Процесс флотация

ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ОБОГАЩЕНИЯ РУД ФЛОТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Флотация – процесс, основанный на различии в смачиваемости поверхности разделяемых минералов водой. Флотационный процесс обогащения руд заключается в избирательном закреплении минеральных частиц на поверхности раздела двух фаз (жидкой и газообразной). Различают несколько видов флотации (пенная, пленочная, ионная, электрофлотация и др.), в промышленности наиболее часто применяется пенная флотация.

Пенной флотацией называется процесс, при котором плохо смачиваемые водой частицы 9гидрофобные) прилипают к вводимым в пульпу пузырькам воздуха или газа и поднимаются с ними на поверхность пульпы, образуя пену, а хорошо смачиваемые водой частицы (гидрофильные) остаются в объеме пульпы.
Флотация является основным процессом, используемом при обогащении руд. В настоящее время >95% руд цветных и редких металлов подвергаются флотации. Флотационная система является гетерогенной, состоящей из жидкой (ж), твердой (т) и газообразной (г) фаз. Поэтому поверхностные явления следует рассматривать на границе раздела этих фаз. Процесс флотации состоит из отдельных элементарных актов или субпроцессов, основным из которых является закрепление частицы на пузырьке воздуха или газа. Этот процесс – самопроизвольный и основан на втором законе термодинамики, согласно которому самопроизвольно могут протекать лишь процессы, приводящие к уменьшению свободной энергии системы. При закреплении частицы на пузырьке изменение свободной энергии системы сводится лишь к изменению свободной поверхностной энергии за счет снижения площади контакта т-ж. Убыль свободной поверхностной энергии при пенной флотации ( ), когда обычно размеры частиц малы по сравнению с размерами пузырьков (соответственно 0,1…0,002 мм и 0,6…1,5 мм), можно выразить следующим уравнением:
, (1)

где -свободная поверхностная энергия единицы поверхности раздела “ж-газ”;

- равновесный краевой угол смачивания, определяемый уравнением Неймана


(2)

Значение выражает максимальную работу, которую может совершить система при вытеснении жидкости воздухом с единицы поверхности твердого тела. Когда > 0, то F > 0, т.е. прилипание частицы к пузырьку возможно, если краевой угол смачивания отличен от нуля.

В реальных условиях для того, чтобы частица закреплялась на пузырьке, в течение небольшого времени их контакта (тысячные доли секунды), краевой угол должен иметь минимальное необходимое значение, измеряемое размером пузырька, поверхностными свойствами частицы и характером движения пульповоздушной смеси:
Из уравнение (1) следует, что убыль свободной энергии системы тем больше, чем больше краевой угол смачивания; или чем гидрофобнее поверхность минерала, тем вероятнее прилипание его к пузырьку. Краевой угол смачивания изменяется от 0 град до 180 град. Твердые тела, на которых краевой угол >90 град, называются гидрофобными, естественно флотируемыми. Естественной флотируемостью обладают многие органические соединения (например, парафин – смесь углеводородов главным образом метанового ряда) и лишь немногие неорганические вещества (сера, графит, тальк, алмазы, молибден). С поверхности, которая хорошо смачивается водой, воздух легко вытесняет и капля воды растекается по этой поверхности (рисунок – 1, а, б). На гидрофобной поверхности капля воды сохраняет шарообразную форму (см. рисунок – 1, в, г). Следовательно, закрепление частиц на пузырьках воздуха обусловлено степенью смачивания поверхности минералов водой (рисунок 1).



Рисунок 1 – Схема растекания капли

При разрушение твердого тела, когда происходит разрыв связей между молекулами, атомами и ионами, на его поверхности появляются ненасыщенные связи. Энергия взаимодействия между твердой поверхностью и молекулами жидкости определяется характером связей, обнажающихся при разрушении твердого тела. Поэтому наличие естественной флотируемости обуславливается характером этих связей. Обнажение на поверхности минерала сильных связей (ионных, металлических) обуславливает смачивание поверхности обнажаются слабые связи (молекулярные, ковалентные), смачиваются не полностью и обладают естественной флотируемостью (сера, тальк, графит, молибден). Поскольку энергия межмолекулярного взаимодействия у разных минералов неодинакова, то неодинакова и естественная флотируемость минералов.

Степень смачивания твердой поверхности жидкостью (водой) “количественно” выражается величиной краевого угла смачивания. Процесс флотации характеризуется скоростью флотации, т.е. определенной продолжительностью для достижения требуемого извлечения ценного компонента при заданном качестве концентрата. Скорость флотации зависит в большей степени от природы и гидрофобности извлекаемого минерала, поэтому время флотации может находиться в широких пределах от нескольких до десятков минут.