Химическая энциклопедия - 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 Ф. гл. обр. с использованием спец. в-в флотац. реагентов (флотореа-гентов).

Области применения

Ф.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 Ф. можно разделять также водорастворимые соли, взвешенные в их насыщенных р-рах [напр., отделять сильвин (KCl) от галита (NaCl)]. Благодаря Ф. в пром. произ-во вовлекаются м-ния тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых. Ф. 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 Ф. 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 Ф. привело к появлению большого числа разновидностей процесса.

Пенная флотация наиб. распространенный способ Ф., 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 Ф. 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 Ф. могут играть газовые пузырьки, выделяющиеся из р-ра.

Сущность элементарного акта Ф. 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 Ф.: вакуумная, фло-тогравитация, ионная, электрофлотация, Ф. 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 Ф. 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 Ф., 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 Ф. (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 Ф. 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 Ф. 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 Ф. практически не применяются.

Флотационные реагенты

Флотореагенты хим. в-ва (чаще всего применяют ПАВ), к-рые добавляют при Ф. 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-, карбоксиили 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 Ф. минералов сульфидных руд Cu, Pb, Zn, Ag, Au, Co, Ni, Fe и включают ксантогенаты (изопропил-, пентили этилпроизводные), дитиофосфаты (дикрезили диэтилпроиз-водные), меркаптаны и их производные (диалкилтионокарба-маты). Оксгидрильные реагенты применяют для Ф. карбонатов, оксидов, сульфатов, фосфатов, фторидов и нек-рых др. минералов; к этим реагентам относятся алифатич. (кар-боновые) к-ты, моноалкилсульфаты, сульфосукцинаты, ал-кани 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 Ф. калийных солей (гл. обр. KCl при отделении его от NaCl), кварца, силикатов, сульфидов и т. д.

Амфотерные собиратели имеют в своем составе аминои карбоксильную группы, благодаря чему сохраняют активность как в кислой, так и в щелочной средах. Данные коллекторы особенно эффективны для Ф. 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 Ф. 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 Ф. крупных частиц; при этом наряду с адгезией Ф. 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 Ф., 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 S^2-. Поэтому распространенным активатором при Ф. сульфидов сульфгидрильными собирателями является, напр., Na2S. Жидкое стекло применяют как депрессор Ф. силикатных материалов; известь и цианиды подавляют Ф. пирита, сульфидов Cu и Zn и т. д. Для снижения отрицательного воздействия на Ф. 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.

В большинстве случаев флотореагенты обладают комплексным действием (к-рое зависит от прир. состава пов-сти минералов, рН среды, т-ры пульпы и т. д.) и приведенная их классификация весьма условна.

Избирательность Ф. регулируют наряду с иными факторами подбором реагентов, ассортимент к-рых достигает неск. сотен, и их расходом. При увеличении пов-сти 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 (напр., при разделении коллективных концентратов), а также при использовании малоизбирательных коллекторов, содержащих в молекулах длинноцепочечные углеводородные радикалы (напр., высшие жирные к-ты и мыла).

Флотируемые компоненты руды извлекаются не полностью при недостатке вспенивателей, а при их избытке ухудшается селективность Ф. Средние расходы флотореагентов невелики и обычно составляют от неск. г до неск. кг на 1 т руды.

Флотационные процессы и оборудование Обогащение руд методом Ф. производят на флотационных фабриках, осн. оборудование к-рых включает флотац. машины, контактные чаны и реагентные питатели.

Флотационные машины предназначены для проведения собственно Ф. В них осуществляют перемешивание твердых частиц (суспендирование пульпы) и поддержание их во взвешенном состоянии; аэрацию пульпы и диспергирование в ней воздуха; селективную минерализацию пузырьков путем контакта с обработанными флотореагентами частицами; создание зоны пенного слоя; разделение пульпы и минерализов. пены; удаление и транспортировку продуктов обогащения. Впервые патент на флотац. машину выдан в 1860; первые пром. образцы машин разработаны в 1910-14 (T. Гувер и Д. Кэллоу, США).

Широкое использование Ф. для обогащения полезных ископаемых привело к созданию разных конструкций машин. Каждая машина состоит из ряда последовательно расположенных камер с приемными и разгрузочными устройствами для пульпы; каждая камера снабжена аэрирующим и пено-съемным устройствами. Различают однои многокамерные флотац. машины. К однокамерным относятся флотационные колонны, в к-рых высота камер превышает их ширину более чем в 3 раза; эти аппараты применяют при флотац. обогащении мономинеральных руд и флотац. отделении шламов.

Многокамерные машины позволяют реализовать сложные схемы обогащения полиминеральных руд с получением неск. концентратов.

По способам аэрации пульпы выделяют мех., пневмомех., пневмогидравлич. и пневматич. машины. В механических машинах взвешивание частиц руды (перемешивание пульпы), засасывание и диспергирование воздуха осуществляется аэратором, или импеллером. В отличие от этих устройств в пневмомеханическиемашины (схему камеры см. на рис.) воздух подается в зону импеллера принудительно с помощью воздуходувки. В пневмогидравлических машинах воздух диспергируется в аэраторах спец. конструкций (напр., в эжекторах) при взаимод. струй жидкости и воздуха. В пневматических машинах воздух диспергируется при продавливании через пористые перегородки.

Работа мех. и пневмомех. машин в значит. степени определяется конструкцией импеллера, вариантом подвода к нему воздуха, особенностями перекачивания импеллером пульпы и ее циркуляции в камере. От способа перекачивания пульпы импеллером зависят особенности аэрации пульпы и гидроди-намич. режим в камере. Последний определяется также размерами зоны интенсивной циркуляции пульпы. По этому признаку различают машины с придонной циркуляцией и циркуляцией во всем объеме камеры.