Флотационные реагенты

Флотационные реагенты применяются для регулирования процесса флотации. В соответствии с назначением и механизмом действия реагенты делятся на следующие типы:

1. Собиратели (коллекторы);

2. Пенообразователи;

3. Депрессоры;

4. Активаторы;

5. Регуляторы среды

 

1. Собиратели предназначены для повышения гидрофобности минералов. В угольной практике это различные температурные фракции керосинов. Механизм действия – физическая адсорбция аполярных веществ за счёт действия молекулярных сил (Вандерваальса).

Для руд в качестве собирателей применяются гетерополярные вещества. Для сульфидных руд (CuS, ZnS, PbS) наиболее характерные собиратели – ксантогенаты с различной длиной углеводородного радикала R, имеющие общую формулу ROCSSMe.

 

R - OCSSNa

 

Механизм действия ксантогенатов – хемосорбция, в результате которой на поверхности минералов образуется гидрофобное соединение, например ксантогенат меди – (ROCSS)₂Cu.

Собиратели концентрируются на поверхности раздела жидкость – твёрдое (рис. 9.4). При этом радикал обращён в жидкую фазу, полярная группа – к минералу.

 

 

             

Рисунок 9.4 – Закрепление ксантогената на поверхности минерала

 

В качестве собирателей используют и аполярные соединения – жидкие углеводороды, которые не диссоциируют в воде.

Классификация собирателей (рис. 10.2) основана на различии в: 1) способности к диссоциации, 2) активности ионов, 3) составе солидофильной группы.

 

 

Ионогенные собиратели делятся на амфотерные, катионные и анионные. Амфотерные собиратели – соединения, содержащие полярные группы двух типов: катион- и анион-активные. Например, аминокислоты. Здесь аминогруппа (NH₂)^- является катионактивной, а карбоксильная группа (COOH)⁺ – анионактивной.

Катионные собиратели – соединения, содержащие катион-активные полярные группы. Например, амины и их соли. Амфотерные и катионные собиратели применяются мало.

Наибольшее распространение получили анионные собиратели – соединения, содержащие анионактивные полярные группы. Диссоциируют в воде по схеме (на примере олеиновой кислоты):

 

RСООH + H₂О = RСОО ^- + H₃О ⁺ (ион гидроксония).

 

В зависимости от состава полярной (функциональной) группы анионные собиратели делятся на оксигидрильные и сульфгидрильные.

Оксигидрильные собиратели содержат в составе полярной группы ион ОН^- (кислоты) или группу -ОМе (соли). Здесь один атом водорода замещен атомом металла. К оксигидрильным относятся органические карбоновые кислоты (с карбоксильной группой COOH⁺), их соли и мыла.

 

В промышленности применяются:

    - катионный реагент АНП (амины из нитропарафинов) – смесь аминов изостроения, содержащих 14 атомов углерода.

      - Амины на основе высших жирных кислот

Из всего рассмотренного выше вытекают требования к ионогенным собирателям:

1. Молекулы собирателя должны быть гетерополярными

2. Солидофильная группа должна обеспечивать прочное и избирательное закрепление реагента на поверхности флотируемого минерала

3. Аполярный радикал должен иметь длину, обеспечивающую достаточное собирательное действие. Большая длина радикала снижает растворимость реагента, избирательность его действия, увеличивает стоимость реагента.

4. Собиратель должен быть нетоксичным, хорошо растворимым в воде, иметь стабильный состав, быть доступным и экономически выгодным.

 

2. Пенообразователи предназначены для диспергирования (дробления) и стабилизации воздушных пузырьков. Характерные представители пенообразователей – спирты, имеющие гетерополярную структуру молекулы типа R-ОН (рис.9.5).

 

Рисунок 9.5 – Структура молекулы пенообразователя спирта

 

Пенообразователи концентрируются на границе раздела жидкость – газ. При этом полярная часть молекулы направлена в жидкую фазу, а аполярная – в газообразную (рис.9.6).

Механизм действия пенообразователя – снижение поверхностного натяжения на границе жидкость – газ.

 

 

Рисунок 9.6 – Концентрация молекул пенообразователя на границе раздела жидкость - газ

Силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ направлены в жидкую фазу (рвут пузырёк). Полярная часть молекул пенообразователя, взаимодействуя с диполями воды, гасит избыточную поверхностную энергию (поверхностное натяжение) стабилизируя, таким образом, воздушный пузырёк.

Пенообразователь препятствует коалесценции (слиянию) воздушных пузырьков.

 

 

Воздушные пузырьки являются основным «транспортом» для переноса в пену частиц флотируемого минерала. Для эффективного ведения процесса необходима большая поверхность раздела газ-жидкость. Величина ее определяется количеством воздуха, проходящего через флотационную камеру в единицу времени, и крупностью пузырьков. При одном и том же количестве воздуха поверхность раздела тем больше, чем мельче пузырьки.

Уменьшение крупности пузырьков ограничивают 2 условия: 1) плотность нагруженного частицами пузырька должна быть меньше плотности пульпы для обеспечения его всплывания; 2) пузырек должен всплывать с определенной скоростью. Оптимальная скорость всплывания пузырьков 5-15 см/с.

При большой крупности пузырьков уменьшается поверхность раздела газ-жидкость, снижается скорость флотации – скорость выведения минерала в пену. Крупные пузырьки быстро всплывают, время их нахождения в камере невелико. Они имеют большую подъемную силу, но малоэффективны. Мелкие пузырьки находятся в пульпе дольше, сильнее минерализуются, что дополнительно снижает скорость их всплывания. Но при низкой скорости они не успевают попасть в пену и выносятся потоком пульпы в следующую камеру машины и далее в хвосты. Оптимальная крупность пузырьков 0.6-1.2 мм.

Очень мелкие пузырьки, закрепляясь на частицах, дополнительно их гидрофобизируют. Флотация «активированных» пузырьками частиц идет быстрее. Поэтому в пульпе должны находиться как очень мелкие пузырьки (для активации), так и крупные (для транспортирования). Наибольшее число пузырьков имеют размер 0.6-0.8 мм.

Вспениватели создают условия для пенообразования путем снижения свободной поверхностной энергии на границе раздела жидкость-газ, т.е. снижения поверхностного натяжения. Таким образом снижаются затраты энергии, необходимой для образования новой поверхности раздела фаз в виде воздушных пузырьков.

Вспениватели должны обладать достаточной поверхностной активностью p, которая определяется как отношение между изменением свободной поверхностной энергии и изменением концентрации вспенивателя в растворе:

 

p = dσ / dC.

 

2. Депрессоры предназначены для подавления гидрофобных свойств минералов. Применяются при разделении коллективных концентратов. Например, при разделении медно-цинкового коллективного концентрата на медный и цинковый в качестве депрессора цинковых минералов применяют цинковый купорос ZnSO₄.

 

Реагенты-регуляторы применяют для изменения флотируемости минералов путем регулирования действия собирателей на их поверхность. Реагенты-регуляторы делят на депрессоры, активаторы и регуляторы среды.

 

Депрессоры препятствуют адсорбции собирателей и повышают гидрофильность поверхности минералов. Депрессоры имеют большое значение при селективной флотации минералов с близкими свойствами, т.е. когда надо выделить отдельно каждый минерал в свой концентрат.

Все применяемые в настоящее время депрессоры являются неорганическими соединениями – кислотами, щелочами, солями. Механизм депрессирующего действия может быть различным. При этом происходит изменение состава поверхностного слоя минерала в ходе химической реакции. Варианты взаимодействия следующие: 1) образование поверхностного соединения с участием ионов депрессора, 2) внедрение ионов депрессора в решетку минерала в результате ионного обмена (возможно образование пленок), 3) адсорбция ионов депрессора во внешнюю обкладку ДЭС с изменением величины заряда поверхности.

Основные механизмы действия депрессоров показаны на рис. 16.1.

 

1. Растворение слоя собирателя, находящегося на поверхности минерала.

 

2. Вытеснение ионов собирателя ионами депрессора.

 

3. Образование на поверхности минерала гидрофильного соединения без вытеснения с нее собирателя.

 

4. Образование на поверхности гидрофильной пленки, состоящей из осадка тонкодисперсных частиц.

 

 

Рисунок 16.1.

 

 

3. Активаторы применяются для восстановления гидрофобных свойств ранее депрессированных минералов. Например, для активации депрессированного сфалерита (ZnS) применяется медный купорос CuSO₄.

 

5. Регуляторы среды применяются для создания определённой щёлочности (кислотности) флотационной среды. При флотации сульфидных руд предпочтительна щелочная среда (рН = 8 –11). Типичные регуляторы среды: известь Ca(OH)₂, сода Na₂CO₃. Кислая среда используется редко, кроме того, она способствует коррозии оборудования.

 

Лекция № 19 Пены

1. Свойства пен. Типы пен

2. Устойчивость пены

3. Способы разрушения пен

 

Флотационная пена должна обладать следующими свойствами:

 - удерживать всплывшие с пузырьками частицы минералов;

- в пене должна происходить вторичная концентрация ценных компонентов за счет выпадения из пены частиц пустой породы;

- пена должна быть устойчивой в течение определенного периода времени и легко разрушаться после удаления из камеры флотомашины.

Быстро разрушающиеся пены называют хрупкими, а медленно разрушающиеся – вязкими. При очень хрупкой пене сфлотированные частицы будут осыпаться из пены и вновь тонуть в камере машины. Извлечение флотируемого минерала будет низким. Вязкие пены плохо транспортируются по желобам, перекачиваются насосами, переобогащаются при необходимости, плохо сгущаются, т.к. в сгустителе образуется шапка устойчивой пены.

Регулирование свойств пен возможно изменением физических и физико-химических условий. К физическим относятся толщина пенного слоя, скорость и способ удаления пены, количество и дисперсность пузырьков и частиц, интенсивность движения пульпы в подпенном слое. К физико-химическим – реагентный режим, влияющий на устойчивость жидких прослоек, которые разделяют пузырьки, и на прочность прилипания частиц.

Флотационные пены по типу строения делятся на: пленочно-структурные, агрегатные, пленочные (рис. 19.1).

Наиболее часто встречаются при флотации пленочно-структурные пены. Особенности их строения: крупность пузырьков воздуха в верхних слоях больше, чем в нижних; толщина прослоек воды, разделяющих пузырьки, уменьшается с приближением к поверхности пены; слой пены толстый – от 5 до 20 см; крупные пузырьки значительно деформированы. По сравнению с другими типами пен эти пены содержат наибольшее количество воды, особенно в нижних слоях. Устойчивость этих пен изменяется в широких пределах, подвижность значительная.

Агрегатные пены состоят из крупных частиц, скрепленных множеством пузырьков небольшого размера. Распределение крупности пузырьков по высоте как и для пленочно-структурных пен. Содержат небольшое количество воды, достаточно устойчивы, при падении в желоб легко разрушаются.

Пленочные пены схожи с агрегатными, но имеют небольшую толщину, равную размерам всего нескольких частиц. Обычно эти частицы крупные, легкие и сильно гидрофобные.

От свойств и устойчивости пены зависит извлечение ценного компонента в концентрат. При отстаивании пена частично разрушается, теряя до половины минеральных частиц, в первую очередь породных. Требования, предъявляемые к устойчивости пены, определяются назначением операции флотации.

Элементарным актом разрушения пены является слияние составляющих пену пузырьков друг с другом, которое происходит из-за утончения прослоек воды, разделяющих пузырьки. Причины утончения прослоек воды:

1. Вода из прослоек стекает вниз, особенно из верхних слоев пены. Этому процессу (синерезису) способствует давление в пене, возникающее из-за непрерывного поступления в нее снизу массы пузырьков и давления вышележащих слоев пены. В нижних слоях прослойки длительное время подпитываются стекающей сверху водой и утончаются позже. Поэтому разрушение пены начинается с ее верхних слоев.

2. Вода прослоек испаряется, особенно с поверхности пены.

3. После определенного утончения прослоек значительную роль начинает играть всасывание жидкости в треугольники Гиббса, которое возникает вследствие различной кривизны отдельных участков пузырьков пены (рис. 19.2).

Капиллярное давление, стремящееся втянуть пленку внутрь пузырька, обратно пропорционально радиусу кривизны поверхности пузырька:

 

Р = 2 σ_ж-г / r.   Р₁ > Р₂.

 

Давление в участках прослоек воды, ограниченных более плоскими поверхностями, меньше, чем на участках с более выпуклыми. Поэтому в прослойках возникают токи воды к утолщенным участкам – треугольникам Гиббса.

Рисунок 19.2.

 

4. Во флотомашинах на пену механически действуют потоки пульпы и пеносниматели, вызывая взаимное перемещение пузырьков, стекание воды и деформацию прослоек в пене.

Устойчивость пен повышается при:

1) повышении устойчивости поверхности пузырьков за счет адсорбции молекул вспенивателей;

2) прилипании частиц к пузырькам в трехфазных пенах, что препятствует сближению пузырьков и утончению разделяющих их водных прослоек;

3) наличии мелких и плоских частиц, т.к. они полнее покрывают поверхность пузырьков.

Реагенты влияют на устойчивость пен путем изменения строения и состава адсорбционных слоев на поверхности пузырьков и характера минерального покрытия этой поверхности. Присутствие в пенообразователе аполярных соединений, не обладающих вспенивающими свойствами, положительно влияет на пенообразование. Молекулы аполярных углеводородов (на рис. 19.3 обозначены как и собиратели) располагаются в адсорбционном слое между аполярными радикалами ПАВ) и стабилизируют его, повышая устойчивость пены. Но избыток таких соединений в составе вспенивателя как и избыток аполярного собирателя ведет к разрушению пены.

Рисунок 19.3.

 

По влиянию на устойчивость пен реагенты делятся на 3 группы:

1. Растворимые в воде ПАВ, образующие истинные (молекулярные) растворы – низшие спирты, скипидары и др.

2. ПАВ, образующие в воде коллоидные или полуколлоидные растворы – сапонин и др.

3. Аполярные вещества, нерастворимые в воде – керосин и др.

Действие реагентов зависит от их расхода.

 

Реагенты группы 1 при больших расходах снижают устойчивость пены, т.к. снижают гидратированность оболочки пузырька. При этом образуется второй адсорбционный слой молекул ПАВ, полярные группы его обращены к полярным группам первого слоя, а углеводородные аполярные радикалы обращены в воду (рис. 19.4).

 

Рисунок 19.4.

 

При добавлении к пене, образованной растворимым в воде ПАВ (группа 1), аполярного масла (группа 3), устойчивость пены резко снижается. Керосин может полностью уничтожить пену. При этом керосин адсорбируется на поверхности пузырьков и вытесняет молекулы вспенивателя в водную прослойку между пузырьками (рис. 19.5).

 

Рисунок 19.5.

 

По высоте пенного слоя содержание флотируемого минерала значительно изменяется. Обычно в верхних слоях пены содержится меньше породы, чем в нижних. Слабо прикрепленные к пузырькам или находящиеся в водных прослойках между ними, частицы породы увлекаются вниз стекающими потоками воды. Происходит вторичная концентрация ценных компонентов в верхних слоях пены.

После удаления из флотационной камеры пена должна быть разрушена. Но трудно подобрать такой реагентный режим, при котором можно одновременно получить высокую эффективность флотации и легко разрушающуюся пену. Поэтому используют механические и физико-химические средства для разрушения пены. Механические – применение сильной струи воды при минимальном расходе. Желоба, в которые поступает пена должны быть достаточно широкими и глубокими. Иногда пену пропускаю через сгустительные воронки или сетчатые центрифуги.

Физико-химические средства – добавление различных реагентов (кислоты и др.).

 

 

Флотационные машины

Флотационные машины применяются для реализации процесса флотации. В зависимости от характеристики обогащаемого сырья и требований к продуктам обогащения применяются следующие типы флотационных машин:

1. Механические, в которых перемешивание пульпы и засасывание воздуха осуществляется вращающимся импеллером;

2. Пневмомеханические, в которых перемешивание пульпы осуществляется вращающимся импеллером. Воздух подаётся от внешнего источника (компрессора).

3. Пневматические, в которых воздух подаётся от внешнего источника. Вращающийся импеллер отсутствует.

4. Пенные сепараторы, обеспечивающие обогащение частиц повышенной крупности (для углей до 3-5 мм).