Брагина В.И., Брагин В.И. Флотационные методы обогащения

Подождите немного. Документ загружается.

При неполной смачиваемости поверхности водой возникшему пузырьку

легче отодвинуть молекулы воды от твердой поверхности или от остаточного

гидратного слоя, чем оторвать эти молекулы одну от другой. Этим и можно

объяснить преимущественное образование пузырьков не в объеме воды, а на

твердой поверхности.

1.3.5. Кинетика и модели флотационного процесса

Кинетика флотационного процесса

Механизм минерализации очень сложный. Одна и та же минеральная

частица в зависимости от условий столкновения с пузырьком может закреп-

ляться или не закрепляться на нем.

К.Л.Сазерленд установил, что вероятность столкновения частицы с пу-

зырьком тем больше, чем больше ее размеры.

О.С.Богданов пытался рассчитать вероятность флотации по величине

произведения вероятности столкновения частиц с пузырьками и вероятности

их закрепления. Расчеты показали, что с уменьшением размеров частиц сни-

жается вероятность столкновения и увеличивается вероятность закрепления.

Но это было получено лишь в идеализированных условиях.

Поэтому при оценке вероятности флотации необходимо исходить из ка-

чественных представлений и учитывать в каждом конкретном случае лишь

главные факторы, определяющие эту вероятность.

Кинетика флотационного процесса характеризуется зависимостью из-

влечения ε флотирующегося минерала от времени t, т. е. ε= f (t).

Производная

представляет собой скорость флотации.

Практически скорость флотации характеризуется ее продолжительно-

стью, необходимой для получения определенного процента извлечения:

Для расчета скорости флотации было предложено большое количество

формул. К числу наиболее распространенных можно отнести формулу Бело-

глазова К.Ф., который рассматривал процесс флотации как сумму отдельных

процессов прилипания, а так как в процессе участвует большое количество

частиц и пузырьков он применил статистический метод.

Обозначим:

n – число исходных частиц

x – число частиц, перешедших в пену за время t

n−х – число частиц, оставшихся в пульпе

N – количество пузырьков, поступающих в единицу времени

Тогда:

За время dt пройдет Ndt пузырьков

Тогда:

Число столкновений частиц с пузырьком Ndt (n-x)

Тогда сфлотируется:

dx= Ndt (n−x)ϕ

ϕ – вероятность устойчивого закрепления частиц на пузырьках

Перенося влево величину n - x и интегрируя, получим:

∫∫

−

закр

dtN

Деля числитель и знаменатель первого интеграла на n и заменяя

че-

рез

(извлечение в долях единиц), а N ϕ через К получим:

−

Величина

−

названа коэффициентом удельной скорости флотации.

Его величина не зависит от того, сколько частиц минерала было сфло-

тировано за время, предшествующее рассматриваемому.

Следует помнить, что в формуле Белоглазова К.Ф. не учтено:

1. Минеральные частицы не однородны по крупности (скорость извле-

чения у них разная).

2. Наличие сростков, которые флотируются с меньшей скоростью, чем

минеральные зерна.

Поэтому в реальных условиях неизбежно некоторое отклонение от

уравнения Белоглазова

Кривые изменения коэффициента удельной скорости флотации, по-

строенные в координатах

−

на основании результатов дробной флота-

ции, могут иметь три принципиально отличные формы (рис. 1.10.)

Рис.1.10. Характер изменения коэффициента удельной скорости флотации

Прямолинейная зависимость (кривая 1) свидетельствует о том, что фло-

тация протекает все время с постоянной скоростью.

Выпуклая форма кривой 2 свидетельствует об уменьшении скорости

флотации к концу процесса. Это может быть следствием удаления из пульпы

в первые минуты более легкофлотируемых зерен, уменьшения концентрации

реагентов в пульпе.

Вогнутая форма кривой 3 показывает, что к концу флотации ее скорость

возрастает, причиной этого может быть выведение тонких шламов из пульпы

в первые минуты флотации, повышение извлечения за счет более длительного

контактирования минералов с реагентами и воздухом (кислородом), аэрации

пульпы.

Чтобы улучшить флотацию (согласно кривой 2) целесообразно:

• Попробовать подать собиратель порционно по фронту флотации.

• Подать (дополнительно) собиратель в последние камеры.

В случае получения кривой аналогичной кривой 3 следует:

• Перед флотацией провести обесшламливание .

• Увеличить время контактирования с реагентами путем переноса точек

подачи реагентов ближе к началу схемы.

Модели флотации

Кинетическая модель процесса флотации необходима для разработки

научных принципов расчета и конструирования новых флотационных аппара-

тов, проектирования флотационных фабрик с учетом требования контроля и

автоматизации, построения схем управления процессом в режиме автомати-

ческого регулирования.

К настоящему времени предложено несколько типов моделей:

• Модель четырех состояний

• Двухфазная модель флотации

• Однофазная модель флотации

Степень описания процесса флотации предложенными моделями недо-

статочна. Они не позволяют с необходимой точностью предсказывать ре-

зультаты флотации. Параметры моделей можно определить только экспери-

ментально. Причиной этого является многогранность, многофакторность фло-

тационного процесса и отсутствие достоверного аналитического описания

гидродинамических флотационных аппаратов, физико-химических условий

флотации, скорости минерализации пузырьков и их движения и процессов в

пенном слое.

Лекция 6

План лекции:

1. Назначение и классификация флотационных реагентов [1 с.123-124, 3

с.48-49]

2.Основные формы закрепления реагентов [2 с.88-94, 3 с.49-64]

2. ФЛОТАЦИОННЫЕ РЕАГЕНТЫ

2.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ФЛОТАЦИОННЫХ РЕА-

ГЕНТОВ. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ РЕАГЕНТОВ

Назначение и классификация флотационных реагентов

Возможность флотационных явлений обусловлена разницей в удельных

свободных поверхностных энергиях на границе раздела фаз. В обычной наи-

более важной в практическом отношении пенной флотации участвуют три

фазы: вода, минерал, воздух. Назначением флотационных реагентов является

направленное изменение поверхностной энергии на границе раздела этих фаз

в целях изменения показателя флотируемости разделяемых минералов, числа

и размера пузырьков воздуха, прочности пены. Прогресс в области флотаци-

онного обогащения в значительной мере определяется совершенствованием

реагентного режима, улучшением способов использования флотационных ре-

агентов, разработкой и внедрением новых эффективных реагентов и их соче-

таний.

Флотационные реагенты могут быть органическими или неорганиче-

скими соединениями, а также их растворами или смесями. Одни из них обра-

зуют в водной фазе пульпы истинные растворы ионно-молекулярной дис-

персности, другие растворяются весьма слабо, образуя коллоидно-дис-

персные растворы, эмульсии и тонкие взвеси. Номенклатура реагентов насчи-

тывает сотни наименований.

Современная классификация предусматривает разделение флотацион-

ных реагентов в зависимости от их роли при флотации на следующие группы:

– Пенообразователи, представляющие собой различные гетерополяр-

ные органические соединения, которые в результате их адсорбции на поверх-

ности раздела жидкость − газ облегчают диспергирование воздуха на мелкие

пузырьки, препятствуют слиянию пузырьков и повышают прочность пены;

– Собиратели, представляющие собой органические вещества, способ-

ные закрепиться на поверхности извлекаемых минералов и резко увеличить

их флотируемость;

– Депрессоры, или подавители, к которым относятся реагенты понижа-

ющие флотируемость тех минералов, извлечение которых в пенный продукт

нежелательно в данной операции;

– Активаторы, к которым относятся реагенты, способствующие за-

креплению собирателя на поверхности, гидрофобизации поверхности и фло-

тации извлекаемого минерала;

– Регуляторы pH среды, к которым относятся реагенты, влияющие на

процессы взаимодействий собирателей, депрессоров и активаторов с минера-

лами. Основное назначение их состоит в регулировании ионного состава

пульпы, процессов диспергирования и коагуляции тонких шламов.

Депрессоры, активаторы и регуляторы среды часто относят к одной

группе и называют м о д иф и к а т ора м и , поскольку один и тот же реагент

может выполнять различную роль при флотации.

Классификация реагентов в известной степени условна. Так, например,

имеются собиратели, обладающие свойствами пенообразователей, и пенооб-

разователи, проявляющие собирательное действие. Регулятор, являющийся в

одном случае подавителем, может оказаться в других условиях активатором;

ввиду этого правильнее говорить об активирующем или подавляющем дей-

ствии того или иного реагента-регулятора.

Ко всем флотационным реагентам предъявляются следующие требова-

ния: селективность действия, стандартность качества, дешевизна и недефи-

цитность, нетоксичность, удобство в применении (устойчивость при хране-

нии, хорошая растворимость в воде, отсутствие неприятного запаха при хра-

нении и применении и т. д.).

Направленное изменение поверхностной энергии раздела фаз под дей-

ствием флотационных реагентов достигается в результате их химических вза-

имодействий в объеме жидкой фазы и адсорбции на поверхности, возмож-

ность протекания которых зависит от природы и состояния межфазной по-

верхности и реагентов в пульпе.

Основные формы закрепления реагентов

Уже давно определено, что воздействие реагентов на процесс флотации

связанно с закреплением их на поверхности пузырьков или частиц минералов

(адсорбцией).

В большинстве случаев закрепление реагентов как на поверхности воз-

душных пузырьков, так и на минеральных частицах происходит путем ад-

сорбции на границе раздела фаз.

Адсорбция представляет собой самопроизвольный процесс, сопрово-

ждающийся уменьшением свободной энергии системы и выделением опреде-

ленного количества тепла.

Взаимодействие реагентов с поверхностью минералов может быть фи-

зическое и химическое.

При физической адсорбции связь с кристалической решеткой осуще-

ствляется за счет сил межмолекулярного притяжения (Ван-дер-Ваальса) и она

не сопровождается электронными процессами.

Хемосорбция обусловлена валентными или химическими силами.

Из этого принципиального различия вытекают и другие:

1. При физической адсорбции тепловой эффект, а следовательно, и

прочность связи с молекулами или ионами невелика (около 400-2000

кал/моль).

При хемосорбции он более значителен (до 35000 кал/моль).

2. Обратимость адсорбции.

Хемосорбция необратима и химически адсорбированный слой не сни-

мается даже при многократной промывке.

3. Хемосорбция отличается специфичностью действия на минерал, что

имеет существенное значение при флотации.

4. Физическая адсорбция отмечается большой скоростью, по сравнению

с химической адсорбцией. У последней она изменяется в широких пределах.

5. Для физической адсорбции характерно более равномерное распреде-

ление реагента на поверхности твердой фазы, при химической адсорбции –

реагент, прежде всего, закрепляется на активных участках, а затем уже на

остальных (может быть на отдельных участках полислойное покрытие).

Химическая адсорбция подразделяется на:

– обменную,

– активированную,

– потенциалоопределяющую.

Обменная адсорбция

Обменная адсорбция подчиняется правилу Панета-Фаянса: адсорбция

иона, не входящего в состав кристаллической решетки тем лучше, чем мень-

ше растворимость соединения, образуемого этим ионом с противоположно

заряженным ионом кристаллической решетки.

Активированная адсорбция

Активированная адсорбция является основой гетерогенного катализа

(твердая фаза является катализатором). Например, в случае олеиновой кисло-

ты возможно образование:

Потенциал определяющая адсорбция или специфическая адсорбция

определяется тремя причинами:

1) ионизацией или растворением минералов;

2) адсорбцией минералом ионов из раствора;

3) адсорбцией молекул, имеющих значительный дипольный момент.

Рис.2.1. Варианты адсорбции гетерополярных

реагентов на поверхности пузырька

где: а – слабая концентрация,

б – повышенная, в – высокая.

Закрепление реагентов на поверхности воздушных пузырьков

Носителем свободной поверхностной энергии на разделе фаз вода – воз-

дух является мономолекулярный слой молекул воды.

Расчеты, показывают, что для изолированной молекулы поверхностно-

активного вещества горизонтальное положение на поверхности раздела вода-

воздух соответствует минимальной энергии, т.е. наиболее выгодно в энерге-

тическом отношении (рис. 2.1).

Лекция 7

План лекции:

1. Собиратели [2 с.109-113, 3 с.66-67]

2. Сульфгидрильные собиратели [2 с.132-145, 3 с.88-99]

2.2. СОБИРАТЕЛИ

Собиратели – это органические вещества, способствующие прилипа-

нию минеральных частиц к пузырькам воздуха.

Молекулы ионногенных собирателей имеют сложное строение и состо-

ят из 2х частей, отличных по своим свойствам – аполярной и полярной.

Аполярная часть – молекулы представляет собой углеводородный ради-

кал, который практически не взаимодействует с диполями воды и характери-

зуется явно выраженной гидрофобностью, связанной с наличием у углеводо-

родных радикалов весьма слабых боковых остаточных сил Ван–дер–Вальса

при высоком значении сил связи внутри самих углеводородных цепей.

Полярная часть молекулы, в противоположность аполярной, отличает-

ся способностью к взаимодействию с водой.

На рисунке 2.2 представлена классификация реагентов – собирателей.

На рисунке 2.3 показаны в силовом изображении энергия химического

взаимодействия – А между катионами решетки минерала и полярными груп-

пами собирателя, а также энергия дисперсного взаимодействия – Б между уг-

леводородными цепями собирателя.

Адсорбционное закрепление молекул собирателя на поверхности мине-

рала приводит к ослаблению силовых полей, создаваемых поверхностными

атомами его кристаллической решетки, связи диполей воды с поверхностью

минерала разрушаются.

Рис.2.2. Классификация реагентов-собирателей

Рис.2.3. Энергия взаимодействия собирателя

с минералом

Неионогенны

е − это

жидкие

апполярные

углеводород

неопределённы

м химическим

составом

(смолы,

судьфидизиров

анный и

окисленный

керосин и др.)

КАТИООННЫЕ

(гидрофобизирующим

ионом является

катион)

солидофильная группа

на основе пяти

валентного азота

АНИОННЫЕ

(гидрофобизирующим

ионом является анион)

солидофильная группа

различного состава

ионогенные

Собиратели с солидофильными

группами на основе анионов

органических и сульфокислот

Собиратели с солидофильными

группами на основе анионов 2х

валентной серы

Собиратели с

карбоксильной

солидофильной

группой

(органические

кислоты и мыла)

Собиратели с

солидофильными

группами на основе

анионов серной кислоты

аа

Собиратели типа

ксантогенатов с

солидофильной

группой

Собиратели типа

дитиофосфатов с

солидной группой

Реагенты собиратели

Появление в зоне расположения гидратных слоев у поверхности мине-

рала гидрофобных групп собирателя, практически невзаимодействующих с

водой ведет:

1. К снижению устойчивости гидратных слоев и уменьшению их тол-

щины.

2. Увеличению гистерезиса смачивания минерала, проявляющемуся в

замедлении передвижения трехфазового периметра смачивания и возникнове-

нию известной жесткости его закрепления.

3. Сокращению времени прилипания в тысячи и десятки тысячи раз.

4. Увеличению прочности прилипания воздушного пузырька к мине-

ральным частицам и, следовательно, повышению извлечения.

2.2.1. Сульфгидрильные собиратели

Ксантогенаты

К сульфгидрильным собирателям относятся реагенты, содержащие в

своем составе сульфгидрильную группу. Ксантогенаты (техническое название

−ксантаты) и дитиофосфаты (техническое название −аэрофлоты) являются

важнейшими реагентами собирателями, наиболее широко применяемыми при

флотации сульфидных руд цветных металлов, а также руд благородных ме-

таллов.

Ксантогенаты −это соли ксантогеновых кислот.

ROCSSH −ксантогеновая кислота.

ROCSSK −калиевая соль ксантогеновой кислоты (более употребляемое

название – ксантогенат калия).

Этиловый ксантогенат калия −C

OCSSK или CH

OCSSК.

Пропиловый ксантогенат −C

OCSSK или CH

OCSSK.

Бутиловый ксантогенат −C

OCSSK или CH

OCSSК.

Амиловый ксантогенат −C

OCSSK или CH

OCSSK.

Структура молекулы ксантогената:

SMe

COR

−−