, влиянием видимого и ультрафиолетового света, радиоактивного излучения, электрического разряда, и ультразвука, а также при увеличении длительности хранения дисперсной системы.

В качестве коагулянтов-электролитов на обогатительных фабриках широко применяют железный купорос, хлорное железо, хлористый кальций, щелочи, кислоты и алюмокалиевые квасцы; наибольшее распространение получили известь и серная кислота, как наиболее доступные и экономичные реагенты.

Коагулянты, как правило, дозируют в пульпу в виде водных растворов, причем необходимое количество реагента пересчитывают исходя из расхода коагулянта, выраженного в граммах реагента на 1 т полезного ископаемого (г/т). Расход коагулянтов составляет от нескольких сотен граммов до килограммов на тонну полезного ископаемого.

3.3. Оборудование и материалы

Для выполнения работы необходимы:

1.Пробы руды, минералов флотационной крупности или продукты флотации.

2.Растворы коагулянтов 5%-ной концентрации (сернокислое железо, хлористый кальций, алюмокалиевые квасцы, растворы щелочей, кислот и др.).

22

3.Вода водопроводная.

4.Мерные цилиндры объемом 500 мл.

5.Мерные колбы и стаканчики для приготовления рабочих растворов коагулянтов.

6.Секундомер.

7.Весы технические электронные.

8.Кружка керамическая.

9.Клеенка, шпатель, кисточка.

3.4.Порядок выполнения работы

1.Получить тонкозернистую пробу руды массой 1 кг, усреднить ее

иметодом квадратования отобрать 20 проб массой 20 г каждая.

2.По заданию преподавателя выбрать четыре коагулянта для выполнения лабораторной работы и приготовить четыре рабочих раствора. Рассчитать необходимое количество рабочего раствора коагулянта для создания требуемой его концентрации:

где m – масса навески руды, г; q – расход коагулянта, г/т; C – концентрация раствора, %; V – объем раствора, мл.

3.Поместить каждую пробу в пять отдельных цилиндров и постепенно налить в цилиндры воду исходя из соотношения Т:Ж = 1:10.

4.Взять рабочий раствор 1-го коагулянта и добавить разное его количество (мл) в разные цилиндры так, чтобы концентрация коагулянта возрастала от 1-го цилиндра к 4-му. В пятый цилиндр коагулянт не добавляют.

5.Перемешать пульпу в каждом цилиндре и поставить их на ровную хорошо освещенную поверхность.

6.Одновременно проводят наблюдения за скоростью изменения границы раздела осветленный слой – осадок в нескольких цилиндрах

иза чистотой слива. Высоту осветленного слоя измеряют через возрастающие промежутки времени и заносят в таблицу 3.1.

7.В конце каждого опыта измеряют высоту пульпы, высоту осадка

идиаметр цилиндра.

8.Повторить пункты 3–7 с остальными коагулянтами.

23

3.5.Результаты опытов

1.Результаты опытов для каждого опыта записывают в табли-

цу 3.1.

Таблица 3.1

Результаты работы

Руда: ___________

Плотность твердого: _____ г/см3 d = _______ мм

Т:Ж = _______

Название коагулянта: _______

драH. п – высота пульпы в цилиндре; D – внутренний диаметр цилин-

2. Используя формулы из лабораторной работы 2, рассчитать скорость осаждения, разжижение и плотность осадка для каждого коагулянта при разных концентрациях, а также для опыта без добавления коагулянта. Результаты расчетов занести в табл. 3.2.

24

Таблица 3.2

Влияние типа и расхода (концентрации) коагулянта на скорость осаждения минеральных суспензий и разжижение конечного осадка

4.На основании полученных данных и выполненных расчетов построить кривые осаждения для каждого коагулянта при разных концентрациях, а также графические зависимости влияния концентрации (расхода) коагулянтов на скорость осаждения, разжижение осадка и время осаждения суспензии.

5.Сделать выводы о влиянии типа и расхода (концентрации) коагулянта на скорость осаждения, плотность осадка. Отметить, какой коагулянт и при каком расходе оказался более эффективным.

3.6. Требования к содержанию отчета

Отчет о выполнении лабораторной работы должен содержать

1.Название работы.

2.Цель работы.

3.Теоретическое введение.

4.Описание оборудования, материалов и реагентов.

5.Порядок выполнения работы.

6.Результаты (расчеты, таблицы, графики).

7.Выводы.

25

Контрольные вопросы

1.Какова цель сгущения минеральных суспензий?

2.Какие методы существуют для интенсификации процесса сгущения?

3.Приведите примеры реагентов–коагулянтов.

4.Под действием каких сил происходит процесс коагуляции?

5.Что называют порогом коагуляции?

6.Как заряд иона влияет на коагулирующее действие электролита?

7.Назовите типы межмолекулярного взаимодействия?

8.Опишите структуру двойного электрического слоя.

9.Что понимают под электрокинетическим потенциалом и какое влияние он оказывает на агрегирование суспензий?

10.Как влияет сольватация на процесс агрегирования частиц?

11.Какие реагенты используют в качестве коагулянтов?

26

Лабораторная работа 4

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ФЛОКУЛЯНТОВ НА СКОРОСТЬ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ ПУЛЬПЫ

4.1. Цель работы

Изучить методику применения флокулянтов для интенсификации процессов сгущения суспензий полезных ископаемых.

Изучить влияние типа и расхода флокулянтов на скорость осаждения суспензий, разжижение и плотность осадка.

4.2.Теоретическое введение

Взависимости от состояния пульпы твердые частицы оседают раздельно и в соединении с другими, образуя агрегаты (хлопья). Осаждение агрегатов происходит более интенсивно, поэтому при сгущении для ускорения процесса осаждения частиц в исходную пульпу подают флокулянты.

Флокуляция является процессом агрегирования суспензий. Выделяют два вида флокуляции – гидрофобную и мостиковую.

Гидрофобная флокуляция частиц твердой фазы происходит в результате гидрофобизации поверхности частиц за счет адсорбции собирателя на их поверхности. При этом наблюдается уменьшение сил взаимодействия между частицами твердой фазы и водой и появляется притяжение между частицами, в результате чего образуются агрегаты (флокулы), скорость осаждения которых значительно выше скорости осаждения частиц. Флокулы, образующиеся при гидрофобной флокуляции, прочнее агрегатов, образующихся при коагуляции, и сохраняют свою прочность даже при перемешивании пульпы.

Мостиковая флокуляция происходит при дозировани в пульпу высокомолекулярных полимеров. Молекулы высокомолекулярных флокулянтов имеют цепочечное строение, разветвленную структуру. Механизм их флокулирующего действия связан с закреплением функциональных групп молекул полимеров на нескольких частицах твердой фазы и образованием так называемых мостиков из этих молекул между частицами. Образующиеся при этом хлопьеобразные флокулы

27

обладают меньшей прочностью и разрушаются при интенсивном перемешивании, транспортировке пульпы.

Наиболее известными реагентами-флокулянтами являются синтетические высокомолекулярные вещества на основе полиакриламида (ПАА) (рис. 4.1). Молекулярная масса ПАА составляет ~106…107.

Рис. 4.1. Структурная формула полиакриламида

Технологическая эффективность флокулянтов зависит от их физи- ко-химических свойств, растворимости в воде, степени диссоциации функциональных групп, ионной активности и ионногенности, а также от молекулярной массы, плотности, вязкости растворов и др.

На обогатительные фабрики флокулянты поступают, как правило, в сухом состоянии в виде порошка или гранул. В технологические процессы флокулянты подаются в виде 0,1…0,2%-ных водных растворов; расход в среднем составляет 50…100 г/т. Растворение проводится в строгом соответствии с инструкцией производителя.

В лабораторных условиях при проведении исследований растворение осуществляют в две стадии: сначала приготавливают концентрированный 0,25…0,5%-ный раствор. Большие концентрации не рекомендуются в виду высокой вязкости растворов. Затем концентрированный раствор разбавляют до концентрации 0,05…0,1%. Получаемый так называемый рабочий раствор непосредственно используется для интенсификации процессов осветления и сгущения суспензий. Флокулянты растворяют в чистой воде (в лабораториях – дистиллированной), желательно подогретой до 25 °С. В качестве устройства для растворения могут быть использованы емкости с пропеллерным или импеллерным перемешивающими устройствами при окружной скорости вращения 3…10 м/с. В процессе растворения следует избегать образования комочков, поэтому гранулят или порошок засыпают в емкость для растворения постепенно, малыми порциями для обеспечения полного смачивания растворяемых частиц. При растворении

28

в одну стадию сразу приготавливается рабочий раствор концентрацией 0,05…0,1%. Срок его хранения не более суток, концентрированный раствор может использоваться от 7 до 30 сут. Для подачи растворов флокулянтов в процесс используются специальные дозаторы и смесители, в которые подается флокулянт и происходит обработка пульпы.

Эффективность действия флокулянтов в лабораторных условиях оценивается по чистоте слива, скорости осаждения и плотности осадка.

4.3. Оборудование и материалы

Для выполнения работы необходимы:

1.Пробы руды, минералов флотационной крупности или продукты флотации.

2.Растворы флокулянтов (собиратели, анионные, катионные и неионогенные полимерные флокулянты).

3.Вода водопроводная.

4.Мерные цилиндры объемом 500 мл.

5.Мерные колбы и стаканчики для приготовления рабочих растворов флокулянтов.

6.Секундомер.

7.Весы технические электронные.

8.Кружка керамическая.

9.Клеенка, шпатель, кисточка.

4.4.Порядок выполнения работы

1.Получить тонкозернистую пробу руды массой 1 кг, усреднить ее

иметодом квадратования отобрать 20 проб массой 20 г каждая.

2.По заданию преподавателя выбрать четыре флокулянта для выполнения лабораторной работы и приготовить четыре рабочих раствора. Рассчитать необходимый объем рабочего раствора флокулянта для создания требуемого расхода [см. формулу (3.1), лабораторная работа 3].

3.Поместить каждую пробу в пять отдельных цилиндров и постепенно налить в цилиндры воду исходя из соотношения Т:Ж = 1:10.

4.Взять рабочий раствор 1-го флокулянта и добавить разное его количество (мл) в разные цилиндры так, чтобы концентрация флоку-

лянта возрастала от 1-го цилиндра к 4-му. В пятый цилиндр флокулянт не добавляют.

29

5.Перемешать пульпу в каждом цилиндре и поставить их на ровную хорошо освещенную поверхность.

6.Одновременно проводят наблюдения за скоростью изменения границы раздела осветленный слой – осадок в нескольких цилиндрах

иза чистотой слива. Высоту осветленного слоя измеряют через возрастающие промежутки времени и заносят в табл. 4.1.

7.В конце каждого опыта измеряют высоту пульпы, высоту осадка

идиаметр цилиндра.

8.Повторить пункты 4.3–4.7 с остальными флокулянтами.

4.5.Результаты опытов

1.Результаты опытов для каждого опыта записывают в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Результаты работы

Руда: ___________

Плотность твердого: _____ г/см3 d = _______ мм

Т:Ж = _______

Название флокулянта: _______

Hп – высота пульпы в цилиндре; D – внутренний диаметр цилиндра.

30