Теоретическое введение

Цель работы

1.1. Изучить устройство и принцип работы лабораторной флотационной машины.

1.2. Изучить методику проведения флотационных опытов и определения качественно-количественных показателей флотации.

1.3. Изучить методику определения величины рН среды при флотации и ее влияние на флотируемость сульфидных минералов.

Теоретическое введение

Флотация – наиболее совершенный метод обогащения полезных ископаемых. Более 90% добываемых руд цветных металлов, значительная часть руд редких, благородных, черных металлов и неметаллических полезных ископаемых, углей обогащается флотацией.

Флотационный метод обогащения полезных ископаемых осно­ван на различии физико-химических свойств поверхности минералов, выражающемся в различной способности минералов смачиваться водой и закрепляться на междуфазовой границе раздела жидкость – газ. Частицу минерала, закрепившуюся на междуфазовой поверхности, называют флотирующей­ся, незакрепившуюся – нефлотирующейся.

Разделение минералов методом флотации осуществляется во флотационной пульпе, которая представляет собой гетерогенную систему, включающую несколько фаз: твердую, жидкую и газообраз­ную. Роль газообразной фазы выполняют воздушные пузырьки, рас­пределенные по всему объему пульпы и непрерывно всплывающие на ее поверхность с образованием пенного слоя. Основываясь на внешних признаках, флотацию можно определить как ме­тод разделения минералов, основанный на их различной способ­ности закрепляться на поверхности всплывающих пузырьков в вод­ной среде. При этом флотирующиеся минералы, выносимые воздуш­ными пузырьками на поверхность пульпы, могут быть выделены в виде пенного продукта.

Способность минералов закрепляться на границе раздела жидкость – газ определяется свойством смачиваемости. Критерием, или мерой смачиваемости поверхности твердого тела при соприкосновении трех несмещающихся фаз – твердой (Т), жидкой (Ж) и газообразной (Г), является равновесный краевой угол q_p, образованный поверхностью раздела двух фаз с поверхностью третьей и всегда измеряемый через жидкую фазу. Чем меньше смачиваемость минерала водой, тем больше степень гидрофобности его поверхности, больше угол q_p и выше прочность закрепления на воздушных пузырьках. Величина краевого угла определяется соотношением значений удельной свободной поверхности энергии на границах раздела «минерал – вода» и «минерал – газ», что выражается в соотношении поверхностного натяжения _т-ж и (рис. 1):

cos q_p = (s_т-г - s_т-ж)/s_ж-г (1)

Рис. 1. Схема действия поверхностных сил при смачивании поверхности твердого тела водой:

а) поверхность гидрофильная, т.е. смачивается водой, , ;

б) поверхность гидрофобная, , .

Величина свободной поверхностной энергии на границе минерала с водой и воздухом зависит от его химического состава и строения кристаллической решетки и для различных минералов в силу их природных отличий имеет разную величину. По этой причине флотация в отличие от других методов обогащения является процессом универсальным, так как нет принципиальных ограничений в отношении возможности ее применения для разделения любых минеральных комплексов. Универсальность флотационного процесса обеспечивается еще и тем, что если естественное различие в удельных поверхностных энергиях у разделяемых минералов невелико или недостаточно для их эффективного разделения, то оно может быть значительно увеличено применением специальных реагентов, избирательное закрепление которых на поверхности определенных минералов резко изменяет их поверхностную энергию и флотационные свойства в заданном направлении. Практика обогащения полезных ископаемых подтверждает универсальный характер и высокую эффективность флотационного метода разде­ления минералов.

Эффективность флотационного разделения минералов в наи­большей мере определяется рациональным подбором флотационных реагентов, подаваемых в процесс, оптимальным соотношением их концентраций в жидкой фазе пульпы, последовательностью дозирования и временем контактирования с минералами. Современная классифика­ция предусматривает разделение флотореагентов в зависимости от их назначения при флотации на следующие группы:

- пенообразователи – органические поверхностно-активные соединения гетерополярного строения, предназначенные для предотвращения слияния пузырьков воздуха, увеличения их количества в пульпе и повышения прочности пены;

- собиратели, действие которых направлено на снижение сма­чиваемости (повышение гидрофобности) поверхности минералов, извлекаемых в пенный продукт, и, соответственно, усиление их флотируемости. Собиратели представляют собой органические вещества, имеющие в своем составе две группировки – полярную и неполярную. По­лярная часть молекулы, или ион собирателя, обеспечивает его химическое закрепление на минеральной поверхности. Неполярная часть (углеводородный радикал) создает на минерале гидрофобный слой. Также в качестве собирателей используются вещества, не имеющие гетерополярной структуры и представляющие собой углеводородные аполярные жидкости;

- депрессоры предназначены для снижения флотируемости опре­деленных минералов, например, минералов породы. Их действие связано с усилением смачиваемости (гидрофилизации) поверхности минералов путем химического замещения собирателя или растворения его сое­динений на поверхности минералов и образования поверхностного слоя, активно притягивающего молекулы воды. В качестве депрессоров применяются как неорганические, так и органические соединения – кислоты, щелочи, соли поливалентных металлов, декстрины, танины, карбоксиметилцеллюлозу и др.;

- активаторы – реагенты, способствующие закреплению соби­рателя на поверхности извлекаемого минерала. В качестве активаторов применяют в основном неорганические кислоты и соли;

- регуляторы среды, назначение которых состоит в регулиро­вании ионного состава жидкой фазы пульпы с целью изменения активности взаимодействия собирателей, депрессоров и актива­торов с минералами. К реагентам-регуляторам среды относятся щелочи (NaOH, Ca(OH)₂), сода (Na₂CO₃) и кислоты (серная H₂SO₄, соляная HCl, плавиковая HFи др.).

Известно, что ионное произведение воды при данной темпе­ратуре есть величина постоянная:

КН₂О = [H⁺]× [OH^-] = const = 10^-14. (2)

При добавлении в пульпу щелочи или кислоты изменяется величина и соотношение концентрации ионов водорода и гидроксила. Показателем щелочности пульпы служит величина рН:

рН = - lg [H⁺]. (3)

Изменение рН влияет на концентрацию катионов металлов в пульпе, на степень диссоциации (соотношение концентраций ионной и молекулярной формы) собирателей и депрессоров, на заряд минеральной поверхности, степень ее гидратированности и актив­ность взаимодействия с флотореагентами. Так, например, при ис­пользовании в качестве собирателей анионоактивных реагентов увеличение рН может приводить к снижению величины адсорбции собирателя и ослаблению его флотационного действия вследствие усиления конкуренции со стороны гидроксильных анионов. Поэтому поддержание оптимальной щелочности пульпы имеет большое значение при флотации полезных ископаемых.