Флотация

ФЛОТАЦИЯ

ФЛОТАЦИЯ (франц. flottation, англ, flotation, букв.- плавание на пов-сти воды), разделение мелких твердых частиц (гл. обр. минералов) и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на разл. смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преим. водой) и на их избират. прилипании к пов-сти раздела, как правило, жидкость - газ (очень редко твердые частицы - жидкость). Осуществляют флотацию гл. обр. с использованием спец. в-в - флотац. реагентов (флотореа-гентов).

Области применения

Флотация- один из гл. методов обогащения полезных ископаемых. С ее помощью обогащаются: все медные, молибденовые и свинцово-цинковые руды, значит. часть бериллиевых, висмутовых, железных, золотых, литиевых, марганцевых, мышьяковых, оловянных, ртутных, серебряных, сурьмяных, титановых и др. руд; неметаллич. ископаемые - апатит и фосфориты, барит, графит, известняк (для произ-ва цемента), магнезит, песок (для произ-ва стекла), плавиковый и полевой шпаты и т. д.

Посредством флотации можно разделять  также водорастворимые соли, взвешенные в их насыщенных р-рах [напр., отделять сильвин (KCl) от галита (NaCl)]. Благодаря флотации в пром. произ-во вовлекаются м-ния тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых. Флотацию применяют также для очистки воды от орг. в-в (нефти, масел и др.), тонкодисперсных осадков солей и шламов, для выделения и разделения бактерий и т. д.

Помимо  горноперерабатывающих отраслей пром-сти флотацию используют в хим., пищ. и др. отраслях для ускорения отстаивания, выделения твердых взвесей и эмульгир. орг. в-в; для разделения синтетич. орг. ионитов и выделения из пульп ионитов, нагруженных разл. адсорбатами; при переработке бумажных отходов для отделения чистых целлюлозных волокон от испачканных; для очистки натурального каучука от примесей; для извлечения нафталина из воды, охлаждающей коксовый газ; очистки пром. стоков и др.

Разновидности процесса Широкое  применение флотации привело к появлению  большого числа разновидностей процесса.

Пенная  флотация - наиб. распространенный способ флотации, к-рым в мире ежегодно обогащают 1 млрд. т горной массы -более 20 типов руд. Первый патент на этот способ был выдан братьям Адольфу и Артуру Бесселям (Германия, 1877). Согласно патенту, частицы графита, закрепившиеся на газовых пузырьках, образующихся при кипячении суспензии (пульпы), всплывали на пов-сть жидкости и выводились из зоны разделения. В дальнейшем для увеличения числа и суммарной пов-сти пузырьков такой способ их образования заменили принудит. подачей газа (обычно воздуха) в аппарат для разделения - флотац. машину.

Ф и з.- х и м. основы. Применительно к пенному режиму флотация осуществляется в трехфазной среде "твердые частицы -жидкость - газ", наз. пульпой. Твердая фаза представлена частицами минералов, получаемых при дроблении и помоле руды с целью выделения полезных компонентов из сростков с минералами пустой породы; тяжелые минералы измельчают до крупности 0,1-0,2 мм, легкие (уголь, сера, фосфаты и др.) - до 0,2-3 мм. Жидкая фаза содержит воду, продукты выщелачивания минералов, флотореагенты, растворенные газы, продукты износа оборудования, коллоидные частицы и т. д. Газовая фаза состоит из пузырьков (размеры от десятков мкм до 1-2 мм), образующихся при прохождении воздуха через диспергирующее устройство (аэратор). Положит. роль во флотации могут играть газовые пузырьки, выделяющиеся из р-ра.

Сущность  элементарного  акта флотации заключается в следующем. При сближении в водной среде пузырька газа и гидрофобной пов-сти минеральной частицы (см. Лиофильность и лиофобность), адгезия к-рой к воде меньше когезии воды, разделяющая их водная прослойка при достижении нек-рой критич. толщины становится неустойчивой и самопроизвольно прорывается. Этот этап завершается полным смачиванием частицы, обеспечивающим прочное слипание пузырька и частицы. Вследствие того, что плотность комплексов, или агрегатов "пузырьки - частицы", меньше плотности пульпы, они всплывают (флотируют) на ее пов-сть и образуют пенный минерализованный слой, к-рый удаляется из флотац. машины. Известно неск. модификаций пенной флотации: вакуумная, фло-тогравитация, ионная, электрофлотация, флотация с выделением CO2, пенная сепарация.

Вакуумная флотация. По этому способу, предложенному Ф. Элмором (Великобритания, 1906), жидкость, содержащая твердые частицы, насыщается газом, к-рый при понижении давления выделяется из нее в виде мелких пузырьков на пов-сти гидрофобных частиц.

Флотогравитация - комбинир. процесс обогащения полезных ископаемых, совмещающий флотацию и разделение мелких твердых частиц под действием силы тяжести или в поле центробежных сил. Процесс проводят в спец. аппаратах (концентрационные столы, винтовые сепараторы, ленточные шлюзы, концентраторы, осадочные машины). В них благодаря обработке пульпы флотореагентами и введению в нее пузырьков воздуха образуются т. наз. аэрофлокулы определенных минералов, имеющие меньшую плотность, чем частицы, не взаимодействующие с воздушными пузырьками. Создаваемое при этом различие в плотности способствует более эффективному разделению частиц минералов, в т. ч. меньшей крупности, чем при обычном гравитац. обогащении. В пром-сти флотогравитацию используют для выделения сульфидных минералов из вольфрамовых и оловянных концентратов, а также для отделения циркона от пирохлора, шеелита от касситерита и др.

Ионная флотация разработана в 50-х гг. 20 в. (Ф. Себба, ЮАР) для очистки воды, а также извлечения полезных компонентов из разб. р-ров. Отдельные ионы, молекулы, тонкодисперсные осадки и коллоидные частицы взаимод. с флотореагентами-собирателями, обычно катион-ного типа, и извлекаются пузырьками газа в пену либо пленку на пов-сти р-ра. Способ перспективен для переработки пром. стоков, минерализов. подземных термальных и шахтных вод и морской воды.

Электрофлотация. Для ее проведения используют пов-сть пузырьков водорода и кислорода, выделяющихся при электролитич. разложении воды.

Предложен также способ флотации, согласно к-рому в пульпу вводят пузырьки CO2, образующегося в результате хим. р-ции.

Другие  способы флотации. Среди всех способов первой была предложена (1860) масляная флотация (В. Хайнс, Великобритания). Для ее осуществления измельченную руду перемешивают с минеральным маслом и водой; при этом сульфидные минералы селективно смачиваются маслом, всплывают вместе с ним и удаляются с пов-сти воды, а пустые породы (кварц, полевой шпат и др.) осаждаются. В России масляная флотация была применена для обогащения графитовой руды (Мариуполь, 1904). В дальнейшем этот способ усовершенствовали: масло диспергировали до эмульсионного состояния, что позволило извлекать тонкие шламы, напр. марганцевых руд.

Способность гидрофобных минеральных  частиц удерживаться на пов-сти воды, в то время как гидрофильные частицы в ней тонут, была использована А. Нибелиусом (США, 1892) и А. Мак-Куистеном (Великобритания, 1904) для разработки пленочной флотации. В этом процессе из тонкого слоя измельченной руды, находящегося на пов-сти потока воды, выпадают гидрофильные частицы.

В настоящее  время масляная, пленочная  и нек-рые др. способы флотации практически не применяются.

Флотационные  реагенты

Флотореагенты - хим. в-ва (чаще всего применяют ПАВ), к-рые добавляют при флотации в пульпу для создания условий селективного (избирательного) разделения минералов. Флотореагенты позволяют регулировать взаимод. минеральных частиц и газовых пузырьков, хим. р-ции и физ.-хим. процессы в жидкой фазе, на границах раздела фаз и в пенном слое путем гидрофобизации пов-сти одних и гидратации пов-сти др. твердых частиц. По назначению различают три группы фло-тореагентов: собиратели, пенообразователи и модификаторы. По хим. составу флотореагенты бывают органическими (пре-им. собиратели и пенообразователи) и неорганическими (в осн. модификаторы); те и другие м. б. неионогенными, мало или практически нерастворимыми в воде, и ионогенными, хорошо растворимыми в ней в-вами.

Собиратели (коллекторы). Роль этих реагентов заключается в селективной гидрофобизации (понижении смачива-емости) пов-сти нек-рых минеральных частиц и возникновении тем самым условий для прилипания к ним газовых пузырьков. Гидрофобизация достигается вытеснением гидрат-ной пленки с пов-сти частиц. Закрепление на ней м. б. обусловлено ван-дер-ваальсовыми силами (физ. адсорбция) либо образованием хим. связи (хемосорбция). По структурным признакам собиратели подразделяют на анионные, кати-онные, амфотерные и неионогенные. Молекулы анионных и катионных реагентов содержат неполярные (углеводородные) и полярные (амино-, карбокси- или др.) группы. Последние обращены к минералу, сорбируются на пов-сти частиц и гидрофобизируют ее, а неполярные группы обращены в воду, отталкивают ее молекулы и предотвращают гидратацию пов-сти частиц.

К анионным собирателям относятся  соед., к-рые содержат сульфгидрильную (меркапто-) или гидроксильную группы, а также их производные - т. наз. сульфгидрильные и оксгид-рильные реагенты. Сульфгидрильные реагенты предназначены для флотации минералов сульфидных руд Cu, Pb, Zn, Ag, Au, Co, Ni, Fe и включают ксантогенаты (изопропил-, пентил- и этилпроизводные), дитиофосфаты (дикрезил- и диэтилпроиз-водные), меркаптаны и их производные (диалкилтионокарба-маты). Оксгидрильные реагенты применяют для флотации карбонатов, оксидов, сульфатов, фосфатов, фторидов и нек-рых др. минералов; к этим реагентам относятся алифатич. (кар-боновые) к-ты, моноалкилсульфаты, сульфосукцинаты, ал-кан- и алкиларилсульфонаты, алкилгидроксамовые и алкил-арилфосфоновые к-ты и их соли, алкилариловые эфиры фосфорных к-т и их соли, сульфированные алкилмоноглице-риды.

Катионные собиратели, среди  к-рых наиб. распространены алифатич. первичные амины, а также вторичные амины (в керосине), соли четвертичных аммониевых оснований и ами-ноэфиры с короткой разветвленной цепью, используют для флотации калийных солей (гл. обр. KCl при отделении его от NaCl), кварца, силикатов, сульфидов и т. д.

Амфотерные собиратели имеют в своем составе амино- и карбоксильную группы, благодаря чему сохраняют активность как в кислой, так и в щелочной средах. Данные коллекторы особенно эффективны для флотации минералов класса оксидов в воде повышенной жесткости.

Неионогенные  собиратели представлены неполярными соед.- углеводородными жидкостями преим. нефтяного происхождения (газойли, дизельные масла, керосин и т. д.), а также жирами и др. В виде водных эмульсий они служат для флотации алмазов, графита, калийных солей, молибденита, самородной S, талька, углей, фосфатов и др. минералов с неполярной пов-стью. Совместное применение полярных коллекторов с неполярными, а также диспергирование, напр. с помощью ультразвука, эмульсий последних (что усиливает адгезионное закрепление их на пов-сти минералов за счет физ. адсорбции) существенно улучшает флотацию крупных частиц; при этом наряду с адгезией флотация сопровождается также и хим. р-циями.

Пенообразователи (вспениватели), адсорбируясь на пов-сти раздела газ - жидкость, понижают поверхностное натяжение, способствуют образованию устойчивой гидратной оболочки пузырьков воздуха, уменьшают их крупность и препятствуют коалесценции, умеренно стабилизируют мине-рализов. пену. В качестве вспенивателей используют одноатомные алифатич. спирты (напр., метилизобутилкарбинол), гомологи фенола (крезолы и ксиленолы), техн. продукты (пихтовое и сосновое масла), содержащие терпеновые спирты, монометиловые и монобутиловые эфиры полипропилен-гликолей, полиалкоксиалканы (напр., 1,1,1,3-тетраэтоксибу-тан) и др. Пенообразующими св-вами обладают нек-рые собиратели (амины, карбоновые к-ты).

Модификаторы (регуляторы) позволяют сделать  возможной, усилить, ослабить или исключить  адсорбцию собирателей на минералах. Благодаря регуляторам уменьшается расход собирателей, достигаются разделение минералов с близкой плотностью, обогащение руд сложного состава с получением неск. концентратов. Модификаторы, улучшающие закрепление собирателей на пов-сти определенных минералов и ускоряющие флотацию, наз. активаторами; регуляторы, затрудняющие закрепление коллекторов,- подавителями, или депрессорами.

Для минералов класса оксидов потенциалопределяющими являются ионы H+ и ОН-; их концентрации изменяются путем подачи к-т, щелочей и соды. Для сульфидов потенциалопределяющими служат катионы металлов и анионы HS- и S2-. Поэтому распространенным активатором при флотации сульфидов сульфгидрильными собирателями является, напр., Na2S. Жидкое стекло применяют как депрессор флотации силикатных материалов; известь и цианиды подавляют флотацию пирита, сульфидов Cu и Zn и т. д. Для снижения отрицательного воздействия на флотацию частиц микронных размеров (тонких шламов) используют разобщающие их реагенты-пептизаторы (диспергаторы); к ним относятся неорг. (напр., жидкое стекло) и орг. (декстрин, карбоксиметилцеллюлоза, крахмал, лигносульфонаты и др.) соединения. Кроме упомянутых имеются также регуляторы рН среды.