Пенная флотация

Схема цилиндрической флотационной камеры с камерой и светом, используемой для анализа изображения поверхности пены.

Пенная флотация - это процесс селективного отделения гидрофобных материалов от гидрофильных . Он используется в переработке полезных ископаемых, переработке бумаги и очистке сточных вод. Исторически это было впервые использовано в горнодобывающей промышленности, где это была одна из величайших технологий 20-го века. Его описывают как «единственную наиболее важную операцию, используемую для извлечения и обогащения сульфидных руд ». ^[1] Развитие пенной флотации улучшило извлечение ценных минералов , таких как медь и свинец.-содержащие минералы. Наряду с механизированной добычей, это позволило экономично извлекать ценные металлы из руды с гораздо более низким содержанием, чем раньше.

История [ править ]

19 век [ править ]

Описание использования процесса флотации было найдено в древнегреческой и персидской литературе, что свидетельствует о его древности. ^[2] В конце 19 века основы процесса были открыты в ходе медленной эволюционной фазы. В течение первого десятилетия 20-го века более быстрое исследование масел, пены и перемешивания привело к проверенному применению на рабочих местах, особенно в Брокен-Хилле, Австралия, которое принесло технологические инновации, известные как «пенная флотация». В начале 20 века он произвел революцию в переработке полезных ископаемых. ^{[ необходима цитата ]}

Первоначально природные химические вещества, такие как жирные кислоты и масла, использовались в качестве флотационных реагентов в большом количестве для повышения гидрофобности ценных минералов. С тех пор процесс был адаптирован и применен к широкому спектру разделяемых материалов, а для различных применений были приняты дополнительные собирающие агенты, включая поверхностно-активные вещества и синтетические соединения. ^{[ необходима цитата ]}

Англичанин Уильям Хейнс в 1860 году запатентовал процесс разделения сульфидов и пустой породы с помощью нефти. Более поздние авторы указали на патент Хейнса как на первый патент на «нефтяную флотацию», хотя нет никаких свидетельств того, что он прошел полевые испытания или использовался в коммерческих целях. В 1877 году братья Бессель (Адольф и Август) из Дрездена, Германия, представили свой коммерчески успешный процесс нефтесодержащей и пенной флотации для извлечения графита , который некоторые считают основой пенной флотации. ^[3] Поскольку процесс Бесселя использовался для обработки графита, а не золота, серебра, меди, свинца, цинка и т. Д., Их работа игнорировалась большинством историков технологии. ^{[ необходима цитата ]}

Изобретатель Хезекия Брэдфорд из Филадельфии изобрел «метод экономии плавучего материала при сепарации руды» и получил патент США № 345951 20 июля 1886 года. Он получил свой первый патент в 1834 году, в основном изобрел оборудование для отделения сланца от угля во время 1850-1860-х годов, и изобрел Брэдфордский отбойный молоток, который в настоящее время используется в угольной промышленности. Его «Брэдфордский сепаратор руды», запатентованный в 1853 году и впоследствии улучшенный, использовался для концентрирования железной, медной и свинцово-цинковой руды по удельному весу, но потерял часть В патенте 1886 г. этот «поплавок» использовался для улавливания этого «поплавка» с использованием поверхностного натяжения, что является первым из патентов на процесс поверхностной флотации, который был вытеснен флотацией нефтяной пенной флотации. Неясно, запатентованная им в 1886 г. «флотация» "процесс был успешно внедрен. ^{[цитата необходима ]}

24 августа 1886 года Кэрри Эверсон получила патент на свой процесс, требующий использования масла (масел), а также кислоты или соли, что стало значительным шагом в эволюции истории процесса. К 1890 году испытания процесса Эверсона были проведены в Джорджтауне и Сильвер Клиффе, Колорадо, и Бейкере, Орегон. Она отказалась от работы после смерти мужа, прежде чем довела до совершенства коммерчески успешный процесс. Позже, во время пика юридических споров по поводу действительности различных патентов в 1910-х годах, патент Эверсона часто упоминался как первоначальный патент на плаву, что означало бы, что процесс не был запатентован более поздними участниками. Историк Дон Буньяк недавно разъяснил большую путаницу. ^[4]

Первый процесс коммерческой флотации [ править ]

Общепризнанный первый успешный коммерческий процесс флотации сульфидов минералов был изобретен Фрэнком Элмором ^[5], который работал над разработкой вместе со своим братом Стэнли. Медный рудник Гласдир в Лланеллтиде , недалеко от Долгеллау в Северном Уэльсе, был куплен в 1896 году братьями Элмор вместе со своим отцом Уильямом. В 1897 году братья Элмор установили первый в мире промышленный процесс флотации для обогащения полезных ископаемых на руднике Гласдир. Процесс не был пенной флотацией, а использовалась нефть для агломерации (изготовления шариков) измельченных сульфидов и буя.их на поверхность, и был запатентован в 1898 г. (пересмотрен в 1901 г.). Операция и процесс были описаны в « Сделках» Горно-металлургического института Англии от 25 апреля 1900 г. , которые были перепечатаны с комментариями 23 июня 1900 г. в « Engineering and Mining Journal» , Нью-Йорк. К этому времени они осознали важность пузырьков воздуха, которые помогают маслу уносить минеральные частицы. Поскольку были внесены изменения для улучшения процесса, он стал успешным с рудами цветных металлов от Норвегии до Австралии. ^{[ необходима цитата ]}

Семья Элморов основала компанию, известную как Ore Concentration Syndicate Ltd, чтобы продвигать коммерческое использование процесса во всем мире. В 1900 году Чарльз Баттерс из Беркли, штат Калифорния, приобрел американские права на процесс Элмора, увидев демонстрацию в Лланеллтиде, Уэльс. Баттерс, эксперт по цианидному процессу , построил технологический завод в Элморе в подвале здания Дули в Солт-Лейк-Сити, испытал нефтяной процесс на золотых рудах по всему региону и проверил хвосты золотодобывающей фабрики Мамонт в районе Тинтик. Юта, но безуспешно. ^[6] Из-за репутации Баттерса и новостей о его неудаче, а также из-за неудачной попытки на золотом руднике Лерой в Россленде, Британская Колумбия, процесс Элмора был почти проигнорирован в Северной Америке.^{[ необходима цитата ]}

Разработки в других местах, особенно в Брокен-Хилле, Австралия, компанией Minerals Separation, Limited , привели к десятилетиям упорных судебных баталий и судебных разбирательств для Элморов, которые, в конечном итоге, проиграли, поскольку процесс Элмора был заменен более продвинутыми методами. Другой процесс флотации был независимо изобретен в начале 1900-х годов в Австралии Чарльзом Винсентом Поттером и примерно в то же время Гийомом Даниэлем Дельпратом . ^{[7] [8]}В этом процессе (разработанный около 1902 г.) не использовалась нефть, а использовалась флотация путем выделения газа, образующегося при введении кислоты в пульпу. В 1902 году компания Froment объединила нефтяную и газовую флотацию, используя модификацию процесса Поттера-Дельпрата. В течение первого десятилетия двадцатого века Брокен-Хилл стал центром инноваций, которые привели к совершенствованию процесса пенной флотации многими технологами, которые заимствовали друг у друга и опирались на эти первые успехи. ^{[ необходима цитата ]}

Еще один процесс был разработан в 1902 году Артуром К. Каттермолом, который эмульгировал пульпу с небольшим количеством масла, подвергал ее интенсивному перемешиванию, а затем медленному перемешиванию, в результате чего целевые минералы коагулировались в конкреции, которые были отделены от пульпы под действием силы тяжести. Minerals Separation Ltd., основанная в Великобритании в 1903 году для приобретения патента Cattermole, обнаружила, что это не удалось. Металлурги в штате продолжали тестировать и комбинировать другие открытия, чтобы запатентовать в 1905 году свой процесс, названный процессом Сульмана-Пикара-Балота в честь сотрудников компании и патентообладателей. В том же году процесс оказался успешным на их заводе в Центральном блоке, Брокен-Хилл. Существенным в их процессе «пенной флотации с перемешиванием» было использование менее 1% масла и стадия перемешивания, на которой образовывались маленькие пузырьки,что обеспечивало большую поверхность для захвата металла и плавания в пену на поверхности.^[9] Полезную работу проделали Лесли Брэдфорд в Порт-Пири и Уильям Пайпер , сэр Герберт Гепп и Огюст де Бавай . ^{[ необходима цитата ]}

Mineral Separation также купила другие патенты, чтобы консолидировать право собственности на любые потенциально конфликтующие права на процесс флотации, за исключением патентов Elmore. В 1910 году, когда Zinc Corporation заменила свой процесс Elmore на процесс пенной флотации (Sulman-Picard-Ballot) на своем заводе в Брокен-Хилле, процесс разделения минералов был обеспечен приоритетом разделения минералов над другими процессами-претендентами. ^[10] Генри Ливингстон Сульман позже был признан своими коллегами на своем избрании президентом (Британского) института горной промышленности и металлургии , который также наградил его золотой медалью. ^{[ необходима цитата ]}

20 век [ править ]

События в Соединенных Штатах были менее впечатляющими. За неудачами Баттерса, как и за другими, последовал после 1904 года процесс шотландца Стэнли Маккуистена (метод, основанный на поверхностном натяжении), который был с небольшим успехом разработан в Неваде и Айдахо, но это не сработало бы, когда присутствовали слизи , главная ошибка. Генри Э. Вуд из Денвера разработал свой процесс флотации в том же духе в 1907 году, запатентовал в 1911 году и добился определенного успеха на молибденовых рудах. Однако по большей части это были отдельные попытки без лишнего шума из-за того, что можно назвать лишь незначительным успехом. ^{[ необходима цитата ]}

В 1911 году Джеймс М. Хайд , бывший сотрудник Minerals Separation, Ltd., модифицировал процесс разделения минералов и установил испытательную установку на заводе Butte and Superior Mill в Басине, штат Монтана , став первой такой установкой в ​​США. В 1912 году он спроектировал цинковый завод Butte & Superior в Бьютте, штат Монтана, первый крупный завод флотации в Америке. ^[11] Minerals Separation, Ltd., которая открыла офис в Сан-Франциско, подала в суд на Хайда и компанию Butte & Superior, оба дела в конечном итоге были выиграны фирмой в Верховном суде США. Дэниел Коуэн Джеклинги партнеры, которые контролировали Butte & Superior, также опровергли патент на разделение минералов и финансировали последующие судебные баталии, которые длились более десяти лет. Они - Utah Copper (Kennecott), Nevada Consolidated, Chino Copper, Ray Con и другие фирмы Jackling - в конце концов урегулировали свои дела в 1922 году, заплатив значительную плату за лицензии на использование процесса разделения минералов. Одним из печальных результатов спора стал профессиональный раскол среди горного инженерного сообщества на протяжении целого поколения. ^{[ необходима цитата ]}

В 1913 году Отделение минералов оплатило испытательный завод для компании Inspiration Copper в Майами, штат Аризона. Построенный под руководством директора офиса в Сан-Франциско Эдварда Наттера, он оказался успешным. Инженер-вдохновитель Л. Д. Рикеттс демонтировал гравитационную обогатительную фабрику и заменил ее на процесс разделения минералов, первое крупное использование этого процесса на американском медном руднике. Основными держателями акций Inspiration были люди, которые контролировали большую шахту Анаконда в Бьютте. Они сразу же вслед за успехом компании Inspiration построили в Бьютте лицензированный завод по разделению минералов в 1915-1916 годах, что стало важным заявлением об окончательном принятии запатентованного процесса разделения минералов. ^[12]

Джон М. Кэллоу из General Engineering в Солт-Лейк-Сити , изучив техническую документацию и внедрение флотации на заводах Butte и Superior, а также на Inspiration Copper в Аризоне, определил, что механическое перемешивание является недостатком существующей технологии. Представив пористый кирпич со сжатым воздухом и механический механизм перемешивания, Кэллоу подал заявку на патент в 1914 году (некоторые говорят, что Кэллоу, сторонник Джекалинга, изобрел свою ячейку, чтобы избежать выплаты роялти компании Minerals Separation, которая использует его камеру. в итоге были вынуждены сделать это по суду). ^[13] Этот метод, известный как пневматическая флотация, был признан альтернативой процессу разделения минералов при флотационном концентрировании. ^[14]Американский институт горных инженеров вручил Кэллоу золотую медаль Джеймса Дугласа в 1926 году за его вклад в области флотации. К тому времени технология флотации менялась, особенно с открытием использования ксантатов и других реагентов, что сделало ячейку Каллоу и его процесс устаревшим. ^{[ необходима цитата ]}

Профессор Montana Tech Антуан Марк Годен определил ранний период флотации как механическую фазу, а к концу 1910-х годов она перешла в химическую фазу. Открытия в реактивах, особенно использование ксантатов, запатентованных химиком Minerals Separations Корнелиусом Х. Келлером, не столько увеличили улавливание минералов в процессе, сколько сделали его более управляемым в повседневных операциях. Первые патенты на флотацию Minerals Separation закончились в 1923 году, а новые патенты на химические процессы позволили компании занять важное место в 1930-х годах. ^[15] В этот период компания также разработала и запатентовала процессы флотации железа из своей лаборатории Hibbing и фосфата в своей лаборатории во Флориде. Еще одна стремительная фаза инноваций в процессах флотации произошла только после 1960 года.^{[ необходима цитата ]}

В 1960-х годах технология пенной флотации была адаптирована для удаления краски из переработанной бумаги . ^{[ необходима цитата ]}

Об успехе этого процесса свидетельствует количество заявителей как "первооткрывателей" плавучести. В 1961 году американские инженеры отметили «50 лет флотации» и закрепили за Джеймсом Хайдом и его мельницей Butte & Superior. В 1977 году немецкие инженеры отметили «столетнюю годовщину флотации» на основании патента братьев Бессель от 1877 года. Исторический медный рудник Гласдир рекламирует свои туры в Уэльсе как место «открытия флотации» на основе работы братьев Элмор. Недавние авторы, из-за интереса к прославлению женщин в науке, выступают за Кэрри Эверсон из Денвера как мать процесса на основании ее патента 1885 года. Из этого списка исключены инженеры, металлурги и химики из Minerals Separation, Ltd., которые, по крайней мере, в американских и австралийских судах,получила контроль над патентами на пенную флотацию, а также право истца как первооткрывателей пенной флотации. Но, как пишет историк Мартин Линч, «разделение минералов в конечном итоге возобладает после того, как дело будет передано в Верховный суд США [и Палату лордов], и тем самым вызвало сердечное отвращение у многих в горнодобывающем мире».^[16]

Отрасли [ править ]

Обработка минералов [ править ]

Пенная флотация - это процесс отделения минералов от пустой породы с использованием различий в их гидрофобности . Различия в гидрофобности ценных минералов и пустой породы увеличиваются за счет использования поверхностно-активных веществ и смачивателей. Селективное разделение минералов делает переработку сложных (то есть смешанных) руд экономически целесообразной. Процесс флотации используется для разделения большого количества сульфидов , карбонатов и оксидов перед дальнейшей очисткой. Фосфаты и уголь также улучшаются (очищаются) с помощью флотационной технологии. ^{[ необходима цитата ]}

До 1907 года почти вся медь, добываемая в США, поступала из подземных жильных месторождений, в среднем 2,5 процента меди. ^[17] К 1991 году среднее содержание медной руды в США упало до 0,6 процента. ^[17]

Очистка сточных вод [ править ]

Процесс флотации также широко используется на заводах по очистке промышленных сточных вод, где он удаляет из сточных вод жиры, масла, жиры и взвешенные твердые частицы. Эти устройства называются устройствами флотации растворенным воздухом (DAF). ^[18] В частности, флотация растворенного воздуха единица используется для удаления масла из сточных вод стоков на нефтеперерабатывающие заводы , нефтехимический и химических заводов , заводы по переработке природного газа и аналогичных промышленных объектов. ^{[ необходима цитата ]}

Переработка бумаги [ править ]

Пенная флотация - это один из процессов, используемых для восстановления переработанной бумаги . В бумажной промышленности этот этап называется очисткой от краски или просто флотацией. Цель состоит в том, чтобы высвободить и удалить гидрофобные загрязнения из переработанной бумаги. Загрязнения в основном представляют собой печатные краски и липкие материалы . Обычно установка представляет собой двухступенчатую систему с 3,4 или 5 последовательными флотомашинами. ^[19]

Принцип работы [ править ]

Прежде чем пенная флотация сможет работать, обрабатываемая руда превращается в мелкие частицы путем дробления и измельчения (процесс, известный как измельчение ), так что различные минералы существуют в виде физически отдельных зерен. Этот процесс известен как освобождение . Размер частиц обычно составляет менее 0,1 мм (100 мкм), но иногда требуется размер менее 7–10 мкм. ^[20] Существует тенденция к уменьшению размера выделения минералов с течением времени, поскольку рудные тела с крупными минеральными зернами, которые можно разделить на большие размеры, истощаются и заменяются рудными телами, которые ранее считались слишком сложными. ^{[ необходима цитата ]}

В горнодобывающей промышленности предприятия, на которых проводится флотация для обогащения руды , обычно известны как обогатительные фабрики или мельницы . ^{[ необходима цитата ]}

Для пенной флотации водная суспензия измельченной руды обрабатывается вспенивающим агентом. Примером может служить этилксантогенат натрия как сборщик при флотации галенита (сульфида свинца) для отделения его от сфалерита.(сульфид цинка). Полярная часть ксантат-аниона прикрепляется к частицам руды, а неполярная углеводородная часть образует гидрофобный слой. Частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха. Для эффективного разделения требуется около 300 г / т руды. Эффективность гидрофобного действия увеличивается, но селективность по типу руды снижается с увеличением длины углеводородной цепи в ксантогенах. Самая короткая цепь у этилксантогената натрия, что делает его очень селективным по отношению к медным, никелевым, свинцовым, золотым и цинковым рудам. Обычно в процессе используются водные растворы (10%) с pH = 7–11. ^[21] Эта суспензия (более правильно называемая пульпа ) гидрофобных и гидрофильных частиц затем вводится в резервуары, известные как флотационные камеры.которые аэрируются для образования пузырей. Гидрофобные частицы прикрепляются к пузырькам воздуха, которые поднимаются к поверхности, образуя пену. ^[22] Пена удаляется из ячейки, образуя концентрат («кон») целевого минерала. ^[23]

Вспенивающие агенты, известные как пенообразователи , могут быть введены в пульпу, чтобы способствовать образованию устойчивой пены на поверхности флотационной камеры. ^{[ необходима цитата ]}

Минералы, которые не всплывают в пену, называются хвостами флотации или хвостами флотации . Эти хвосты также могут быть подвергнуты дальнейшим стадиям флотации для извлечения ценных частиц, которые не всплыли в первый раз. Это известно как уборка мусора . Окончательные хвосты после продувки обычно перекачиваются для захоронения в качестве засыпки или в хвостохранилище для длительного хранения. ^{[ необходима цитата ]}

Эффективность пенной флотации определяется рядом вероятностей: вероятностей контакта частиц с пузырьками, прикрепления частиц и пузырьков, переноса между пульпой и пеной и сбора пены в желоб для продукта. ^[24] В обычной ячейке с механическим перемешиванием доля пустот (т.е. объем, занимаемый пузырьками воздуха) мала (от 5 до 10 процентов), а размер пузырьков обычно превышает 1 мм. ^[25] Это приводит к относительно низкой поверхности раздела и малой вероятности контакта частицы с пузырьком. ^[25] Следовательно, несколько ячеек, соединенных последовательно, необходимы для увеличения времени пребывания частиц, что увеличивает вероятность контакта частицы с пузырьком. ^[25]

Флотация обычно проводится в несколько этапов, чтобы максимально увеличить извлечение целевого минерала или минералов и концентрацию этих минералов в концентрате при минимальном потреблении энергии. ^[26]

Этапы плавания [ править ]

Черновая [ править ]

Первая стадия называется черновой , при которой получается более грубый концентрат . Цель состоит в том, чтобы удалить максимальное количество ценного минерала при максимально крупном размере частиц. ^[26] Чем тоньше измельчается руда, тем больше требуется энергии, поэтому имеет смысл измельчать только те частицы, которые нуждаются в тонком измельчении. ^[26] Полное высвобождение не требуется для более грубой флотации, только достаточное высвобождение для выделения достаточного количества пустой породы из ценного минерала для получения высокого извлечения. ^[26]

Основная цель черновой обработки - извлечь как можно больше ценных минералов, уделяя меньше внимания качеству производимого концентрата. ^{[ необходима цитата ]}

В некоторых концентраторах предварительная флотация может предшествовать черновой обработке. ^[27] Это делается, когда есть некоторые нежелательные материалы, такие как органический углерод, которые легко всплывают. ^[27] Они удаляются в первую очередь, чтобы они не всплывали во время черновой обработки (и тем самым не загрязняли более грубый концентрат). ^{[ необходима цитата ]}

Очистка [ править ]

Более грубый концентрат обычно подвергают дальнейшим стадиям флотации для удаления большего количества нежелательных минералов, которые также попадают в пену, в процессе, известном как очистка . ^[26] Продукт очистки известен как концентрат очистителя или конечный концентрат . ^{[ необходима цитата ]}

Целью очистки является получение как можно более высокого качества концентрата. ^{[ необходима цитата ]}

Более грубый концентрат часто подвергается дальнейшему измельчению (обычно называемому повторным измельчением ) для более полного высвобождения ценных минералов. ^[26] Поскольку это меньшая масса, чем масса исходной руды, требуется меньше энергии, чем было бы необходимо, если бы вся руда была повторно измельчена. ^[26] Повторное измельчение часто проводится на специализированных мельницах для доизмельчения , таких как IsaMill , предназначенных для дальнейшего снижения энергозатрат во время доизмельчения до более мелких размеров. ^{[ необходима цитата ]}

Сбор [ править ]

За этапом более грубой флотации часто следует этап флотации поглотителем, который применяется к более грубым хвостам. Задача состоит в том, чтобы извлечь любые целевые минералы, которые не были извлечены на начальной стадии черновой обработки. Это может быть достигнуто путем изменения условий флотации, чтобы сделать их более жесткими, чем первоначальная черновая обработка, или может быть некоторое вторичное измельчение для обеспечения дальнейшего высвобождения.

Концентрат из более грубых поглотителей может быть возвращен в более грубый корм для разгрузки или отправлен в специальные камеры очистки.

Точно так же за этапом очистки может следовать этап продувки хвостов очистителя.

Наука флотации [ править ]

Чтобы быть эффективными для данной рудной суспензии, коллекторы выбираются на основе их избирательного смачивания типов частиц, которые необходимо отделить. Хороший коллектор будет физически или химически адсорбировать один из типов частиц. Это обеспечивает термодинамическое требование к частицам связываться с поверхностью пузырька. Смачивающая активность поверхностно-активного вещества на частице может быть определена количественно путем измерения контактных углов.что делает с ним граница раздела жидкость / пузырь. Другой важной мерой прикрепления пузырьков к частицам является время индукции. Время индукции - это время, необходимое для того, чтобы частица и пузырек разорвали тонкую пленку, разделяющую частицу и пузырек. Этот разрыв достигается за счет поверхностных сил между частицей и пузырем.

Механизм прикрепления пузырька к частице очень сложен и состоит из трех этапов: столкновения, прикрепления и отрыва. Столкновение достигается за счет того, что частицы находятся в трубе столкновения пузыря, и на это влияют скорость пузыря и радиус пузыря. Трубка столкновения соответствует области, в которой частица будет сталкиваться с пузырем, причем периметр трубки столкновения соответствует траектории скольжения.

Прикрепление частицы к пузырю контролируется временем индукции частицы и пузыря. Частица и пузырек должны связываться, и это происходит, если время, в течение которого частица и пузырек находятся в контакте друг с другом, больше, чем необходимое время индукции. На это время индукции влияют вязкость жидкости, размер частиц и пузырьков, а также силы между частицей и пузырьками.

Отрыв частицы и пузыря происходит, когда сила, создаваемая поверхностным натяжением, превышает силу сдвига и силы тяжести. Эти силы сложны и варьируются в пределах клетки. Высокий сдвиг будет ощущаться вблизи рабочего колеса механической флотомашины, и в основном сила тяжести будет ощущаться в зоне сбора и очистки флотационной колонны.

Существенные проблемы уноса мелких частиц возникают, так как эти частицы испытывают низкую эффективность столкновения, а также обуславливают и разлагают поверхности частиц. Крупные частицы показывают низкое извлечение ценного минерала из-за низкого выделения и высокой эффективности отделения.

Теория [ править ]

Избирательная адгезия [ править ]

Пенная флотация зависит от избирательного прилипания пузырьков воздуха к минеральным поверхностям в суспензии минеральная вода. Пузырьки воздуха будут прикрепляться к более гидрофобным частицам. Прикрепление пузырьков к поверхности определяется межфазной энергией между твердой, жидкой и газовой фазами. Это определяется уравнением Юнга-Дюпре : ^[28]

${\ displaystyle \ gamma _ {lv} {\ text {cos}} \ theta = (\ gamma _ {sv} - \ gamma _ {sl})}$

куда:

• γ _lv - поверхностная энергия границы раздела жидкость / пар
• γ _sv - поверхностная энергия границы раздела твердое тело / пар
• γ _sl - поверхностная энергия границы раздела твердое тело / жидкость,
• θ - краевой угол , угол, образованный на стыке паровой, твердой и жидкой фаз.

Минералы, предназначенные для разделения, могут быть химически модифицированы с помощью коллекторов, чтобы они стали более гидрофобными. Коллекторы - это тип поверхностно-активного вещества, которое увеличивает естественную гидрофобность поверхности, увеличивая разделение гидрофобных и гидрофильных частиц. Коллекторы либо химически связываются с минералом посредством хемосорбции, либо адсорбируются на поверхности посредством физической сорбции .

ММП и поверхностные силы во взаимодействиях пузырьков и частиц [ править ]

Столкновение [ править ]

Частоты столкновения мелких частиц (50-80 мкм) можно точно смоделировать, но в настоящее время нет теории, которая точно моделирует столкновение пузырьков с частицами для частиц размером до 300 мкм, которые обычно используются в процессах флотации. ^[29]

Для мелких частиц закон Стокса недооценивает вероятность столкновения, в то время как уравнение потенциала, основанное на поверхностном заряде, переоценивает вероятность столкновения, поэтому используется промежуточное уравнение. ^[30]

Важно знать частоту столкновений в системе, так как этот этап предшествует адсорбции, при которой образуется трехфазная система.

Адсорбция (приложение) [ править ]

На эффективность адсорбции среды частицами влияет соотношение между поверхностями обоих материалов. На эффективность адсорбции в химической, термодинамической и физической областях влияет множество факторов. Эти факторы могут варьироваться от поверхностной энергии и полярности до формы, размера и шероховатости частицы. При пенной флотации адсорбция является сильным следствием поверхностной энергии, поскольку мелкие частицы имеют высокое отношение площади поверхности к размеру, что приводит к образованию поверхностей с более высокой энергией для образования притяжения с адсорбатами. Пузырьки воздуха должны избирательно прилипать к желаемым минералам, чтобы поднять их на поверхность суспензии, смачивая другие минералы и оставляя их в водной суспензии.

Частицы, которые легко смачиваются водой, называются гидрофильными, а частицы, которые трудно смачиваются водой, называются гидрофобными. Гидрофобные частицы имеют тенденцию образовывать отдельную фазу в водной среде. При пенной флотации эффективность прилипания пузырька воздуха к частице зависит от ее гидрофобности. Гидрофобные частицы имеют сродство к пузырькам воздуха, что приводит к адсорбции. Комбинации пузырьков и частиц поднимаются в зону пены за счет сил плавучести. ^[31]

Прикрепление пузырьков к частицам определяется межфазной энергией между твердой, жидкой и паровой фазами, как моделируется уравнением Юнга / Дюпре. Межфазная энергия может быть основана на естественной структуре материалов, или добавление химических обработок может улучшить энергетическую совместимость.

Коллекторы являются основными добавками, используемыми для улучшения поверхности частиц. Они действуют как поверхностно-активные вещества для селективной изоляции и содействия адсорбции между интересующими частицами и пузырьками, поднимающимися через суспензию. Обычными коллекторами, используемыми во флотации, являются анионные лиганды серы, которые имеют бифункциональную структуру с ионной частью, которая разделяет притяжение с металлами, и гидрофобной частью, такой как длинный углеводородный хвост. Эти коллекторы покрывают поверхность частицы монослоем неполярного вещества, чтобы способствовать отделению от водной фазы за счет снижения растворимости адсорбированных частиц в воде. Адсорбированные лиганды могут образовывать мицеллы вокруг частиц и образовывать коллоиды мелких частиц, дополнительно улучшая стабильность и разделение фаз.

Десорбция (отслоение) [ править ]

Адсорбция частиц пузырьками имеет важное значение для отделения минералов от суспензии, но минералы должны быть очищены от добавок, используемых при разделении, таких как коллекторы, пенообразователи и модификаторы. Продукт процесса очистки или десорбции известен как концентрат очистителя. Для отделения частицы от пузырька требуется разрыв адсорбционной связи под действием сил сдвига. В зависимости от типа флотомашины срезающие силы применяются различными механическими системами. Среди наиболее распространенных - рабочие колеса и смесители. Некоторые системы объединяют функции этих компонентов, размещая их в ключевых местах, где они могут участвовать в нескольких механизмах пенной флотации. Ячейки очистки также используют гравитационные силы для повышения эффективности разделения.

Расчеты производительности [ править ]

Соответствующие уравнения [ править ]

Общая величина, используемая для описания эффективности улавливания в процессе пенной флотации, - это извлечение флотации ( ). Эта величина включает в себя вероятности столкновения и прикрепления частиц к пузырькам газовой флотации. куда:${\ displaystyle R}$
${\ displaystyle R = {\ frac {N_ {c}} {\ left ({\ tfrac {\ pi} {4}} \ right) \ left (d_ {p} + d_ {b} \ right) ^ {2 } Hc}}}$

• ${\ Displaystyle N_ {c} = PN_ {c} ^ {i}}$, который является произведением вероятности сбора частицы ( ) и числа возможных столкновений частиц ( )${\ displaystyle P}$${\ displaystyle N_ {c} ^ {i}}$
• ${\ displaystyle d_ {p}}$ диаметр частицы
• ${\ displaystyle d_ {b}}$ диаметр пузыря
• ${\ displaystyle H}$ - указанная высота в пределах плавучести, на которую рассчитывалась извлечение
• ${\ displaystyle c}$ это концентрация частиц

Ниже приводится несколько дополнительных математических методов, которые часто используются для оценки эффективности процессов пенной флотации. Эти уравнения более просты, чем расчет извлечения флотации , поскольку они основаны исключительно на объемах входов и выходов процессов. ^[32]

Для следующих уравнений:

• ${\displaystyle F}$ весовой процент корма
• ${\displaystyle C}$ процентное содержание концентрата
• ${\displaystyle T}$ весовой процент хвостов
• ${\displaystyle c}$, и - металлургические анализы концентрата, хвостов и корма соответственно.${\displaystyle t}$${\displaystyle f}$

Отношение веса корма к весу концентрата (без единиц измерения)${\displaystyle {\tfrac {F}{C}}}$
${\displaystyle {\frac {F}{C}}={\frac {c-t}{f-t}}}$

Процент извлеченного металла ( ) в мас. %${\displaystyle \mathrm {X} _{R}}$
${\displaystyle \mathrm {X} _{R}=100\left({\frac {c}{f}}\right)\left({\frac {f-t}{c-t}}\right)}$

Процент потери металла ( ) в мас. %${\displaystyle \mathrm {X} _{L}}$
${\displaystyle \mathrm {X} _{L}=100-\mathrm {X} _{R}}$

Процент восстановленного веса в % масс.${\displaystyle \left(\mathrm {X} _{W}\right)}$
${\displaystyle \mathrm {X} _{W}=100\left({\frac {C}{F}}\right)=100{\frac {f-t}{c-t}}}$

Кривые успеваемости [ править ]

Кривые «степень извлечения» - полезный инструмент для взвешивания компромисса при получении концентрата высокого качества при сохранении как можно более низкой степени извлечения - двух важных аспектов пенной флотации. Эти кривые разработаны эмпирически на основе индивидуального процесса пенной флотации конкретного завода. Поскольку кривые смещены в положительном направлении оси x (вправо) и положительном направлении оси y (вверх), производительность процесса пенной флотации считается улучшенной. Недостатком этих кривых является то, что они могут сравнивать только отношения содержания к извлечению для конкретного сорта сырья и скорости подачи. Если в процессе пенной флотации компания использует разные сорта и нормы корма (что является чрезвычайно распространенным явлением),Кривые содержания-извлечения для каждой пары содержания в сырье и коэффициента извлечения должны быть построены, чтобы предоставить предприятию значимую информацию.^[33]

Флотационное оборудование [ править ]

Флотация может выполняться в прямоугольных или цилиндрических камерах или резервуарах с механическим перемешиванием, флотационных колоннах, камерах Jameson или флотационных машинах для удаления краски. Классифицируя по способу абсорбции воздуха, можно сказать, что возникли две отдельные группы флотационного оборудования: пневматические и механические машины. Как правило, пневматические машины дают низкосортный концентрат и небольшие проблемы в работе.

В механических ячейках используется большой смеситель и диффузор в нижней части смесительного резервуара для подачи воздуха и обеспечения перемешивающего действия. Флотационные колонны используют барботеры для подачи воздуха в нижнюю часть высокой колонны, а суспензию - наверх. Противоточное движение стекающей вниз суспензии и поднимающегося вверх воздуха обеспечивает перемешивающее действие. Механические ячейки обычно имеют более высокую производительность, но производят материал более низкого качества, в то время как флотационные колонны обычно имеют низкую производительность, но производят материал более высокого качества.

В ячейке Jameson не используются ни крыльчатки, ни барботеры, вместо этого суспензия сочетается с воздухом в сливном стакане, где высокий сдвиг создает турбулентные условия, необходимые для контакта пузырьков с частицами.

Механика флотации [ править ]

После измельчения для высвобождения минеральных частиц выполняются следующие шаги:

1. Кондиционирование реагента для достижения гидрофобных поверхностных зарядов на желаемых частицах
2. Сбор и транспортировка вверх пузырьками при тесном контакте с воздухом или азотом
3. Образование устойчивой пены на поверхности флотационной камеры.
4. Отделение минеральной пены от ванны (флотационная камера)

Простая схема флотации для обогащения минералов. Пронумерованные треугольники показывают направление течения ручья. Различные флотационные реагенты добавляются к смеси руды и воды (называемой пульпой) в резервуаре для кондиционирования. Скорость потока и размер резервуара рассчитаны на то, чтобы минералы успели активироваться. Пульпа кондиционера [1] подается в группу более грубых ячеек, которые удаляют большую часть желаемых минералов в виде концентрата. Более грубая пульпа [2] попадает в банк клеток-поглотителей, куда могут быть добавлены дополнительные реагенты. Пена в ячейках-поглотителях [3] обычно возвращается в камеры с более грубой очисткой для дополнительной обработки, но в некоторых случаях может быть отправлена ​​в специальные камеры очистки. Мякоть мусорщика обычно достаточно бесплодна, чтобы ее выбросить как хвосты. Более сложные схемы флотации имеют несколько наборов очистительных и доочистительных камер, а также промежуточное повторное измельчение пульпы или концентрата.

Химикаты флотации [ править ]

Коллекционеры [ править ]

Для многих руд (например, Cu, Mo, W, Ni) собирателями являются анионные лиганды серы. Особенно популярны ксантогенатные соли, включая амилксантат калия (PAX), изобутилксантат калия (PIBX), этилксантат калия (KEX), изобутилксантат натрия (SIBX), изопропилксантат натрия (SIPX), этилксантат натрия (SEX). Другие сборщики включают родственные лиганды на основе серы: дитиофосфаты , дитиокарбаматы . Еще один класс собирателей включает тиокарбанилид тиомочевины . Также использовались жирные кислоты .

Для некоторых минералов (например, сильвинита для KCl) жирные амины используются в качестве собирателей.

Пенообразователи [ править ]

Для стабилизации пен добавляют различные составы. Эти добавки включают сосновое масло , различные спирты ( метилизобутилкарбинол (MIBC) ), полигликоли , ксиленол (крезиловая кислота).

Модификаторы [ править ]

Для оптимизации процесса разделения добавляют множество других соединений, эти добавки называются модификаторами. Модифицирующие реагенты вступают в реакцию либо с минеральными поверхностями, либо с коллекторами и другими ионами флотационной пульпы, что приводит к измененной и контролируемой реакции флотации.

• Модификаторы pH включают известь (используется в качестве негашеной извести CaO или, чаще, в виде гашеной извести, суспензии Ca (OH) ₂ ), ^[34] кальцинированной соды (Na ₂ CO ₃ ), каустической соды (NaOH), серной и соляной кислоты ( H ₂ SO ₄ , HCl).
• Анионные модификаторы включают фосфаты, силикаты и карбонаты.
• Органические модификаторы включают загустители декстрин , крахмал , клей и КМЦ .

Химические соединения для удаления краски с переработанной бумаги [ править ]

• Контроль рН: силикат натрия и гидроксид натрия
• Источник ионов кальция : жесткая вода , известь или хлорид кальция.
• Собиратель: жирная кислота , эмульсия жирных кислот, мыло жирных кислот и / или органо-модифицированный силоксан ^[35]

Конкретные применения руды [ править ]

Например, процесс флотации используется для очистки хлорида калия от хлорида натрия и глинистых минералов. Измельченный минерал суспендируют в рассоле в присутствии жирных солей аммония . Поскольку группа аммония и K ⁺ имеют очень близкие ионные радиусы (приблизительно 0,135, 0,143 нм соответственно), центры аммония обмениваются на поверхностные участки калия на частицах KCl, но не на частицах NaCl. Затем длинные алкильные цепи придают частицам гидрофобность, что позволяет им образовывать пену. ^[36]

См. Также [ править ]

• Удаление краски
• Флотация растворенным воздухом (DAF)
• Флокуляция
• Перечень технологий очистки сточных вод

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Пенная флотация: век инноваций, Морис К. Фюрстенау и др. 2007, SME, 891 стр. ISBN 978-0873352529 . Предварительный просмотр Google Книг 

Викискладе есть медиафайлы по теме флотации .