Применение пен в сепарировании и флотации

Первоисточник: В.К. Тихомиров. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М.: Химия. – 1975. – с. 113-120

Глава 8 ПРИМЕНЕНИЕ ПЕН В СЕПАРИРОВАНИИ И ФЛОТАЦИИ

Флотация уже довольно давно применяется для обогащения предварительно измельченных руд различных металлов, твердого топлива и неметаллических полезных ископаемых. В последнее время принципы флотации используют для разработки методов разделения частиц ионно-молекулярной дисперсности. Если теория и практика флотационного обогащения руд разработана достаточно хорошо, то вопросы выделения частиц коллоидных размеров, а также ионов и молекул из растворов освещены меньше.
Между тем процессы флотационного извлечения из водных сред твердых частиц и молекул (ионов) имеют много общего и вместе с тем им присущи определенные различия. Общее заключается прежде всего в том, что в обоих случаях процессы извлечения определяются способностью компонента концентрироваться на поверхности раздела раствор — воздух. В то же время движущие силы процессов концентрирования, хотя они и имеют взаимосвязь, поскольку относятся к области поверхностных явлений, все же различны, так как применительно к суспензиям процесс обусловлен смачиванием и адгезией частиц минерала к пузырькам воздуха, тогда как концентрирование ионов и молекул зависит от их способности к адсорбции. Данные обстоятельства, а также наличие переходной области (например, флотация коллоидных частиц) указывает на то, что между флотацией молекул - {ионов) и,частиц суспензий нет резкой границы.
Для разделения компонентов водной коллоидной системы в ней перемешивают пузырьки воздуха, к которым прилипают гидрофобные частицы, тогда как гидрофильные частицы остаются в водной фазе. Отделив пену от водной фазы, получают продукт, обогащенный гидрофобными частицами. Различия в поверхностных свойствах разделяемых частиц создают путем введения специальных реагентов: собирателей (или коллекторов), регуляторов (активаторов или депрессоров), пенообразователей и флокулянтов.

8.1. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЛОТАЦИОННЫХ РЕАГЕНТОВ

Собирательное действие реагентов — собирателей обусловлено уменьшением смачиваемости минеральных частиц водой вследствие адсорбции собирателя на поверхности минерала. Адсорбированные молекулы собирателя ориентированы так, что гидрофобная часть их обращена в сторону жидкой фазы. Это способствует увеличению скорости и прочности прилипания частиц минерала к пузырькам воздуха. С целью экономии собирателя желательно, чтобы флотация происходила при возможно меньшей плотности покрытия их молекулами поверхности частиц минерала. Однако в некоторых случаях необходимы относительно высокие расходы этого реагента для образования полимолекулярных адсорбционных слоев собирателя.
При использовании в качестве собирателя малодиссоциированных соединений, например жирной кислоты, на поверхности частиц адсорбируются молекулы этого вещества. Так как молекулярная адсорбция не упорядочена, уменьшения смачиваемости водой и, соответственно, усиления флотационного действия не происходит даже при больших расходах реагента. Поэтому в раствор вводят активатор, сорбирующийся на поверхности минерала и обеспечивающий ориентацию молекул собирателя неполярной группой в сторону водной фазы.
Алкилсульфаты и алкилсульфонаты как собиратели не чувствительны к солям жесткости. По-видимому, это объясняется образованием подобными собирателями прочных адсорбционных пленок на поверхности раздела раствор — воздух.
Для флотации плохо смачиваемых, гидрофобных минералов не применяют сильные коллекторы, достаточно хорошо растворимые в воде, а обычно используют мало растворимые в воде неполярные соединения, например керосин, который используют при флотации тонких шламов некоторых руд.
Регуляторы применяют для повышения избирательности флотации или степени извлечения минералов. Они имеют двоякое назначение: усиливать (активаторы) или ослаблять (депрессоры) гидрофобные свойства поверхностей. Один и тот же регулятор в различных условиях может выполнять функции активатора или депрессора, вследствие чего разграничивать их по действию на процесс флотации нельзя. Поэтому классификация их основана на целевом назначении регулятора в каждом конкретном случае.
Активирующее действие регуляторов флотации связано с их влиянием на состав жидкой фазы и поверхностного слоя. Существует несколько гипотез о возможном механизме активирующего действия регуляторов.
Депрессирующее действие регуляторов заключается в подавлении эффективности адсорбции собирателя частицами минералов, а также повышении смачиваемости последних. Механизм депрессирующего действия, помимо этого, может состоять в образовании совместно с собирателем мало растворимого соединения. На поверхности минерала может также образоваться покрытие, препятствующее контакту между адсорбированным слоем собирателя и пузырьком воздуха. В некоторых случаях имеет место растворение поверхности минерала с удалением ионов, активирующих флотацию.
Подавление флотации полимерами (крахмал, декстрин, казеин и др.) происходит в результате их адсорбции на поверхности минерала, но при этом вытеснение собирателя не наблюдается. Силикаты уменьшают адсорбцию собирателя, но не предотвращают ее полностью.
Флокулянты необходимы для обезвоживания продуктов. В качестве флокулянтов применяют электролиты и высокомолекулярные вещества. При этом флокуляция не зависит от рН и не сопровождается химическим взаимодействием, если протекает за счет соосаждения частиц суспензий с осадками гидратов окисей металлов. Более эффективны высокомолекулярные флокулянты.

8.2. ФЛОТАЦИОННЫЕ ПЕНЫ

Свойства флотационной пены во многом определяют степень извлечения флотируемых компонентов и чистоту получаемого концентрата. Кроме того, свойства флотационных пен оказывают влияние на эксплуатационные условия работы флотационных машин. Так, устойчивость пены обусловливает эффективность закрепления частиц минералов на пузырькахгаза. Малоустойчивые пены могут разрушаться еще до момента удаления их из камеры флотационной машины, при этом будет интенсивно протекать процесс деминерализации, т. е. в конечном счете снижаться эффективность флотации. Очень устойчивые пены плохо фильтруются и перекачиваются насосами, осложняют другие эксплуатационные условия работы машин. Поэтому на обогатительных фабриках стремятся получить пены, которые не разрушались бы до удаления их из камеры, но быстро распадались бы в желобах флотационных машин.
На результаты флотации существенное влияние оказывает размер пузырьков воздуха во флотационной пульпе. Мелкие пузырьки сохраняются в пульпе достаточно долго, однако они практически не выносят зерен даже средней крупности. Большие пузырьки находятся в пульпе непродолжительное время, так как скорость подъема их велика, и поэтому для флотации они малоэффективны, хотя и обладают подъемной силой, вполне достаточной для извлечения крупных яастиц. Считают, что подъемные функции выполняют в основном пузырьки диаметром 0,6—1,2 мм.
Флотационные пены различаются по степени минерализации, которая характеризует долю поверхности пузырька, покрытую частицами. суспензии происходит в следующем порядке. Отрывающиеся Ът отверстия барботера пузырьки воздуха при подъеме сталкиваются с минеральными частицами и в результате этого столкновения частица может прикрепиться к поверхности пузырька. Процесс минерализации пузырька в начальный момент протекает достаточно интенсивно, при этом частицы скапливаются при движении пузырька в «кормовой» его области, и если около 50% всей поверхности пузырька покрыта частицами минерала, то дальнейшее прикрепление частиц к пузырьку крайне затрудняется. В этом случае встреча пузырька с частицей, как правило, сопровождается отрывом частиц. Поэтому пузырьки воздуха подходят к нижнему слою пены, будучи лишь частично минерализованными.
Верхние слои пены вследствие коалесценции отдельных пузырьков постепенно разрушаются, пузырьки пены принимают форму многогранников. Разрушение пены одновременно приводит к увеличению степени минерализации пузырьков. При полной минерализации образуются «агрегатные» пены (например, при флотации угля). Такие пены содержат до 40—46% твердых веществ и обладают значительной устойчивостью. При испарении из них влаги получаются «скелеты» пен, состоящие из примыкающих друг к другу твердых частиц.
Наиболее важные закономерности, характерные для двухфазных пен, в основном определяют и трехфазные. Однако твердая фаза оказывает существенное влияние на некоторые свойства флотационной пены.
Устойчивость флотационных пен и их структурно-механические свойства (вязкость), как правило, увеличиваются в присутствии минеральных частиц. Наиболее сильное стабилизирующее действие оказывают частицы средней крупности. Большое значение имеет наличие в составе пульпы тонких частиц (шламов), которые могут вызывать разрушение пены. Пеногасящее действие обнаружено у частиц сульфида цинка, сульфида меди и свинца, бентонита, мела, талька.
Механизм стабилизации трехфазных пен трактуется различно. Так, некоторые авторы объясняют это в основном сужением каналов Плато. Оно приводит к замедлению истечения междупленочного раствора, а также образованию пробок из зерен, не прилипающнх к пузырькам. Однако влияние твердой фазы неоднозначно. При концентрациях ПАВ, близких к ККМ, вследствие адсорбции ПАВ на частицах твердой фазы происходит обеднение раствора молекулами этих веществ. При этом ухудшается степень дисперсности пен, а скорость стекання жидкости увеличивается.

8.3. МЕХАНИЗМ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ПУЗЫРЬКОВ ПРИ ФЛОТАЦИИ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФЛОТАЦИИ

Явление прилипания твердой частицы к пузырьку воздуха имеет статистическая характер, поэтому для количественного описания этого процесса следует испэльзовать математический аппарат теории вероятности.
Рассмотрим элементарный акт встречи движущегося пузырька с минеральной частицей. Подготовленная, т. е. обработанная реагентами, минеральная частица при встрече с пузырьком может прилипнуть к последнему. Микрокиносъемкой показано, что это явление имеет место лишь после нескольких соприкосновений с пузырьком. Эффективность прилипания регулируется действием реагентных смесей. Собиратели резко сокращают время прилипания, сводя его к сотым долям секунды, а депрессоры его увеличивают.
Минеральные частицы, попадая на пузырек воздуха, начинают по нему скользить и закрепляются в его «кормовой» части, если разрушена прослойка воды, или отрываются от поверхности пузырька. Водный слой пузырька может разрушаться при скольжении частицы по его поверхности и при засасывании частиц вихревыми потоками в «кормовой» зоне что предпочтительными для флотации являются большое различие в размерах частицы и пузырька и неупрутое соударение, поскольку прилипание происходит эффективнее при большей потере кинетической энергии.
Причины прикрепления частицы к поверхности пузырька можно объяснить, исходя из энергетических соображений. Явление прилипания протекает лишь прилипание частицы к пузырьку может иметь место при практическом несмачивании поверхности частицы.
При отрыве частицы от пузырька площадь прилипания медленно сокращается, затем этот процесс ускоряется и площадь мгновенно сокращается до нуля Следует отметить, что кинетические параметры флотации не являются постоянными величинами, а изменяются в ходе процесса.
Вернуться в библиотеку