Флотация широко применяется для обогащения большинства руд цветных металлов, аппатитовых, фосфоритовых, графитовых, флюоритовых и других руд. Она широко используется в соединении с другими методами для обогащения руд черных металлов и угля.

Флотационный метод обогащения основывается на использовании разницы в естественной или искусственно созданной смачиваемости поверхности минералов, которая определяется разным значением их удельной поверхностной энергии, что, в свою очередь, зависит от химического состава и строения кристаллической решетки минералов.

Флотация осуществляется в водной среде и широко применяется для обогащения тонкомолотых (крупность меньше 0,5 мм) самых разнообразных

полезных ископаемых. С точки зрения возможности применения флотация является универсальным методом, пригодным для разделения практически любых минералов независимо от разницы в их плотностях, магнитных, электрических или других свойствах.

Флотационную способность минералов, то есть степень смачиваемости минералов водой, можно изменять искусственно, обрабатывая их поверхность флотационными реагентами. Флотационные реагенты - вещества, способные избирательно адсорбировать на поверхности минералов свои молекулы и уменьшать или увеличивать их смачиваемость.

1. Пленочная флотация - процесс, при котором на поверхности подвижного потока воды осторожно создается слой мелких минеральных частиц. Частицы минералов, несмачиваемых водой (гидрофобных), задерживаются на поверхности, тянутся потоком, а частицы минералов смачиваемых водой (гидрофильных) тонут. Процесс применяется редко, в основном, для доводки оловянных, вольфрамовых и некоторых редкометаллических концентратов.

2. Масляная флотация заключается в выборочном прилипании плохо смачиваемых водой минералов к каплям прибавленного к пульпе масла. Образованные при этом комплексы «минерал-масло» всплывают на поверхность пульпы, потому что их плотность меньше плотности пульпы. Смачиваемые водой, но несмачиваемые маслами минералы остаются в пульпе во взвешенном состоянии. Масляная флотация имеет очень ограниченное приложение, в частности при обогащении угля.

3. Пенная флотация основана на способности несмачиваемых водой минералов прилипать к пузырькам воздуха, образованным при аэрации пульпы, и всплывать вместе с ними на поверхности пульпы, образовывая пенный продукт, а смачиваемых минералов - оставаться взвешенными в пульпе, образовывая камерный продукт.

Обычно в пенный продукт флотации переходит полезный минерал, а в камерный - пустая порода. Такой процесс называется прямая флотация. В отдельных случаях целесообразнее переводить в пенный продукт минералы пустой породы, а полезные минералы концентрировать в камерном продукте. Такой процесс называется обратной флотацией. При флотации гематитовых руд с определенным соединением флотационных реагентов в пенный продукт можно выделить гематит и, таким образом, получать железорудный концентрат, а с другим соединением реагентов в пенный продукт можно

48

выделить пустую породу - кварц. Именно в этом разнообразии способов проведения и широких возможностях регуляции заключается универсальность флотационных процессов.

4. Пенная сепарация состоит в том, что флотируемый (плохо смачиваемый водой) компонент при попадании на пенный слой содержится на нем за счет сил прилипания к воздушным пузырькам, а нефлотируемый - проходит через него. В процессе пенной сепарации исходная пульпа словно фильтруется через пенный продукт с удерживанием флотируемых минералов, в отличие от пенной флотации, где флотируемые минералы изымаются из объема пульпы всплывающими воздушными пузырьками.

Кроме перечисленных, известны другие разновидности флотационных процессов: электрофлотация, ионная флотация, флотация твердой стенкой и др. Самое широкое применение в промышленности нашла пенная флотация.

Флотационные свойства минералов зависят от их естественных свойств: химического состава, кристаллического строения, растворимости в воде и др. Все минералы по флотируемости можно разделить на следующие группы:

1. Самородные металлы и сульфиды тяжелых металлов (минералы меди, свинца, цинка, ртути, сурьмы, золота и др.) - Эти минералы характеризуются плохой смачиваемостью и легко флотируються, если их поверхность неокислена.

2. Аполярные неметаллические минералы - графит, сера, уголь, тальк легче всего флотируются.

3. Окисленные минералы цветных металлов. К ним относятся карбонаты и сульфаты меди, свинца, цинка, а также минералы и соли других кислородосодержащих кислот.

4. Полярные минералы, в состав которых входят катионы, - Са. Mg, Ва, Sr. Эти минералы активно вступают во взаимодействие с анионными реагентами. К таким минералам относятся: аппатит, фосфорит, флюорит, кальцит, доломит, барит.

5. Минералы оксидов, силикаты, алюмосиликаты (кварц, корунд, рутил, касситерит, ильменит), флотационная способность которых зависит от условий минералообразования.

6. Растворимые соли щелочных металлов, а также щелочноземельных металлов (галит, сильвин). Эти соли флотируются в своих насыщенных растворах.

7. Сильно растворимые в воде соли щелочных и щелочноземельных металлов (гипс, гидроборацит).

Физико-химические основы флотационного обогащения. Основу пенной флотации составляет элементарный акт прилипания минеральной частицы к воздушному пузырьку в воде. Этот процесс объясняется физико-химическими свойствами взаимодействующих фаз и явлениями на грани их разделения. Одним из таких свойств является наличие на поверхности раздела фаз свободной поверхностной энергии, представляющей избыток энергии, который возникает в результате нескомпенсированных сил, действующих в поверхностном слое.

Рассмотрим две фазы - жидкую (вода) и газовую (воздух) (рис. 1.13). Между молекулами одной фазы, в зависимости от расстояния между ними существуют силы взаимного притяжения. Каждая молекула, которая находится в середине жидкой фазы, испытывает притяжение ко всем другим молекулам, которые находятся в сфере ее действия. Эта молекула окружена со всех сторон молекулами воды, поэтому силы притяжения между ними взаимно уравновешиваются.

воздух

Рис. 1.13 Действие молекулярных сил в объеме и на поверхностном слое жидкости

Молекула воды на поверхности, то есть на границе с воздухом, чувствует значительное притяжение ко всем молекулам в воде, и гораздо меньше притяжения молекул воздуха, что создает поверхностное натяжение. Энергия, численно равная свободной энергии, действующий на 1 м2 поверхностного слоя, называется свободной поверхностной удельной энергией; единица её измерения - ньютон на метр (Н/м). Удельная поверхностная энергия на границе раздела двух фаз, например, «жидкость-газ», отображается как ож. г.

Удельная поверхностная энергия зависит также от полярностей соприкасающихся фаз, то есть разницы в интенсивности действующих в них молекулярных сил. Мерой полярности фазы могут быть такие свойства ее, как дипольный момент молекул, внутреннее давление, диэлектрическая постоянная. Чем больше разница в полярности соприкасающихся фаз, тем больше удельная поверхностная энергия на границе этих фаз.

Поверхность твердых тел характеризуется также наличием свободной энергии, появление которой обусловлено аналогичными обстоятельствами, как и в жидкостях. Поверхностная энергия твердых тел определяет их способность к взаимодействию с водой и присутствующими в ней реагентами.

Взаимное притяжение молекул одного вещества (например, жидкости) называется когезией и характеризуется работой, которую необходимо потратить для разрыва столба жидкости на два столба, такого же сечения. Взаимное притяжения молекул двух разных фаз, например, воды и минерала, которое проявляется на поверхности их раздела, называется работой адгезии. Робота адгезии W (Н/м) в газообразной среде между водой и поверхностью минерала равняется сумме поверхностных энергий обеих фаз минус поверхностная энергия на грани раздела этих фаз, то есть

W = <7 + а +<т П 15)

где а^.г, ат_г, а,„.ж - поверхностная энергия соответственно на границе раздела фаз «жидкость-газ», «твердое-газ», «твердое-жидкость».

Таким образом, при контакте минерала с водой, в результате действия свободной поверхностной энергии, характер взаимодействия полярных молекул воды и молекул поверхностного слоя минерала может быть разным. Если сила притяжения между молекулами минерала и воды больше, чем сила притяжения между молекулами воды, то осуществляется смачивание поверхности минерала водой (гидратация). В этом случае капля воды свободно растекается по поверхности минерала и легко вытесняет из поверхности воздух (взаимодействие кварца и кальцита с водой (рис. 1.14а, б)).

Если силы притяжения между молекулами воды и минерала меньше, чем силы притяжения между молекулами воды, то поверхность минерала не смачивается водой. В этом случае капля воды на поверхности минерала вытесняется воздухом и хранит почти шаровидную форму (взаимодействие воды с галенитом и молибденитом (рис. 1.14в, г)).

Все естественные минералы значительно отличаются по способности к гидратации. Они бывают легко смачиваемыми, или гидрофильными, плохо смачиваемыми, или гидрофобными, и промежуточными. К первым принадлежат кварц, кальцит, магнетит, золото и другие, ко вторым - сера, галенит, молибденит, графит, тальк и другие, к третьим - гематит, пирит и другие минералы.

Рис. 1.14 Примеры смачивания твердых поверхностей

Следует заметить, что чем более слабые и меньше скомпенсированные связки на поверхности минерала, тем сильнее молекула воды притягивается к твердой поверхности, тем гидрофильнее и более гидратирована поверхность минерала. На хорошо смачиваемой поверхности молекулы воды образуют упорядоченные гидратные слои, толщина которых достигает 0,1 мкм.

Гидратирован ность поверхности минералов оценивается разными методами. Самым распространенным методом оценки степени смачиваемости являются определение краевого угла смачивания, который изменяется от 0 до 180°.

Краевым углом смачивания 0 называется угол между касательной к поверхности воздушного пузырька или к поверхности капли воды в любой точке трехфазного периметра смачивания и поверхностью минерала. Его принято вычислять в сторону жидкости, как более полярной фазы (рис. 1.15). Нулевое значение краевого угла отвечает полной гидрофильности минерала.

Краевые углы смачивания дают определенную относительную характеристику гидратированности поверхности. Чем хуже минерал смачивается водой, то есть чем больше он гидрофобный, тем легче пузырек воздуха закрепляется на минеральной поверхности. При флотации уменьшение смачиваемости минерала, называемое гидрофобизацией, характеризуется увеличением краевого угла. Для осуществления гидрофобизации в пульпу добавляют специальные флотационные реагенты, действие которых сводится к снижению разницы <5т. г - ат. ж, то есть к увеличению краевого угла смачивания.

Рис. 1.15 Краевой угол смачивания 0 на границе раздела фаз «минерал-вода-воздух»

С физической точки зрения краевой угол смачивания 0 определяется соотношением сил сцепления молекул воды с твердой поверхностью и друг с другом.

Краевой угол смачивания 0 определяется из условия равновесия поверхностных энергий на границе раздела фаз «жидкость-газ» (а<жч?), «твердое - жидкость» «твердое-газ» (oWbt>) (рис. 1.16). Равновесное значение

краевого угла определяется уравнением Юнга:

&ж-г ' C0S Я = ~ °т-ж (1.16)

отсюда

cos 0 = а""~" -(Т* (1.17)

° Ж-г

Элементарным действием флотации считают закрепление отдельной минеральной частицы на пузырьке воздуха или газа. По второму закону термодинамики, данное действие возможно только тогда, когда свободная энергия системы после закрепления частицы на пузырьке будет меньше свободной энергии системы до закрепления частицы.

Рис. 1.16 Схема действия поверхностного натяжения на границе периметра смачивания

Потеря свободной поверхностной энергии системой (AW) в результате закрепления минерального зерна на воздушном пузырьке определяется по формуле:

AW = <гж-, (l-cos0) 0-18)

где ож. г - свободная поверхностная энергия единицы поверхности раздела «жидкость-газ», Н/м; 0 - краевой угол смачивания, град.

Величина AW характеризуется изменением поверхностной энергии системы при элементарном действии флотации, отнесенной к единице площади контакта «газ-твердое», называется показателем флотируем ости. Из формулы видно, что чем больше краевой угол смачивания и более гидрофобна частица, тем больше потеря свободной энергии и тем выше флотируемость.

В пульпе флотационных машин возникают разные силы (притяжение, трение, инерции), которые пытаются оторвать от пузырька прилипшие к ней минеральные зерна. Отрывающие силы тем больше, чем больше плотность частицы и чем больше ее размеры. Сила отрыва частиц размером 100 мкм в один миллион раз больше, чем частицы размером в 1 мкм. Для того, чтобы не оторваться от пузырька, минеральная частица должна быть закреплена на нем достаточно крепко - силы прилипания должны быть больше сил отрыва.

Сила прилипания Fn частицы к воздушному пузырьку действует по периметру площади контакта пузырька и зерна и равняется произведению периметра (7id) на значение вертикальной составляющей поверхностной энергии (ож..г • sinO), которая притягивает поверхность минерала к оболочке пузырька:

Fn-к d o-ж_г smO (1.19)

где d - диаметр круга, по которому пузырек прикрепляется к твердой поверхности, м: ож>.г - поверхностная энергия на разделе фаз «жидкость-газ», Н/м; 0 - краевой угол смачивания, град. (рис. 1.17).

Сила отрыва Fomp, состоит из двух сил F = Vg • Е, где V— объем пузырька, м3, g - ускорение свободного падения, м/с2, Е - плотность жидкости, кг/м3, и силы F2, обусловленной капиллярным давлением в пузырьке и внешним

гидростатическим давлением, равной произведению площади контакта

-h-g-A

где R - радиус пузырька, м; h - высота пузырька, м.

В равновесных условиях, когда сила прилипания равняется силе отрыва, имеем:

п d - стж_г sin в = V - g-A+?-^ -~-~zi-hg (1.21)

Видно, что прочность прилипания минерала к пузырьку тем больше, чем гидрофобнее поверхность (чем больше краевой угол смачивания 0).

Флотационные реагенты. В зависимости от назначения флотационные реагенты классифицируют следующим образом:

1. Собиратели или коллекторы представляют собой органические соединения, избирательно действующие на поверхность частиц определенных минералов и гидрофобизирующие ее.

2. Пенообразователи - поверхностно активные вещества, которые, концентрируясь на поверхности раздела «жидкость-газ», способствуют

сохранению воздушных пузырьков в дисперсном состоянии, предотвращают их слияние (коалесценцию) и увеличивают прочность пены.

3. Активаторы - реагенты, содействующие закреплению собирателя на поверхности минерала.

4. Подавители (депрессоры) - вещества, уменьшающие флоти - руемость тех минералов, извлечение которых в пенный продукт в данный момент нежелательное. Большинство реагентов-подавителей являются неорганическими соединениями - электролитами и применяются для повышения выборочности (селективности) флотации при разделении минералов, близких по своим флотационным свойствам.

5. Регуляторы среды - флотационные реагенты, применяемые для регуляции взаимодействия собирателей, подавителей и активаторов с минералами и создания pH среды (кислотности или щелочности), в результате чего повышается выборочность (селективность) флотационного процесса.

Флотационные машины. Флотационными машинами называют аппараты, в которых совершают флотацию. В них осуществляется аэрация пульпы, выборочная минерализация пузырьков частицами с достаточно гидрофобной поверхностью, образование, отстаивание и удаление минерализированой пены.

Широкое применение флотации для обогащения полезных ископаемых привело к созданию большого количества типов и конструкций флотационных машин. Независимо от конструктивных особенностей флотационные машины должны обеспечивать:

- непрерывную равномерную подачу исходной пульпы и разгрузки пенного и камерного продуктов;

- образование и деление воздушных пузырьков в пульпе - обеспечивать аэрацию пульпы;

- достаточно интенсивное перемешивание пульпы для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии и контакта ее с воздушными пузырьками.

Процесс аэрации пульпы состоит из следующих последовательных стадий: получение пузырьков воздуха, коалесценция (слияние) части этих пузырьков и их движение в пульпе. Пузырьки получают разными способами:

- механическим - засасыванием и дроблением (диспергированием) атмосферного воздуха рабочим органом машины - импеллером;

56

- пневматическим - вдуванием в машину сжатого воздуха воздуходувкой или компрессором;

- непосредственно в растворе (при сниженном давлении в нем) или с помощью электролиза воды.

Поддержание твердой фазы в объеме флотационной камеры во взвешенном состоянии и перемешивания пульпы с воздухом осуществляется механическим, пневматическим или гидравлическим способами. Клас­сификацию флотационных машин чаще всего осуществляют в зависимости от способа аэрации пульпы. По этому признаку машины распределяют на такие основные типы: механические, пневматические, пневмомеханические,

пневмогидравлические, машины со сниженным давлением в пульпе, машины пенной сепарации. Каждый из этих типов машин делится на ряд разновидностей, которые отличаются конструктивными особенностями.

В механической флотационной машине образование воздушных пузырьков осуществляется за счет турбулизации пульповоздушной смеси, которая поступает из импеллера в камеру (рис. 1.18а).

Пневмомеханична флотационная машина (рис. 1.186) отличается от механической тем, что в ней аэратор только диспергирует воздух, но не имеет всасывающей способности. Потому камеры машины соединяются между собой открытыми окнами.

Производительность флотационных машин зависит от объема камер и времени флотации, которые в свою очередь зависят от свойств руды, принятого реагентного и технологического режимов. Обычно время флотации определяется в лабораторных условиях, а также по нормам, полученным в результате опытно-промышленных или промышленных испытаний.