Область применения флотационных методов обогащения

Содержание

1. Области применения флотации………………………………………………..3

1.1 Виды флотации………………………………………………………………..4

1.2 Флотационные реагенты……………………………..……………………….6

1.3 Флотационные процессы и оборудование……………………...………….10

1.4 Основные направления совершенствования процесса флотации…………………………………………………………………...……..16

Список литературы………………………………………………………………17

1. Области применения флотации

Флотация – один из главных  методов обогащения полезных ископаемых. С ее помощью обогащаются: все  медные, молибденовые и свинцово-цинковые руды, часть бериллиевых, висмутовых, железных, золотых, литиевых, марганцевых, мышьяковых, оловянных, ртутных, серебряных, сурьмяных, титановых и других руд; неметаллические ископаемые - апатит и фосфориты, барит, графит, известняк (для производства цемента), магнезит, песок (для производства стекла), плавиковый и полевой шпаты и так далее.

Посредством флотации можно  разделять также водорастворимые  соли, взвешенные в их насыщенных растворах [например, отделять сильвин (KCl) от галита (NaCl)]. Благодаря флотации, в промышленное производство вовлекаются месторождения  тонковкрапленныхруд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых. Флотацию применяют также  для очистки воды от органических веществ (нефти, масел и др.), тонкодисперсных  осадков солей и шламов, для  выделения и разделения бактерий и т. д.

Помимо горноперерабатывающих  отраслей промышленности флотацию используют в химических, пищевых и других отраслях для ускорения отстаивания, выделения твердых взвесей и  эмульгиргованных органических веществ; для разделения синтетических органических ионитов и выделения из пульп  ионитов, нагруженных различными 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  промышленных стоков и др.

Широкое применение флотации привело к появлению большого числа разновидностей процесса.

1.1 Виды флотации

Пенная флотация - наиболее распространенный способ флотации, которым в мире ежегодно обогащают 1 млрд. тонн 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 поверхность жидкости и выводились из зоны разделения. В дальнейшем для увеличения числа и суммарной поверхности пузырьков такой способ их образования заменили принудительной подачей газа (обычно воздуха) в аппарат для разделения - флотационную машину.

Физико-химические основы. Применительно  к пенному режиму флотация осуществляется в трехфазной среде "твердые частицы - жидкость - газ", называют 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). Положительную роль во флотации могут играть газовые пузырьки, выделяющиеся из раствора.

Сущность элементарного  акта флотации заключается в следующем. При сближении в водной среде  пузырька газа и гидрофобной поверхности  минеральной частицы, адгезия которой  к воде меньше когезии воды, разделяющая  их водная прослойка при достижении некоторой критической 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 поверхность и образуют пенный минерализованный слой, который удаляется из флотационной машины.

Известно несколько модификаций пенной флотации: вакуумная, флотогравитация, ионная, электрофлотация, флотация с выделением CO2, пенная сепарация.

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

Флотогравитация - комбинированный процесс обогащения полезных ископаемых, совмещающий флотацию и разделение мелких твердых частиц под действием силы тяжести или в поле центробежных сил. Процесс проводят в специальных аппаратах (концентрационные столы, винтовые сепараторы, ленточные шлюзы, концентраторы, осадочные машины). В них благодаря обработке пульпы флотореагентами и введению в нее пузырьков воздуха образуются так называемые 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 том числе меньшей крупности, чем при обычном гравитационном обогащении. В промышленности 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 растворов. Отдельные ионы, молекулы, тонкодисперсные осадки и коллоидные частицы взаимодействуют с флотореагентами - собирателями, обычно катионогого типа, и извлекаются пузырьками газа в пену либо пленку на поверхности раствора. Способ перспективен для переработки промышленных стоков, минерализованных подземных термальных и шахтных вод и морской воды.

Электрофлотация. Для ее проведения используют поверхность пузырьков водорода и кислорода, выделяющихся при электролитическом разложении воды.

Предложен также способ флотация, согласно которому в пульпу вводят пузырьки CO2, образующегося в результате химической реакции.

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 поверхности 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, например, марганцевых руд.

Способность гидрофобных  минеральных частиц удерживаться на поверхности 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 поверхности потока воды, выпадают гидрофильные частицы.

В настоящее время масляная, пленочная и некоторые другие способы флотации практически не применяются.

1.2 Флотационные реагенты

Флотореагенты - химические вещества (чаще всего применяют ПАВ), которые добавляют при флотации в пульпу для создания условий селективного (избирательного) разделения минералов. Флотореагенты позволяют регулировать взаимодействие минеральных частиц и газовых пузырьков, химической реакции и физико-химические процессы в жидкой фазе, на границах раздела фаз и в пенном слое путем гидрофобизации поверхности одних и гидратации поверхности других твердых частиц. По назначению различают три группы флотореагентов: собиратели, пенообразователи и модификаторы. По химическому составу флотореагенты бывают органическими (собиратели и пенообразователи) и неорганическими (в основном модификаторы); те и другие могут быть неионогенными, мало или практически нерастворимыми в воде, и ионогенными, хорошо растворимыми в ней веществами.

Собиратели (коллекторы). Роль этих реагентов заключается в селективной гидрофобизации (понижении смачиваемости) поверхности некоторых минеральных частиц и возникновении тем самым условий для прилипания к ним газовых пузырьков. Гидрофобизация достигается вытеснением гидратной пленки с поверхности частиц. Закрепление на ней может быть обусловлено ван-дер-ваальсовыми силами (физ. адсорбция) либо образованием химической связи (хемосорбция). По структурным признакам собиратели подразделяют на анионные, катионные, амфотерные и неионогенные. Молекулы анионных и катионных реагентов содержат неполярные (углеводородные) и полярные (амино-, карбокси- или др.) группы. Последние обращены к минералу, сорбируются на поверхности частиц и гидрофобизируют ее, а неполярные группы обращены в воду, отталкивают ее молекулы и предотвращают гидратацию поверхности частиц.

К анионным собирателям относятся  соединения, которые содержат сульфгидрильную (меркапто-) или гидроксильную группы, а также их производные - так называемые сульфгидрильные и оксгидрильные  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 некоторых других минералов; к этим реагентам относятся алифатические (карбоновые) кислоты, моноалкилсульфаты, сульфосукцинаты, алкикан- и алкиларилсульфонаты, алкилгидроксамовые и алкил-арилфосфоновые кислоты и их соли, алкилариловые эфиры фосфорных кислоты и их соли, сульфированные алкилмоноглице-риды.

Катионные собиратели, среди  которых наиболее распространены алифатические  первичные амины, а также вторичные  амины (в керосине), соли четвертичных аммониевых оснований и ами-ноэфиры  с короткой разветвленной цепью, используют для флотации калийных солей (главным образом KCl при отделении  его от NaCl), кварца, силикатов 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 соединениями – углеводородными жидкостями преимущественно  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 поверхностью. Совместное применение полярных коллекторов  с неполярными, а также диспергирование, например, с помощью ультразвука, эмульсий последних (что усиливает  адгезионное закрепление их на поверхности  минералов за счет физической адсорбции) существенно улучшает флотацию крупных  частиц; при этом наряду с адгезией Флотация сопровождается также и  химическими реакциями.

Пенообразователи (вспениватели), адсорбируясь на поверхности раздела газ - жидкость, понижают поверхностное натяжение, способствуют образованию устойчивой гидратной оболочки пузырьков воздуха, уменьшают их крупность и препятствуют коалесценции, умеренно стабилизируют минерализованную пену. В качестве вспенивателей используют одноатомные алифатические спирты (например, метилизобутилкарбинол), гомологи фенола (крезолы и ксиленолы), технические продукты (пихтовое и сосновое масла), содержащие терпеновые спирты, монометиловые и монобутиловые эфиры полипропилен-гликолей, полиалкоксиалканы (например, 1,1,1,3-тетраэтоксибутан) и др. Пенообразующими свойствами обладают некоторые собиратели (амины, карбоновые кислоты).

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 нескольких концентратов. Модификаторы, улучшающие закрепление собирателей на поверхности определенных минералов и ускоряющие флотацию, называют активаторами; регуляторы, затрудняющие закрепление коллекторов - подавителями, или депрессорами.

Для минералов класса оксидов  потенциалопределяющими являются ионы H+ и ОН-; их концентрации изменяются путем подачи кислот, щелочей и  соды. Для сульфидов потенциалопределяющими служат катионы металлов и анионы HS- и S2-. Поэтому распространенным активатором  при флотации сульфидов сульфгидрильными собирателями является, например, 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 неорганические (например, жидкое стекло) и органические (декстрин, карбоксиметилцеллюлоза, крахмал, лигносульфонаты и др.) соединения. Кроме упомянутых имеются также регуляторы рН среды. В большинстве случаев флотореагенты обладают комплексным действием (которое зависит от природного состава поверхности минералов, рН среды, температуры пульпы и т.д.) и приведенная их классификация весьма условна.

Избирательность флотации регулируют наряду с иными факторами подбором реагентов, ассортимент которых  достигает несколько сотен, и  их расходом. При увеличении поверхности  флотируемых минералов расход собирателей  и активаторов возрастает. Расход пенообразователей немного увеличивается  при повышенном содержании обрабатываемого  минерала и грубом помоле руды. Расход депрессоров возрастает при повышенной флотируемости подавляемых минералов, высоких концентрациях собирателей  в пульпе (например, при разделении коллективных концентратов), а также  при использовании малоизбирательных  коллекторов, содержащих в молекулах  длинноцепочечные углеводородные радикалы (например, высшие жирные кислоты и  мыла).