полезных ископаемых (а. gravity separation, gravity соncentration; н. Gravitationsaufbereitung; ф. соncentration gravimetrique, preparation gravimetrique; и. соncentracion gravimetrica) — разделение минералов по плотности в поле силы тяжести или центробежных сил для отделения пустой породы и получения концентрата.
При гравитационном обогащении используется сила земного притяжения (откуда и название метода); иногда дополнительно привлекают поля центробежных сил или электромагнитные — при магнитогидростатической и магнитогидродинамической сепарации. Наряду с различиями в плотности, в процессах гравитационного обогащения используют также различия в размерах и форме частиц, шероховатости их поверхности и в других физико-химических свойствах (смачиваемость водой, склонность к коагуляции и флокуляции).
Основные факторы разделения при гравитационном обогащении — динамические и статические воздействия сред (воздуха, воды, суспензий). Впервые теория гравитационного обогащения была предложена немецким учёным П. Риттингером (1867). Существенное развитие она получила в работах русских учёных Г. Я. Дорошенко (1876), С. Г. Войслава (1884), В. А. Гуськова (1908), а также Р. Ричардса (США, 1908), Й. Финкеи (Венгрия, 1920), советских исследователей Г. О. Чечотта (1924) и особенно П. В. Лященко (1940). Современная теория гравитационного обогащения создана в 60-х гг. советскими учёными Э. Э. Рафалес-Ламаркой, Н. Н. Виноградовым и др.
Гравитационное обогащение рассматривается как процесс установления равновесия и достижения минимума потенциальной энергии системой частиц, находящихся в поле сил тяжести в состоянии неустойчивого равновесия. Скорость гравитационного разделения оценивается по понижению центра тяжести взвеси, а его эффективность — по убыли потенциальной энергии смеси. В основе расчётов гравитационного обогащения лежит определение относительных скоростей перемещения частиц, отличающихся плотностью, размерами и формой в средах различной плотности и вязкости. Большинство формул для скорости свободного падения одиночных частиц v0 можно выразить как:
vo = kdn(d-D)m/D,
где k, n, m — переменные, экспериментально определяемые величины;
d — размер частиц;
d и D — плотность частицы и среды соответственно.
Для наиболее мелких частиц учитывается влияние вязкости среды m:
vo = kdn(d-D)m/m.
При достаточно большой разнице скоростей падения частиц происходит следующее их разделение: частицы большей плотности располагаются в придонной части, а меньшей — в верхних слоях. При таком подходе необходимо, чтобы частицы имели относительно близкие размеры (иначе крупные зёрна с малым dл будут падать с такой же скоростью, как и малые зёрна большой плотности dт). Параметры равнопадаемости зёрен учитываются коэффициентом равнопадаемости.
е = dлn/dтn = (dт-D)m/(dл-D)m.
Однако на практике часто происходит разделение частиц в различных гравитационных аппаратах главным образом по плотности, а не по размеру. Расхождение теории и практики в ряде случаев устраняется введением понятия т.н. стеснённого падения частиц, при котором частицы перемещаются группой. С достаточной точностью скорость стеснённого падения рассчитывается по формуле Лященко:
vcт = voml,
где m — коэффициент разрыхления;
l — показатель степени, зависящий от характеристик частиц и аппарата.
Однако в этом случае не учитываются закономерности взаимного сцепления частиц и среды.
Гравитационное обогащение осуществляется в воздушных и жидких (вода, органические жидкости, водные суспензии) средах.
Сухое (т.е. пневматическое) гравитационное обогащение не требует обезвоживания продуктов обогащения, что особенно важно для районов с суровым климатом. Применяется также при комбинированном гравитационном обогащении с сухой магнитной и электрической сепарацией.
Мокрое гравитационное обогащение по характеру взаимного движения обогащаемых частиц и сред, в которых происходит их разделение, подразделяют на следующие виды: в неподвижной или горизонтально перемещающейся среде, имеющей плотность, промежуточную по сравнению с разделяемыми частицами (обогащение в тяжёлых средах, магнитогидродинамическая и магнитогидростатическая сепарация); в тяжёлой среде, движущейся по круговой или винтовой траектории (тяжелосредные циклоны, центробежные сепараторы); в потоке, текущем по наклонной плоскости (желоба, шлюзы, конусные концентраторы); в потоке, текущем по нисходящей винтовой плоскости или жёлобу (винтовые сепараторы и винтовые шлюзы).
Гравитационное обогащение производится по схемам, предусматривающим предварительную подготовку материала, его первичное (грубое) обогащение и заключительную доводку (рис. 1).
Наиболее характерный подготовительный процесс — промывка дроблёных руд или дезинтегрированных песков или эфелей россыпных месторождений. При промывке удаляются шламы (менее 0,1 мм для руд и 0,5-2 мм для углей и лёгких минералов), которые затрудняют гравитационное обогащение вследствие увеличения вязкости сред и загрязнения всех продуктов обогащения. Внедряется предварительное усреднение руд, особенно на крупных фабриках. Для большинства руд редких металлов используются схемы с предварительной классификацией материала по крупности на грохотах и камерных классификаторах.
Для первичного обогащения крупных фракций полезных ископаемых (250-300 мм) широко применяются обогащение в тяжёлых средах и отсадка, для средних по крупности — винтовые сепараторы, а для мелких фракций (2-0,1 мм) — конусные концентраторы, шлюзы и желоба различных типов. Концентрационные столы используются в основном для заключительных операций доводки черновых концентратов до кондиционного содержания в сочетании с другими методами обогащения (главным образом магнитными и электрическими). Выделенные в начале процесса шламы чаще всего обогащают флотацией, для тяжёлых минералов разрабатываются способы обогащения на вибрационных шлюзах.
Типовой схемой обогащения углей трудной и средней обогатимости является схема с использованием колёсных сепараторов и магнитной регенерации суспензий (рис. 2).
Существенной частью таких схем является предварительная отмывка шламов на вибрационных или дуговых грохотах и автоматизация регулировки плотности суспензии. Для средних и мелких классов углей применяют схемы гравитационного обогащения с использованием пневматических отсадочных машин, однако последние вытесняются сепарацией в тяжелосредных гидроциклонах.
Характерной для обогащения сульфидных руд тяжёлых цветных металлов является схема с конусным сепаратором в начале процесса (рис. 3) для выделения основной массы породных хвостов, а обогащение мелких классов флотацией является одновременно и регенерацией галенитовой суспензии.
Такие схемы с тяжёлыми суспензиями широко применяют также для обогащения нерудных строительных материалов, фосфоритов, руд чёрных металлов, редких и благородных металлов, алмазов (только в США — свыше 1 млрд. т в год полезных ископаемых), в особенности при большой производительности фабрик. Определённые перспективы имеет применение аэросуспензий (с получением сухих продуктов).
Схемы с предварительной дезинтеграцией и промывкой для удаления глин наиболее широко применяют при обогащении россыпей благородных и редких металлов, алмазов (рис. 4).
Первичное обогащение осуществляется на шлюзах, вашгердах с трафаретами, ленточных шлюзах с автоматическим сполоском (золото, платина и др.), конусных концентраторах (титан, цирконий), винтовых сепараторах и винтовых шлюзах (фосфатные пески). Для мелких фракций минералов (менее 0,1 мм, а для угля и лёгких минералов менее 2 мм) хорошо зарекомендовали себя мелкие многодечные вибрационные шлюзы с автоматическим сполоском (например, шлюзы Бартлес — Мозли), которые позволяют в 2-3 раза повысить извлечение тяжёлых минералов из мелких фракций (например, касситерита из хвостов молибденовой флотации фабрики "Клаймакс", США). Схемы с отсадкой применяются для материалов крупностью 0,1-50 мм (для угля и лёгких минералов 0,5-180 мм) и являются ведущим способом обогащения угля, марганцевых и железных руд. Основной недостаток гравитационного обогащения — низкое среднее извлечение полезных ископаемых в концентраты (80-85%).
Совершенствование гравитационного обогащения связано с созданием крупных единичных агрегатов (например, отсадочных машин), многоярусных концентрационных столов, конусных концентраторов и мелких шлюзов, а также с применением различных физических и физико-химических воздействий на обогащаемый материал и среду. Так, например, при отсадке используются гидравлически или пневматически создаваемые программируемые по форме (прямоугольные, зигзагообразные и др.), частоте и амплитуде пульсации. При этом облегчается автоматизация управления отсадкой. Вязкость тяжёлых сред снижается путём наложения вибраций, добавками реагентов-пептизаторов и др. При отмывке от шламов применяют сочетание пептизаторов и селективных флокулянтов для последующего выделения сфлокулированных минералов из общей массы шламов путём гидроциклонирования и других видов гидравлической классификации. Используют также реагенты-гидрофобизаторы и подачу воздуха (во флотогравитационных аппаратах, например для отделения сульфидов от других тяжёлых минералов). Для повышения комплексности использования сырья гравитационное обогащение комбинируют с другими методами обогащения; широко применяют гравитационно-флотационные, гравитационно-магнитные схемы (например, для лежалых отвальных продуктов и хвостов текущего обогащения оловянных, вольфрамовых руд).
Автоматизация процесса гравитационного обогащения проводится для поддержания в заданных пределах количества и плотности питания аппаратов, подачи воды или других сред, разгрузки продуктов. Качество продуктов и руды контролируется путём автоматизированного отбора проб и анализа их на рентгеноспектральных приборах. Применяется также непрерывный анализ непосредственно в потоке пульп, влажных и сухих продуктов.
Гравитационное обогащение — древнейший метод обогащения полезных ископаемых. В 14-15 вв. были созданы аппараты для гравитационного обогащения, явившиеся прототипом современных. Первое систематизированное описание методов гравитационного обогащения сделано Г. Агриколой (16 в.), одно из первых научных обоснований предложено М. В. Ломоносовым. В 19 — начале 20 веков гравитационное обогащение широко применялось практически для всех видов полезных ископаемых. Гравитационное обогащение — основной метод обогащения углей, сланцев, россыпей золота, касситерита, вольфрамита, рутила, ильменита, циркона, монацита, танталита, колумбита и др., а также один из равноценных методов обогащения руд чёрных металлов (Fe, Mn, Cr), редких металлов (пирохлоровых, литиевых, бериллиевых), а также фосфатов, алмазов и других неметаллических полезных ископаемых.
Гравитационными методами обогащается свыше 4 млрд. т в год, т.е. половина от общего количества обогащаемых полезных ископаемых, вследствие таких преимуществ метода, как дешевизна, простота аппаратуры, возможность разделения различными методами частиц широкого диапазона крупности (от 0,1-2 до 250-300 мм), сравнительная лёгкость очистки сбросных вод и осуществления замкнутого водоснабжения фабрик.
33. Флотационное обогащение (флотация) - это процесс обогащения полезных ископаемых, основанный на избирательном прилипании частиц минералов к поверхности раздела двух фаз; жидкость - газ; жидкость - жидкость и др. В зависимости от участ вующих в процессе фаз флотация может быть масляной, пенной, на гидрофобной твердой поверхности, на жировой поверхности.
Пенная флотация - это процесс, при котором гидрофобные частицы прилипают к вводимым в пульпу пузырькам воздуха или газа и поднимаются с ними кверху, образуя пену, а гидрофильные частицы остаются взвешенными в пульпе.
Пленочная флотация - это процесс, при котором гидрофобные частицы, попадая на поверхность движущегося потока воды, остаются на ней, образуя пленку, а гидрофильные частицы тонут.
Масляная флотация - это процесс, при котором гидрофобные частицы прилипают к каплям масла в пульпе и всплывают наверх, а гидрофильные частицы остаются взвешенными в пульпе.
Флотация твердой стенкой - это процесс флотации тонких шламов (-10 мкм) с помощью носителя - гидрофобных частиц флотационной крупности, селективно взаимодействующих с извлекаемыми шламами, при этом образующиеся агрегаты подвергаются обычной пенной флотации.
Ионная флотация - это процесс, предназначенный для извлечения из растворов ионов, образующих при взаимодействии с реагентами-собирателями тонкодисперсные гидрофобные осадки.
Вакуумная флотация - это разновидность процесса флотации с использованием газовых пузырьков, выделяющихся из растворов или суспензий в вакууме.
Электрофлотация - это процесс флотации минерального сырья пузырьками кислорода и водорода, образующимися при электролизе воды.
Флокулярная флотация - это процесс флотации, характеризующийся извлечением частиц в виде флокул, образованных в результате предварительной обработки частиц реагентами.
Пенная сепарация - это разновидность процесса флотации, при котором исходная гетерогенная смесь (суспензия) подается сверху на заранее подготовленный пенный слой без его разрушения.
Флотогравитация - это процесс обогащения минерального сырья, который заключается в сочетании флотационных и гравитационных методов обогащения и при котором смесь минералов, обработанная реагентами, подвергается гравитационному обогащению (на концентрационных столах, отсадочных машинах, суживающихся желобах).
Рис. 10.1 Принципиальная схема процесса флотации:
1 - корпус; 2 - блок перемешивания и аэрации; 3 -пеногон
Рис. 10.2. Схема образования минерализованного комплекса пузырек воздуха — минеральные частицы в пульпе:
1, 2— соответственно аполярная и полярная части молекулы собирателя и пенообразователя
В настоящее время наибольшее распространение получил процесс пенной флотации как наиболее универсальный метод обогащения практически всех типов полезных ископаемых.Флотационный процесс осуществляется в обогатительных аппаратах, называемых флотационными машинами, основными конструктивными элементами которых являются корпус 7, устройство перемешивания и аэрации 2, пеногон 3 (рис. 10.1).Флотация протекает в такой последовательности субпроцессов:
- во флотационную камеру подается пульпа, представляющая взвесь минеральных частиц в воде;
- с помощью вводимых в пульпу флотационных реагентов создаются условия для прилипания частиц одних минера, лов к пузырькам воздуха и, наоборот, предотвращается прилипание к пузырькам частиц других минералов;
- в пульпу подается диспергированный воздух и в ней образуется большое число мелких пузырьков, для стабилизации которых в пульпу подаются реагенты-пенообразователи;
- минеральные частицы сталкиваются с воздушными пузырьками и закрепляются на них, образуя минерализованный комплекс (рис. 10.2);
- минерализованные пузырьки всплывают на поверхность пульпы, образуя пенный слой, представляющий собой подвижную среду, состоящую из пузырьков газа, плотно прижатых друг к другу, с минеральной нагрузкой;
- минерализованная пена удаляется с поверхности пульпы специальными устройствами (пеногонами).
Обычно в пенный слой переходят полезные минералы, а минералы пустой породы остаются в пульпе. В результате получают два продукта: пенный и камерный. Общая эффективность флотации зависит от технологических свойств минерального сырья и эффективности каждого из составляющих субпроцессов.
34. Современное флотационное обогащение основано на применении флотационных реагентов (флотореагентов).Флотореагенты — химические соединения, способствующие избирательному прилипанию пузырьков воздуха к минеральным частицам и осуществлению флотации определенных компонентов. В зависимости от целевого назначения Флотореагенты делят на три класса — собиратели, пенообразователи, регуляторы. Результаты флотационного обогащения в значительной степени определяются реагентным режимом флотации — ассортиментом и способом применения реагентов; один и тот же результат флотации может быть получен при различных реагентных режимах. Реагентный режим флотации преимущественно определяется типом и характеристикой полезного ископаемого, степенью его измельчения и кондициями, предъявляемыми к продуктам обогащения. Простейший реагентный режим определяется дозировкой одного пенообразователя или реагента со смешанными функциями собирателя-пенообразователя. В современной практике флотации такие режимы редки. Обычно при флотации одновременно применяют несколько реагентов, действие которых взаимосвязано и зависит от концентрации каждого из них. Превышение сверх необходимого расхода реагента одного класса требует повышения расхода реагентов других классов и может привести к ухудшению технологических показателей. Минимально возможные расходы реагентов обеспечивают наименьшие затраты на переработку минерального сырья и лучшие результаты флотации. Необходимый расход реагентов определяют с помощью лабораторных флотационных опытов, уточняют в полупромышленных и промышленных условиях. Флотоактивность реагентов может быть повышена с помощью физических, химических и др. методов — эмульгирование, электрохимическое окисление, ультразвуковая, тепловая и бактериальная обработки, смешивание разных реагентов, подача реагента в парообразном состоянии или в виде аэрозоля и др. Использование физических, химических и др.методов воздействия на Флотореагенты и их водные растворы способствует повышению технико-экономических показателей флотации (снижение расхода реагентов, увеличение извлечения ценных компонентов, улучшение качества концентратов). Наряду с применением флотореагентов трех классов (собиратели, пенообразователи, регуляторы) и различного сочетания реагентов внутри каждого класса совершенствование флотации минерального сырья во многом определяют технологические приемы, включающие применение сочетаний флотореагентов различных классов, методы обработки пульпы реагентами, методы обработки реагентов перед флотацией, комбинации флотационных методов на основе применения реагентов и нефлотационных операций. Эти технологические приемы условно отнесены к группе «Способы флотации» и дополняют каталог флотационных реагентов.
Собиратели
Собиратели — органические вещества, закрепляющиеся преимущественно на поверхности раздела твердое — жидкость.
Назначение собирателей — гидрофобизация минеральной поверхности (понижение ее смачиваемости водой), увеличение скорости и прочности прилипания частиц к пузырькам воздуха.
Гидрофобизация минералов основана на физико-химических процессах образования поверхностных гидрофобных соединений. При подборе селективных реагентов-собирателей исходят из представлений о химическом взаимодействии собирателя с ионами кристаллической решетки минерала (окислительно-восстановительные и обменные химические реакции, реакции комплексообразования).
Молекулы или ионы собирателей (за исключением чистых углеводородов и некоторых др.) являются полярно-аполярными (дифильными). Полярная часть собирателя, обладая сродством к минералу, определяет прочность закрепления реагента на минеральной поверхности и селективность его действия на различные минералы.
При подборе селективных собирателей для флотации металлических полезных ископаемых руководствуются сродством некоторых органических соединений к металлам и проводят допускаемую аналогию между избирательностью взаимодействия органических реагентов с катионами металлов в растворе и кристаллической решетке минерала * (предполагается, что на поверхности минерала имеются ненасыщенные связи). Многие собиратели содержат те же функциональные группы, что и используемые в аналитической химии органические соединения (металлы как объекты флотации и аналитических определений совпадают): ксантогенаты, дитиофосфаты, диалкилтиокарбаматы (в практике обогащения «диалкилтионо-карбаматы»), тиомочевина, ветлужское масло и др.
В качестве собирателей эффективны комплексообразующие реагенты, избирательно образующие хелаты с ионами тяжелых металлов (гидрофобизация основана на взаимодействии хе-латообразующих группировок с ионами металлов в кристаллической решетке минерала с образованием прочных нерастворимых комплексов).
Поиск новых селективных собирателей рекомендуется проводить среди хелатообразующих органических соединений, содержащих электронодонорные атомы азота, кислорода, серы, фосфора и галоидов. Целенаправленный выбор лигандов (хелатообразующая группа атомов) позволяет разрабатывать реагенты заданной структуры с определенной вероятностью их флотационной активности.
Рекомендуемые направления изысканий в области реагентов-собирателей:
первичные собиратели для прямой или обратной флотации основного компонента (нескольких компонентов, в том числе сопутствующих);
дополнительные собиратели (способствуют снижению расхода основного собирателя и повышению извлечения флотируемого компонента, особенно частиц крайних размеров — крупных и шламистых);
сочетания (смеси) собирателей (особенно различной природы);
расширение области флотационного применения того или иного собирателя;
дешевые заменители стандартных реагентов на базе отходов различных производств;
повышение эффективности действия собирателей различными методами (подача в виде раствора в водонесмешиваю-щемся органическом растворителе, добавки поверхностно-активных веществ, электрохимическая, ультразвуковая, тепловая, бактериальная обработка и пр.).
Среди ионогенных различают анионные собиратели (гидрофобизирующий ион — анион) и катионные (гидрофобизирующий ион — катион).
В зависимости от состава и структуры полярной части наиболее распространенные анионные собиратели условно делят на два типа — сульфгидрильные (в состав полярной части входит двухвалентная сера, связывающая анион собирателя и; поверхность минерала) и оксигидрильные (анион собирателя и минеральная поверхность связываются через атом кислорода). Аполярная часть сульфгидрильных собирателей содержит 2—6 атомов углерода, оксигидрильных—12—18.
В зависимости от состава и структуры полярной части катионные собиратели делят на два типа — первичные алифатические амины и их соли (с полярной группой на основе аммиака) и соли четырехзамещенного аммония (с полярной группой на основе аммония). Аполярная часть катионных собирателей содержит 12—18 атомов углерода.
Из неионогенных собирателей в практике флотации применяют аполярные масла и нерастворимые в воде серосодержащие маслообразные реагенты.
Собирательная способность реагентов зависит от их природы, удельного расхода и условий применения. Выбор собирателя преимущественно определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.
Для флотации сульфидных и сульфидизированных руд тяжелых цветных металлов наиболее эффективны серосодержащие собиратели—сульфгидрильные и производные тиокарба-миновых кислот (в практике преимущественно используют ксан-тогенаты, дитиофосфаты, тионокарбаматы и дитиокарбаматы). Эти собиратели неактивны или малоактивны по отношению к кварцу, алюмосиликатам и минералам с щелочными или щелочноземельными катионами в кристаллической решетке.
При флотации окисленных минералов руд редких, черных и некоторых цветных металлов, также при флотации горнохимического сырья наиболее эффективны кислородсодержащие (карбоновые кислоты, эфиры и их производные), азотсодержащие (амины', четвертичные аммониевые основания, соли аммония, гидроксамовые кислоты и их производные) и некоторые серосодержащие (органические производные серной кислоты) собиратели.
При флотации кварца, сильвинита, некоторых окисленных минералов цветных и редких металлов (смитсонит, каламин, вольфрамит и др.) применяют азотсодержащие (амины, четвертичные аммониевые основания, соли аммония) и кислородсодержащие (карбоновые кислоты и их производные) собиратели.
При флотации всех полезных ископаемых перспективны собиратели со смешанными функциональными группами (особенно амиды и тиоамиды, аминокислоты, аминоэфиры).
Оксигидрильные и катионные собиратели можно применять при флотации сульфидных руд тяжелых цветных металлов; однако по селективности действия они значительно уступают в этом случае сульфгидрильным собирателям и производным тиокарбаминовых кислот и не могут конкурировать с ними.
Неионогенные собиратели — основные реагенты при флотации природно гидрофобных минералов (графит, сера, молибденит и др.); в качестве дополнительных собирателей их применяют при флотации самых разнообразных минералов (вводят в дополнение к ионогенным собирателям).
При грубом измельчении минерального сырья необходимы более сильные собиратели (с большей длиной аполярной части), чем при тонком. Флотацию частиц крайних размеров (крупных и тонких) интенсифицируют добавки аполярных масел. Эффективны реагентные режимы флотации на основе применения относительно слабых реагентов-собирателей. Для обеспечения более высокого извлечения металлов их рекомендуется использовать в сочетании с более сильными собирателями при очень малых расходах. Поддержание расхода собирателя на минимально необходимом уровне способствует селективному разделению руды на компоненты с высокими показателями.
Для современной практики характерно применение сочетания реагентов собирателей (в одном и том же и различных циклах флотации).
Дозируют собиратели в измельчение, операцию перемешивания перед флотацией (кондиционирование), непосредственно во флотацию; в начало операции рекомендуется подавать не менее 60—80 % общего расхода реагента.
Пенообразователи
Пенообразователи — поверхностно-активные органические вещества, адсорбирующиеся преимущественно на поверхности раздела жидкость — газ.
Назначение пенообразователей — способствовать образованию в объеме пульпы воздушных пузырьков с определенными свойствами, а на поверхности пульпы — достаточно устойчивого пенного слоя необходимого строения.
Молекулы пенообразователей являются полярно-аполярными (дифильными). Полярная часть может быть представлена гидроксилом, карбонилом, сульфогруппой, аминогруппой и др.
Адсорбция пенообразователей на разделе жидкость — газ подчиняется уравнению Гиббса.
Поверхностное натяжение чистых пенообразователей и их растворов значительно меньше, чем поверхностное натяжение воды. С повышением концентрации пенообразователя поверхностное натяжение раствора понижается, поверхностно-активное вещество переходит в поверхностный слой, обусловливая уменьшение свободной энергии (движущая сила адсорбции). В предельном случае при добавлении к воде поверхностно-активных веществ молекулы воды полностью удаляются с поверхности раздела газообразной и жидкой фаз и замещаются молекулами менее полярного вещества, например терпинеола. При этом сила межмолекулярного взаимодействия поверхностного слоя жидкости и воздуха увеличивается, поверхностное натяжение уменьшается.
При флотационных концентрациях пенообразователей понижение поверхностного натяжения составляет 30—30 мкН/см и адсорбционный слой на поверхности пузырьков в объеме пульпы является ненасыщенным.
Концентрация пенообразователя в пенном слое значительно больше, чем в объеме пульпы (выше уровня пульпы пузырьки разрушаются и пена непрерывно обогащается новыми порциями реагента).
Адсорбируясь на границе раздела вода — воздух, поверхностно-активные вещества ориентируются полярной группой в водную фазу. Взаимодействуя с полярными группами молекул пенообразователя, диполи воды гидратируют их, создавая каркас известной жесткости и способствуя упрочению поверхностного адсорбционного слоя пузырька воздуха.
Чем больше гидратированы молекулы пенообразователя, тем медленнее стекает вода с поверхности пузырька в пенном слое, тем устойчивее пена. Слишком хрупкие и устойчивые пены не являются оптимальными для флотации. В отсутствие пенообразователя пузырьки воздуха разрушаются практически сразу после достижения ими поверхности. Пена должна обладать свойствами, обеспечивающими вторичную концентрацию флотируемого минерала.
Структура флотационной пены зависит, при прочих равных условиях, от характера флотореагентов и крупности минеральных зерен.
Различают три типа пен: пленочно-структурные, агрегатные и пленочные. Тип пены можно определить по виду ее распада и содержанию воды в продуктах распада
Пленочно- структурная пен а при флотации частиц обычной крупности встречается наиболее часто. Она характеризуется значительной обводненностью, имеет относительно большую высоту и повышенное содержание увлеченных потоком частиц пустой породы.
Агрегатными называют плотные минерализованные пены, содержащие относительно небольшую долю воды. Образованию агрегатных пен способствуют относительно крупные флотирующиеся частицы, а также добавки аполярных масел. Они могут получаться также при распаде обычных пленочно-структурных пен. Агрегатным пенам часто соответствует максимальная скорость флотации.
Пленочные пены аналогичны агрегатным, но имеют небольшую толщину; получаются при флотации крупных гидрофобных частиц небольшой плотности, например угля.
Аполярная группа пенообразователя, замещающая молекулы воды -на поверхности раздела фаз и обусловливающая уменьшение поверхностного натяжения, должна быть достаточной длины, чтобы выталкиваться из воды. У пенообразователей полярная группа находится в определенной связи с длиной углеводородного радикала. Например, спирты с числом атомов углерода в молекуле до 4 не являются пенообразователями, как и спирты, содержащие более 8 атомов углерода (в первом случае превалирует взаимодействие группы ОН с водой над взаимодействием аполярного радикала с воздухом, во втором — наоборот).
Пенообразователи оказывают следующее действие: способствуют диспергированию воздуха во флотационной машине; препятствуют коалесценции воздушных пузырьков; снижают скорость подъема пузырьков воздуха в пульпе (приблизительно в 2 раза), способствуя их лучшей минерализации; увеличивают силу прилипания пузырьков к флотирующимся минеральным частицам; способствуют образованию трехфазной флотационной пены определенных свойств и характера.
Пенообразующая способность реагентов зависит от их природы и концентрации. В ряду нормальных спиртов наибольшим пенообразующим действием обладает октиловый спирт, затем гептиловый и гексиловый; в ряду низших фенолов — крезол, затем ксиленол и фенол. Наиболее сильные пенообразователи из применяемых в практике — ТЭБ и ОПСБ. Чем сильнее пенообразователь, тем меньший его расход требуется для флотации. Расход пенообразователя должен поддерживаться на минимально необходимом уровне во избежание снижения качества концентратов и увеличения объема флотируемой пульпы из-за повышенного выхода промпродукта.
Каждый пенообразователь индивидуально влияет на характер распределения воздушных пузырьков в пульпе по крупности. Наиболее флотационно активны пузырьки диаметром 0,6— 1,2 мм. Крупные пузырьки обладают достаточной подъемной силой для извлечения крупных минеральных частиц и сростков, но вследствие больших скоростей подъема их время контакта с частицами невелико и они малоэффективны. Тонкие и сверхтонкие пузырьки находятся в пульпе значительное время, способствуют прикреплению к частицам пузырьков более крупных | размеров, но сами по себе плохо флотируют минеральные частицы даже средней крупности.
С уменьшением размера воздушных пузырьков возрастает стабильность пены. Флотирующиеся минеральные частицы также стабилизируют пену. Наоборот, тонкие гидрофобные осадки, образующиеся в пульпе при взаимодействии собирателя с ионами тяжелых металлов, оказывают пеногасящее действие. Растворение гидрофобных осадков или их превращение в гидрофильные под действием регуляторов приводит к усилению пенообразования (например, пенообразование увеличивают добавки хромпика в случае образования ксантогенита свинца, добавки сернистого натрия в случае образования ксантогенатов тяжелых цветных металлов и др.; добавка сернистого натрия при расходе 5—10 г/т в основную флотацию чисто сульфидной руды позволяет иногда сократить на 25—30 % расход пенообразователя).
Для флотации минерального сырья предложено более двухсот пенообразователей.
По классам химических соединений реагенты-пенообразователи делят на спирты, фенолы, кислоты, эфиры, гетероциклические, кремнийорганические и серосодержащие соединения; в группу «Разные» включены используемые в качестве пенообразователей единичные представители других классов органических соединений и реагенты сложного и неустановленного состава (побочные продукты и отходы химических производств, продукты взаимодействия различных органических соединений и т. п.).
Эффективность флотационного применения пенообразователей зависит от рН пульпы. Условно пенообразователи можно разделить на три группы: кислые, обладающие максимальным пенообразующим действием в кислой среде (фенолы); основные, обладающие максимальным пенообразующим действием в щелочной среде (некоторые гетероциклы); нейтральные, пенообразующее действие которых практически не зависит от рН (спирты, эфиры). Практически по масштабам потребления наиболее важны нейтральные пенообразователи.
Кроме того, можно выделить группу реагентов, выполняющих при флотации роль модификаторов пены (используют для изменения устойчивости и структуры пены). В качестве модификаторов пены рекомендуются древесный креозот, синтекс Л, масло Баррет, эмульсол Х-1, эксфоум 636 гидропероксиды.
Выбор пенообразователя зависит от многих факторов, в первую очередь определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.
В общем случае при флотации полиметаллических руд для лучшего разделения необходимо применять слабые пенообразователи при максимально возможном расходе, а при флотации монометаллических руд — сильные пенообразователи, что должно способствовать повышению скорости флотации. Сильные пенообразователи рекомендуется также применять в случае более грубого рудного измельчения, особенно при использовании углеводородных масел, оказывающих пеногасящее действие.
Хрупкую, сравнительно малоустойчивую пену обеспечивают синтетические спиртовые пенообразователи, в частности, высшие алифатические спирты. Сравнительно устойчивую, но достаточно подвижную пену образует крезол. Наиболее устойчивую пену, в которой удерживается большая часть пустой породы, образуют древесно-смоляные масла. В случае повышенной обводненности пены хорошие результаты может дать увеличение времени ее отстаивания за счет регулировки работы пекогона (уменьшение частоты вращения и числа лопастей и т. п.).
Более точное ведение технологического процесса и повышение его показателей может обеспечить применение комбинации из двух пенообразователей либо сочетание двух различных пенообразователей в одном цикле, либо использование разных пенообразователей в разных циклах флотации.
Дозируют пенообразователи обычно непосредственно во флотацию или в операцию перемешивания перед флотацией. В начальные операции рекомендуется подавать не менее 60—70 % общего расхода реагента.
Регуляторы
Регуляторы, — флотационные реагенты, применяемые в дополнение к собирателям и пенообразователям для повышения селективности флотации или повышени