Технология подготовки сырья для неорганических производств. Учебное пособие

флотационные машины). В процессе флотации гидрофобный компонент образует с пузырьками воздуха минерализованную пену, отделяемую от жидкой фазы, в которой остаются гидрофильные компоненты. Результат флотации зависит от различия в гидрофобности (гидрофильности) компонентов обогащаемого сырья. Поэтому в том случае, если полезный компонент и пустая порода близки по смачиваемости, в систему вводят специальные реагенты, относящиеся к группе поверхностно-активных веществ, которые увеличивают гидрофобность полезного компонента (коллекторы или собиратели). Их природа зависит от состава конкретного флотируемого сырья. Для создания устойчивой пены и улучшения разделения компонентов флотируемого сырья в систему помимо коллекторов вводят другие флотореагенты: активаторы, подавители, пенообразователи и регуляторы рН среды.

Флотореагенты - химические вещества (чаще всего применяют ПАВ), которые добавляют при флотации в пульпу для создания условий селективного (избирательного) разделения минералов. Флотореагенты позволяют регулировать взаимодействие минеральных частиц и газовых пузырьков, химические реакции и физико-химические процессы в жидкой фазе, на границах раздела фаз и в пенном слое путем гидрофобизации поверхности одних и гидратации поверхности др. твердых частиц. По назначению различают три группы флотореагентов: собиратели, пенообразователи и модификаторы. По химическому составу флотореагенты бывают органическими (преимущественно собиратели и пенообразователи) и неорганическими (в основные модификаторы), те и другие могут быть неионогенными, мало или практически нерастворимыми в воде, и ионогенными, хорошо растворимыми в ней веществами.

51

6.2.3. Собиратели (коллекторы)

Роль этих реагентов заключается в селективной гидрофобизации (понижении смачиваемости) поверхности некоторых минеральных частиц и возникновении тем самым условий для прилипания к ним газовых пузырьков. Гидрофобизация достигается вытеснением гидратной пленки с поверхности частиц. Закрепление на ней может быть обусловлено ван-дер-ваальсовыми силами (физическая адсорбция) либо образованием химической связи (хемосорбция). По структурным признакам собиратели подразделяют на анионные, катионные, амфотерные и неионогенные. Молекулы анионных и катионных реагентов содержат неполярные (углеводородные) и полярные (амино-, карбоксиили др.) группы. Последние обращены к минералу, сорбируются на поверхности частиц и гидрофобизируют ее, а неполярные группы обращены в воду, отталкивают ее молекулы и предотвращают гидратацию поверхности частиц.

К анионным собирателям относятся соединение, которые содержат сульфгидрильную (меркапто-) или гидроксильную группы, а также их производные - так называемые сульфгидрильные и оксгидрильные реагенты. Сульфгидрильные реагенты предназначены для флотации минералов сульфидных руд Cu, Pb, Zn, Ag, Au, Co, Ni, Fe и включают ксантогенаты (изопропил-, пентил- и этилпроизводные), дитиофосфаты (дикрезил- и диэтилпроизводные), меркаптаны и их производные (диалкилтионокарбаматы). Оксгидрильные реагенты применяют для флотации карбонатов, оксидов, сульфатов, фосфатов, фторидов и некоторых др. минералов. К этим реагентам относятся: алифатические (карбоновые) кислоты, моноалкилсульфаты, сульфосукцинаты, алкан- и алкиларилсульфонаты, алкилгидроксамовые и алкиларилфосфоновые кислоты и их соли, алкилариловые эфиры фосфорных кислот и их соли, сульфированные алкилмоноглицериды.

52

Катионные собиратели, среди которых наиболее распространены алифатические первичные амины, а также вторичные амины (в керосине), соли четвертичных аммониевых оснований и аминоэфиры с короткой разветвленной цепью используют для флотации калийных солей (главным образом KCl при отделении его от NaCl), кварца, силикатов, сульфидов и т. д.

Амфотерные собиратели имеют в своем составе амино- и карбоксильную группы, благодаря чему сохраняют активность как в кислой, так и в щелочной средах. Данные коллекторы особенно эффективны для флотации минералов класса оксидов в воде повышенной жесткости.

Неионогенные собиратели представлены неполярными соединениями - углеводородными жидкостями преимущественно нефтяного происхождения (газойли, дизельные масла, керосин и т. д.), а также жирами и др. В виде водных эмульсий они служат для флотации алмазов, графита, калийных солей, молибденита, самородной серы, талька, углей, фосфатов и др. минералов с неполярной поверхностью. Совместное применение полярных коллекторов с неполярными, а также диспергирование, например с помощью ультразвука, эмульсий последних (что усиливает адгезионное закрепление их на поверхности минералов за счет физических адсорбции) существенно улучшает флотацию крупных частиц; при этом наряду с адгезией флотация сопровождается также и химическими реакциями.

6.2.4. Пенообразователи (вспениватели)

Пенообразователи (вспениватели), адсорбируясь на поверхности раздела газ - жидкость, понижают поверхностное натяжение, способствуют образованию устойчивой гидратной оболочки пузырьков воздуха, уменьшают их крупность и препятствуют коалесценции, умеренно стабилизируют минерализованную пену. В качестве вспенивателей используют одноатомные алифатические спирты (например, метилизобутилкарбинол), гомологи фенола (крезолы и ксиленолы), технический

53

продукты (пихтовое и сосновое масла), содержащие терпеновые спирты, монометиловые и монобутиловые эфиры полипропиленгликолей, полиалкоксиалканы (например, 1,1,1,3- тетраэтоксибутан) и др. Пенообразующими свойствами обладают некоторые собиратели (амины, карбоновые кислоты).

6.2.5. Модификаторы (регуляторы)

Они позволяют усилить, ослабить или исключить адсорбцию собирателей на минералах. Благодаря регуляторам уменьшается расход собирателей, достигаются разделение минералов с близкой плотностью, обогащение руд сложного состава с получением несколько концентратов. Модификаторы, улучшающие закрепление собирателей на поверхности определенных минералов и ускоряющие флотацию, называют активаторами. Регуляторы, затрудняющие закрепление коллекторов, называют подавителями, или депрессорами.

Для минералов класса оксидов потенциалопределяющими являются ионы H+ и ОН-; их концентрации изменяются путем подачи кислот, щелочей и соды. Для сульфидов потенциалопределяющими служат катионы металлов и анионы HS- и S2-. Поэтому распространенным активатором при флотации сульфидов сульфгидрильными собирателями является, например, Na2S. Жидкое стекло применяют как депрессор флотации силикатных материалов; известь и цианиды подавляют флотацию пирита, сульфидов Cu и Zn и т. д. Для снижения отрицательного воздействия на флотацию частиц микронных размеров (тонких шламов) используют разобщающие их реагенты-пептизаторы (диспергаторы). К ним относятся: неорганические (например, жидкое стекло) и органические (декстрин, карбоксиметилцеллюлоза, крахмал, лигносульфонаты и др.) соединения. Кроме упомянутых имеются также регуляторы рН среды.

54

В большинстве случаев флотореагенты обладают комплексным действием (которое зависит от природного состава поверхности минералов, рН среды, температуры пульпы и т. д.) и приведенная их классификация весьма условна.

Избирательность флотации регулируют наряду с иными факторами подбором реагентов, ассортимент которых достигает несколько сотен, и их расходом. При увеличении поверхности флотируемых минералов расход собирателей и активаторов возрастает. Расход пенообразователей немного увеличивается при повышенном содержании обрабатываемого минерала и грубом помоле руды. Расход депрессоров возрастает при повышенной флотируемости подавляемых минералов, высоких концентрациях собирателей в пульпе (например, при разделении коллективных концентратов), а также при использовании малоизбирательных коллекторов, содержащих в молекулах длинноцепочечные углеводородные радикалы (например, высшие жирные кислоты и мыла).

Флотируемые компоненты руды извлекаются не полностью при недостатке вспенивателей, а при их избытке ухудшается селективность флотации. Средние расходы флотореагентов невелики и обычно составляют от несколько г до несколько кг на 1 т руды.

6.2.6. Флотационные процессы и оборудование

Обогащение руд методом флотации производят на флотационных заводах, основное оборудование которых включает флотационные машины, контактные чаны и реагентные питатели.

Флотационные машины предназначены для проведения собственно флотации. В них осуществляют перемешивание твердых частиц (суспендирование пульпы) и поддержание их во взвешенном состоянии; аэрацию пульпы и диспергирование в ней

55

воздуха; селективную минерализацию пузырьков путем контакта с обработанными флотореагентами частицами; создание зоны пенного слоя; разделение пульпы и минерализованной пены; удаление и транспортировку продуктов обогащения. Впервые патент на флотационную машину выдан в 1860 г., первые промышленные образцы машин разработаны в 1910-14 гг. (США, T. Гувер и Д. Кэллоу).

Широкое использование флотации для обогащения полезных ископаемых привело к созданию разных конструкций машин. Каждая машина состоит из ряда последовательно расположенных камер с приемными и разгрузочными устройствами для пульпы; каждая камера снабжена аэрирующим и пеносъемным устройствами. Различают одно- и многокамерные флотационные машины. К однокамерным относятся флотационные колонны, в которых высота камер превышает их ширину более чем в 3 раза. Эти аппараты применяют при флотационном обогащении мономинеральных руд и флотационном отделении шламов.

Многокамерные машины позволяют реализовать сложные схемы обогащения полиминеральных руд с получением несколько концентратов.

По способам аэрации пульпы выделяют механические (рис. 21), пневмомеханические, пневмогидравлические и пневматические машины (рис. 22). В механических машинах взвешивание частиц руды (перемешивание пульпы), засасывание и диспергирование воздуха осуществляется аэратором, или импеллером. В отличие от этих устройств в пневмомеханические машины (схему камеры см. на рис. 22) воздух подается в зону импеллера принудительно с помощью воздуходувки. В пневмогидравлических машинах воздух диспергируется в аэраторах специальных конструкций (например, в эжекторах) при взаимодействии струй жидкости и воздуха. В пневматических машинах воздух диспергируется при продавливании через пористые перегородки.

56

пульпы, а также производительности импеллера. Средние показатели современных механических и пневмомеханических машин: производительность по потоку пульпы 0,2-130 м3/мин; вместимость камер от 12-40 м3 (в России) до 30-100 м3 (за рубежом). Применение большеобъемных камер позволяет на 20-30 % сократить капитальные затраты, металлоемкость машин, а также их энергоемкость (достигает 1,5-3,0 кВт/м3).

По сравнению с механическими и пневмомеханическими машинами пневмогидравлические флотационные машины отличаются большей скоростью, небольшими капитальными затратами, высокой производительностью, низкими металло- и энергоемкостью и т. д. Однако из-за отсутствия надежного в работе и долговечного аэрирующего устройства эти флотационные машины еще недостаточно широко применяют в практике обогащения полезных ископаемых.

Известны также мало распространенные пока машины: вакуумные и компрессионные (аэрация достигается выделением из пульпы растворенных газов); центробежные и со струйным аэрированием; электрофлотационные (аэрация пульпы пузырьками, выделяющимися при электролизе).

Для обработки пульпы флотореагентами предназначены контактные чаны (кондиционеры), в которые сначала подаются, как правило, модификаторы, затем собиратели и далее пенообразователи. Время контактирования пульпы с реагентами составляет от несколько секунд до десятков мин. Реагентный режим флотации определяется ассортиментом флотореагентов и порядком их ввода во флотационный процесс. Подача ингредиентов в систему в заданных количествах обеспечивается реагентными питателями, или дозаторами реагентов.

Флотационные процессы подразделяют на прямые и обратные. При прямой флотации в пенный продукт, называемый кон-

59

центратом, извлекают полезный минерал, в камерный продукт, называемый отходами или хвостами, - частицы пустой породы. Последние извлекают в пенный продукт при обратной флотации.

Различают также основную, перечистную и контрольную флотационные операции. Основная флотация дает так называемой черновой концентрат, из которого в результате перечистной флотации получают готовый концентрат. Камерный продукт основной флотации (несфлотированные частицы) подвергают одной или нескольким операциям контрольной флотации с получением отвального продукта (отходов).

Камеры флотационных машин соединяют в такой последовательности, которая позволяет осуществлять упомянутые операции, циркуляцию промежуточных продуктов и получать концентраты требуемого качества при заданном извлечении полезного компонента. Показатели флотации особенно для сульфидных руд цветных металлов достигают высокого уровня. Так, из медной руды, содержащей 1,5-1,7 % Cu, получают медный концентрат (35 % Cu) с извлечением 9 3 % Cu. Из медно-молибденовой руды, содержащей около 0,7 % Cu и 0,05-0,06 Mo, производят медный концентрат (25 % Cu) с извлечением 80 % Cu и молибденовый концентрат (свыше 50 % Mo) с извлечением свыше 70 % Mo. Из свинцово-цинковой руды, содержащей около 1 % Pb и 3 % Zn, получают свинцовый концентрат с содержанием свыше 70 % Pb (извлечение свыше 90 %) и цинковый концентрат с содержанием 59 % Zn (извлечение свыше 90 %) и т. д.

Важное значение для достаточного полного разделения минералов наряду с ионным составом жидкой фазы пульпы, составом растворенных в ней газов (особенно сильно влияние кислорода воздуха), ее температурой и плотностью, схемой и реагентным режимом флотации имеет степень измельчения сырья. Лучше всего обогащаются частицы крупностью 0,15-0,04 мм. Для разделения частиц мельче 40 мкм наиболее пригодны флотационные колонны, в которых исходная пульпа после смешения с флотореагентами поступает в среднюю или верхнюю часть (ниже

60