Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические методы исследования флотационных систем. Жидкая фаза. Граница раздела фаз твердое–жидкость. Учебное пособие
.pdf
4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ
R
ИНДУКЦИИ В УСЛОВИЯХ ФЛОТАЦИИ
В процессе пенной флотации происходят многочисленные столкновения минеральных зерен с пузырьками воздуха и селективное закрепление минералов на пузырьках. Для закрепления минерального
зерна на пузырьке воздуха требуется некоторое минимальное время
контакта (единицы и десятки миллисекунд) минерального зерна с пузырьком воздуха, называемое временем индукции. Время индукции
является важной характеристикой способности
После столкновения минерала с пузырьком воздуха его закрепление происходит в области действия поверхностных сил и зависит от
устойчивости водной прослойки между пузырьком воздуха и зерном
минерала. Выделяют следующие механизмы уменьшения толщины
водной прослойки: испарение воды из прослойки в объем пузырька;
мгновенный распад гидратной прослойки на несколько
ление воды из прослойки вследствие градиента давлений, возникающего под действием поверхностных сил. В более узком смысле под
временем индукции понимают время уменьшения толщины гидратной прослойки до значений, при которых образуется трехфазный периметр смачивания твердое–жидкость–газ.
Время контакта, необходимое для закрепления минерала на пузырьке, зависит
не только от поверхностных сил, но и от гидродинамических
условий в камере флотационной машины. Выделяют следующие механизмы соударения (контакта) минеральных зерен с пузырьком воздуха:
инерционное и безынерционное, а участвующие в этих механизмах зерна называют инерционными или безынерционными.
Под инерционными (крупными) понимают зерна минералов, движущиеся под действием инерционных
траектории движения относительно линий тока жидкости. Безынер-
ционными (мелкими) называют зерна, которые могут сходить с линий тока жидкости, например под действием сил ближнего гидродинамического взаимодействия, вызванных турбулентностью, или поверхностных сил. Для определения механизма соударения используют критерий Стокса:
2
2( )
Stk ,
мп
9
R
п
U
минералов к флотации.
капель; уда-
сил и имеющие собственные
(4.1)
41
где Rм и Rп – радиус зерна минерала и пузырька воздуха;
ρ и Δ – плотность минерала и среды; U
– скорость всплытия
п
пузырька воздуха; μ – динамическая вязкость среды.
Если Stk < 1, то механизм соударения считается инерционным, а
зерно инерционным, а если Stk > 1, то имеет место безынерционное
столкновение. При этом каждый механизм соударения зерна с пузырьком воздуха характеризуется своим временем контакта.
Время контакта за счет инерционного столкновения минеральных
зерен с пузырьками воздуха характерно
для минеральных зерен высокой плотности и крупности, движущихся с высокими скоростями
движения в пульпе, обычно в зоне импеллера флотационной машины. В этом случае минеральные зерна и пузырьки движутся по прямолинейным траекториям навстречу друг другу, а столкновение приводит к локальной деформации поверхности пузырька и отскоку зерна от
нее, что может повторяться многократно до момента закрепле-
ния зерна (рис. 4.1).
1 3 2 1
R
U
п
R
п
м
Рис. 4.1. Схема столкновения зерен минералов с пузырьком воздуха:
1 – линии тока жидкости; 2 – траектория движения инерционного зерна
минерала;
3 – траектория движения безынерционного зерна минерала
Для зерна минерала справедливо следующее: если время его контакта с пузырьком воздуха больше времени индукции, то произойдет
его закрепление на пузырьке, в противном случае закрепления не
происходит.
42
Следует отметить, что в научной литературе часто время контак-
та, время закрепления минерала на пузырьке воздуха приравнивают
ко времени индукции и эти понятия используются как синонимы.
Однако время закрепления минерального зерна на пузырьке воздуха
(t
) может быть представлено в следующем виде:
з
t
– время индукции – время, требующееся для уменьшения тол-
где t
и
= tи + tр + t
з
, (4.2)
ТПС
щины водной прослойки (пленки) между частицей и пузырьком
до критического значения; t
– время, требующееся для разрыва
р
пленки жидкости и образования точечного трехфазного периметра смачивания; t
– время, требующееся для образования ста-
ТПС
бильного периметра смачивания.
В условиях флотации t
меньше t
и
и t
, поэтому tр обычно не учитывают при оценке и мо-
ТПС
составляет порядка 1 мс, что значительно
р
делировании времени закрепления.
Время контакта частицы с пузырьком воздуха в камере флотационной машины t
Однако некоторые авторы считают, что именно t
сопоставимо с tи и t
к
и составляет порядка 100 мс.
ТПС
определяет ки-
ТПС
нетику закрепления частицы на пузырьке воздуха.
Таким образом, можно считать, что закрепление минерального
зерна на пузырьке воздуха возможно, если выполняется условие
t
– время контакта частицы с пузырьком воздуха.
где t
к
≤ tк, (4.3)
з
Время контакта частицы с пузырьком воздуха должно быть больше или равно времени, требующееся для образования комплекса зерно минерала–пузырек воздуха.
Если крупность зерен минералов значительно меньше крупности
пузырьков воздуха, то связь между флотационным извлечением минералов ε и временем их прикрепления к
пузырьку воздуха можно
записать в виде упрощенного уравнения К. Сазерленда:
где R
п
C
п
( ) 1 exp 3 sech ,
tRCRtUt
ппм з
и Rм – радиус пузырька и зерна минерала;
и U – концентрация пузырьков в пульпе и скорость их всплытия;
2
4
3
U
R
п
(4.4)
t – время флотации.
43
В случае инерционного механизма столкновения зерна минерала с
R
пузырьком воздуха время индукции может быть оценено с использованием формулы
2
3
R
пл м
где h
и Rпл – критическая толщина гидратной пленки и ее радиус;
к
t
и
2
mh
(4.5)
,
2
к
μ – вязкость жидкости; m – фактор мобильности (равный 1 или
4 для случаев немобильной или мобильной поверхности пузырька воздуха); σ – поверхностное натяжение.
Критическая толщина гидратной пленки в формуле (4.5) может
быть рассчитана по формуле Шульца:
RRUt
(656,9 87,4 ln )[ ]
R
пл
ммсбc
180
0,62
(4.6)
,
где U
– скорость сближения зерна минерала с пузырьком воздуха;
сб
– время контакта зеран минерала с пузырьком в результате
t
c
столкновения.
Время закрепления минеральных зерен на пузырьках воздуха связано с кинетикой их флотации. На время закрепления влияют различные факторы: pH и окислительно-восстановительный потенциал
жидкой фазы флотационной пульпы, тип и концентрация флотационных реагентов, крупность, форма и состояние поверхности зерен
минералов
и др. Хорошо известен факт снижения времени закрепления минеральных зерен к пузырькам воздуха на несколько порядков
при дозировании собирателя во флотационную пульпу.
Например, изменение pH может кардинально влиять на условия
закрепления минералов на пузырьках воздуха и флотируемость. В
табл. 4.1 приведены результаты исследований влияния pH на время
закрепления зерен кварца к пузырькам воздуха
Влияние pH на время закрепления и флотационное извлечение
зерен кварца в 1·10
pH
4,5 30 –30 10 22
9,8 –40 –50 125 0
–4
М растворе полиоксиэтиленметилового эфира
Дзета-потенциал, мВ
Пузырек Зерно кварца
.
t
, мс ε, %
з
Таблица 4.1
44
Из табл. 4.1 следует, что при pH 4,5 пузырек воздуха и зерна
кварца имеют разноименные заряды, о чем свидетельствуют значения их дзета-потенциалов (30 и –30 мВ соответственно). В этих условиях время закрепления зерна кварца составило 10 мс при флотационном извлечении кварца 22 %. Повышение щелочности (pH 9,8) привело к изменению знака и величины заряда пузырька воздуха
и заряда
кварца, что проявилось в увеличении времени закрепления в 12,5 раз
и прекращении флотации кварца (ε = 0 %).
Влияние формы, крупности и краевого угла смачивания на время
закрепления некоторых минералов приведено в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Влияние формы, крупности и краевого угла смачивания минералов
на время закрепления пузырька
Минерал Форма зерна
Стеклянные
шарики
Кварц Шероховатый 160 98 5,5
Галенит Остроконечная
Сера Гладкая
Сферическая 250 Дихлордиметилсилан 74
прямоугольная
Шероховатая
Крупность
зерна, мкм
160 – 7
Гексиловый
160 Эмульгированный
Обработка θ, градус tз, мс
102
80±8 2
ксантогенат калия
70
парафин
95±0,5 8 5
30
12
Для практических целей важным является выявление граничных
условий, при которых происходит закрепление зерна минерала на
пузырьке воздуха или, наоборот, прекращение этого закрепления при
депрессии. Это позволяет определить максимальную селективность
флотации разделяемых минералов.
Определение времени индукции проводят следующими методами:
1. Подвешенный пузырек, приводимый в контакт с поверхностью
твердого тела или минеральной постелью.
2. Частица, падающая на неподвижный пузырек воздуха или пузырек воздуха, поднимающийся в жидкой среде и контактирующий с
наклонной поверхностью неподвижного твердого тела.
3. Косвенное определение времени индукции из флотационных
опытов (флотация одиночными пузырьками).
Среди аппаратов для измерения времени индукции широкое распространение получили контактные приборы «нулевого метода»
Свена-Нильсона, М.А
. Эйгелеса, В.А. Глембоцкого.
В «нулевом методе» к поверхности шлифа минерала, помещенного в кювету с водой заданного pH подводят пузырек воздуха, закреп-
45
ленный на держателе, и визуально оценивают факт закрепления пу-
ж
ж
ж
зырька на минерале. Если закрепление пузырька не происходит, то в
кювету добавляют раствор собирателя, повышая его концентрацию
до тех пор, пока не произойдет закрепление пузырька. После этого
меняют pH или тип собирателя.
В контактном приборе Свена-Нильсона (рис. 4.2, а) держатель пу-
зырька воздуха
подводится сверху к горизонтальной шлифованной
поверхности минерала, находящегося в кювете с раствором. Пузырек
приближается к поверхности минерала в результате притяжения якоря к сердечникам катушек при пропускании электрического тока в
системе и удаляется, когда ток прерывается.
В контактном приборе В.А. Глембоцкого (рис. 4.2, б) вместо шлифа
минерала используются узкие классы
крупности, размещенные на дне
кюветы. Достоинством прибора является возможность измерения времени индукции минералов флотационной крупности и оценки влияния
крупности минералов и пузырьков воздуха на время индукции. Недостаток прибора – частичное вымывание минеральной постели потоком
жидкости, возникающим перед опускающимся вниз пузырьком.
В отличие от прибора В.А. Глембоцкого в контактном приборе
М.А. Эйгелеса (рис. 4.2, в) неподвижным является пузырек воздуха,
закрепленный на держателе, а подвижной кювета, на дне которой
находится минеральная постель. Кювета заполняется раствором и
поднимается вверх к пузырьку воздуха на заданное время, после чего
опускается в исходное положение. Это позволяет измерить время,
значительно меньшее времени индукции по сравнению с
контактным
прибором Свена-Нильсона. Недостаток прибора – некоторая инерционность подвижной части.
г
минерал
г
г
Рис. 4.2. Принципиальные схемы измерения
времени индукции в контактных приборах:
а – Свена-Нильсона; б – В.А. Глембоцкого; в – М.А. Эйгелеса
Результаты измерений могут быть представлены в табличном,
графическом или аналитическом виде. Пример графического пред-
46
ставления результатов измерений времени закрепления зерен на пузырьке воздуха в контактных приборах Свена-Нильсона и Глембоцкого (рис. 4.3).
а б
Рис. 4.3. Результаты определения времени закрепления
в контактных приборах Свена-Нильсона (
а) и Глембоцкого (б)
Количество успешных закреплений n пузырька воздуха крупностью 2,5 мм на поверхности пирита (предварительно гидрофобизированного в растворе ксантогената) в чистой дистиллированной воде
в зависимости от времени контакта в приборе Свена-Нильсона показано на рис. 4.3 а; время закрепления составило t
= (290 ± 10) мс.
з
На рис. 4.3, б приведена зависимость частоты закрепления угольных
частиц на пузырьке воздуха от времени его контакта с минеральной постелью угольных частиц в контактном приборе Глембоцкого. За время
закрепления частиц на пузырьке воздуха принимали время контакта, соответствующее случаю успешного закрепления в пяти из десяти опытов.
Влияние концентрации собирателя
на время закрепления зерен
кварца и их флотационное извлечение показано на рис. 4.4.
Современные аппараты для измерения времени индукции имеют
разные конструкции. В качестве примера рассмотрим контактный
прибор КП-1 (рис. 4.5).
Контактный прибор КП-1 позволяет оценить способность минеральных частиц закрепляться на воздушном пузырьке в зависимости
от крупности минеральных частиц, состояния поверхности, наличия
шламов, дисперсности воздушных пузырьков, состава жидкой фазы,
вида и расхода флотационных реагентов, длительности и режима обработки частиц реагентами.
47
Извлечение, %
Время закреплления, мс
Концентрация, моль/л
Рис. 4.4. Влияние концентрации собирателя
(додецилсульфат пиридиния хлорид) на время закрепления
и флотационное извлечение зерен кварца в 0,001 М растворе NaCl (pH 6,5)
Рис. 4.5. Контактный прибор КП-1: а – устройство; б – минеральные
частицы, закрепившиеся на пузырьке воздуха;
микроскоп;
5 – программно-регистрирующее устройство; 6 – пузырек воздуха;
7 – минеральная постель; 8 – закрепившиеся минеральные зерна
2 – капилляр; 3 – кювета; 4 – исполнительный механизм;
1 – стереоскопический
Пробу измельченных минералов, например –0,1+0,074, –0,074+0,044,
–0,044+0 мм массой 0,5…2 г помещают в мерный стаканчик, залива-
ют дистиллированной водой или раствором исследуемого флотационного реагента и перемешивают в течение заданного времени. По
окончании перемешивания жидкую фазу декантируют, а пробу минерала переносят в кювету контактного прибора КП-1 и доливают
48
дистиллированную воду до риски. При помощи микрошприца выдувают пузырек воздуха через капилляр, погруженный в кювету прибора, измеряя диаметр пузырька воздуха. Опускают пузырек к «постели» из мономинеральной фракции на определенное расстояние.
Расстояние до пузырька должно быть таким, чтобы при подъемеопускании кюветы происходил контакт минеральных частиц с пузырьком
и не наблюдался его отрыв от капилляра. Проводят измерение времени индукции, оценивая факт закрепления минеральных
частиц на пузырьке воздуха с помощью микроскопа. По результатам
эксперимента строят зависимости и делают выводы о влиянии условий взаимодействия минеральной навески с жидкой фазой (тип и
концентрация реагента, pH и др.) на величину времени
индукции.
49
5. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСОГО
(ДЗЕТА) ПОТЕНЦИАЛА
При контакте минерала с водным раствором между ними возникает разность электрических потенциалов из-за несимметричного распределения зарядов на границе раздела фаз твердое–жидкость Результатом такого взаимодействия является изменение электрического состояния поверхности раздела фаз твердое–жидкость и образование двойного электрического слоя (ДЭС).
Рис. 5.1. Схема двойного электрического слоя
Двойной электрический слой включает внутреннюю обкладку (A),
состоящую из ионов, расположенных непосредственно на поверхности минерала, прочно с ней связанных и относительно упорядоченных. При движении раствора относительно минерального зерна они
сохраняются на поверхности минерала. Внутренней обкладке противостоит слой противоионов, составляющий внешнюю обкладку ДЭС
(B + C, рис. 5.1). Внешняя обкладка ДЭС носит диффузионный
характер с постепенно убывающей концентрацией ионов (C). При движении минерала относительно жидкой фазы вместе с ней увлекается
слой B (слой Штерна), а слой C (слой Гюи) отстает. Разность потенциалов на границе слоя C называют электрокинетическим потенциалом (дзета-потенциалом), а разность зарядов по краям всей внешней обкладки ДЭС – электрохимическим потенциалом или
полным
потенциалом.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]