Лако-красочные материалы — производство

Флотация относится к наиболее распространенным методам обогащения полезных ископаемых. Ее значение увеличивается в связи со все возрастающей необходимостью вовлечения в производство бедного ценными компонентами и низкосортно­го сырья. Этим методом обогащается около 90% руд цветных металлов и, кроме того, уголь, графит, сера, кальцит, флюориг, барит и другие природные материалы.

Флотационное обогащение (разделение) основано на раз­личной смачиваемости водой ценных минералов и пустой поро­ды. Применяют пенную, пленочную и масляную флотацию. В наиболее распространенном методе пенной флотации через водную суспензию измельченной руды (пульпу) барботируют воздух, к пузырькам которого прилипают гидрофобные частицы ценного минерала, всплывающие затем на поверхность воды, и с образовавшейся пеной снимаются механически для даль­нейшей переработки. Пустая порода хорошо смачивается водой и оседает во флотационных машинах. Пленочная флотация за­ключается в том, что при высыпании измельченной руды на поверхность текущей воды гидрофобные частицы ценного мине­рала остаются на поверхности, а пустая порода оседает. В про­цессе редко применяемой масляной флотации используется эмульсия масла в воде, частицы ценного компонента всплыва­ют вместе с каплями масла.

Эффективность процесса пенной флотации определяется в основном адгезией между частицей ценного компонента и пузырьком воздуха, а также скоростью установления контакта между ними, т. е. скоростью истечения (разрыва) водной раз­деляющей их пленки. Рассмотрим равновесное взаимодействие

Рис. 11.21. К выводу выражения для работы адгезии между пузырьком и ча­стицей при флотации

Малой твердой частицы с боль­шим пузырьком газа в жидкой среде (рис. 11.21). Энергия Гиб­бса до контакта частицы с га­зовым пузырьком складывается из межфазного натяжения на границе частица — жидкость ат-ж и межфазного натяжения на границе жидкость — газ (пузырек) аж-г. В условиях контакта частицы с пузырьком энергия Гиббса равна межфазному на­тяжению на границе частица — газ (в пузырьке) От-r. Таким образом, работа адгезии между частицей и пузырьком состав­ляет:

— От—ж + Ож-г— От-r (II.167V

Используя закон Юнга (11.145), заменим поверхностные на­тяжения на границе с твердой частицей и получим следующее соотношение

Га = Ож-г(1 — cos 9) (II.168J-

Таким образом, работа адгезии между частицей и газовым пузырьком определяется в конечном итоге поверхностным на­тяжением на границе фаз жидкость — газ и краевым углом на поверхности частицы: чем он больше (гидрофобнее части­ца), тем больше работа адгезии. Очевидно, селективность (из­бирательность) флотации зависит от разности углов смачива­ния на частицах ценного минерала и пустой породы.

При подборе условий флотации необходимо учитывать так­же, что флотирующая (подъемная) сила и сила, прижимающая частицу к пузырьку (сила адгезии), должна быть больше силы тяжести частицы, что достигается измельчением руды до необ­ходимой дисперсности.

Для обеспечения высокой эффективности процесса флота­ции используют флотационные реагенты, которые по характеру действия подразделяют на три класса: собиратели, пенообразо­ватели и регуляторы. Большинство из них являются поверхно­стно-активными веществами. Собиратели (коллекторы) обеспе­чивают гидрофобизацию поверхности частиц флотируемого минерала и, соответственно, увеличение межфазного натяже­ния (JT-ж и уменьшение поверхностного натяжения (JT-г [см. уравнение (11.167)], т. е. в конечном итоге — увеличение угла смачивания (11.168). Собиратели должны селективно адсорби­роваться на частицах минерала (или частицах пустой породы),
поэтому, как правило, они закрепляются на поверхности бла­годаря специфическим химическим силам. Их молекулы имеют полярную часть, обладающую специфическим сродством к дан­ному минералу, и неполярную — углеводородный радикал, ко­торый гидрофобизирует поверхность частицы и обеспечивает ее «сродство» к пузырьку газа. Например, при флотационном обогащении медных и свинцовых руд используют ксантогенаты, образующие нерастворимые соединения с ионами этих метал­лов

Pb(OH)2 + 2ROCS7 ————- >- Pb I — S-cf

I XOR

Образованием нерастворимых соединений с щелочноземель­ными металлами объясняется также применение олеииовон кислоты в качестве собирателя при флотации тяжелого шпата BaS04, флюорита CaF2 и отделение их от различных оксидов. Изоморфное поверхностное замещение характерно при флота­ционном отделении сильвина КС! от галита NaCl в насыщен­ных растворах с помощью длинноцепочечных аминов, напри­мер солей додециламмония. Размеры иона RNH3+ позволяют ему входить в вакансию К+, но не позволяют вытеснять ион Na+.

Образование устойчивой (но не слишком) пены с высокой дисперсностью пузырьков способствует стабильности процессов флотации, увеличению нагруженности пузырьков пены частица­ми минерала. С этой целью в систему обычно добавляют пено­образователи (вспениватели), например длинноцепочечные спирты, кетоны, сосновое масло. Необходимо учитывать, что пенообразователь и избыток собирателя способны сильно уменьшать поверхностное натяжение воды аж-г [см. уравнения (11.167) и (11.168)], что снижает работу адгезии между части­цей и пузырьком, а следовательно, и эффективность флотации. Кроме того, после слипания пенообразователь попадает в плен­ку собирателя, что также отрицательно влияет на стабилиза­цию контакта между частицей и пузырьком.

Регуляторы применяют для увеличения избирательности флотационного процесса; они изменяют рН (кислоты, щелочи), снижают смачиваемость минералов и активизируют флотацию (соли с флотационно-активными ионами, например сульфид натрия для образования гидрофобных сульфидов на поверх­ности минералов), улучшают смачиваемость пустой породы, уменьшают вредное влияние находящихся в пульпе ионов и т. д.

Эффективность флотации в большой степени определяется и кинетическими параметрами процесса. Прилипание частицы к пузырьку происходит с преодолением энергетического барье-
pa. На первой стадии пузырек деформируется при столкнове­нии с частицей, затем после утоньшения пленки жидкости между частицей и пузырьком возникает непосредственный кон­такт. Возможен и такой механизм, когда на поверхности час­тицы (в полостях н углублениях) образуется сначала зародыш пузырька, который затем увеличивается вследствие пересыще­ния среды воздухом. Скорость флотации может лимитировать­ся и скоростью всплывания пузырьков с минералом.

Все большее применение находит ионная и молекулярная флотация, основанная на естественной и искусственно создавае­мой способности частиц веществ ионно-молекулярной или кол­лоидной степени дисперсности переходить на поверхности пу­зырьков пены. Собиратель, как правило, образует с ионом не­растворимое гидрофобное соединение.