Закрепление минеральных частиц на пузырьках.

В процессе флотации возникают силы, которые стремятся оторвать прилипшие к пузырьку частицы — трения, тяжести, инерции и т.д. Работа силы тяжести при равномерной скорости всплывания пузырька определяется по формуле К.Ф. Белоглазова

где а — диаметр площади контакта; р, — плотность минерала в воде; R — радиус пузырька; g — ускорение свободного падения.

Из формулы (5.2) следует, что отрывающие силы тем больше, чем выше плотность частицы и особенно чем больше ее размеры.

Оптимальная крупность частиц, при которой достигается лучшая флотируемость, зависит в основном от гидрофобности и плотности. Чем выше гидрофобность и меньше плотность, тем более крупные частицы могут флотироваться. Повышение крупности флотируемых частиц имеет большое практическое значение. Верхний предел крупности при флотации руд цветных металлов составляет 0,1 мм, апатитов и фосфоритов 0,3 мм, углей 0,5 мм, солей 0,8 мм.

Присутствие шламов (—10 мкм) негативно влияет на условия флотации: загрязняется пенный продукт пустой породой, увеличивается расход реагентов, ухудшается флотация крупных и мелких частиц. Поэтому пульпу классифицируют на песковую и шламовую с раздельной их обработкой реагентами и флотацией или совместной флотацией.

Скорость флотации на практике определяется как

где s — извлечение флотируемого ценного компонента в концентрат за время t, мин.

В лабораторных условиях проводят дробную флотацию, по результатам которой судят о скорости флотации и селективности [1,2].

Элементарный акт флотации. Явление смачиваемости заключается в следующем. Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела (минерала). Как можно видеть на рис. 5.1, под действием сил поверхностного натяжения капля принимает равновесное положение.

Действие сил на границе трех фаз — твердой, жидкой и газообразной

Рис. 5.1. Действие сил на границе трех фаз — твердой, жидкой и газообразной

Условие равновесия сил поверхностного натяжения:

где от_ж стт_г стж_г — поверхностное натяжение на границе раздела твердой й жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной фаз соответственно; 0 — краевой угол смачивания. Величина 0 характеризует смачиваемость данного твердого вещества данной жидкостью: чем больше значение 0, тем хуже смачиваемость.

Принято считать, что при 0 < 90 ° поверхность лиофильна, а при 0 > 90° — лиофобна (применительно к воде — соответственно гидрофильна или гидрофобна). Угли более гидрофобны, чем порода, однако разница в смачиваемости водой является относительно небольшой. Поэтому на практике для эффективного разделения углей и породы необходимо осуществлять добавку специальных флотационных реагентов.

В настоящее время наибольшее распространение получила пенная флотация. Суть данного метода заключается в следующем. Исходная суспензия (пульпа), содержащая частицы угля и породы, перемешивается с реагентами: собирателем и пенообразователем. Первый необходим для повышения гидрофобности угольных частиц. В качестве собирателей для флотации углей применяют главным образом органические аполярные жидкости, адсорбирующиеся преимущественно на поверхности угольных частиц: керосин, дизельное топливо, термогазойль и др.

Пенообразователь представляет собой поверхностно-активное вещество, которое, адсорбируясь преимущественно на поверхности раздела жидкой и газообразной фаз, снижает поверхностное натяжение, тем самым повышая устойчивость пузырьков воздуха. В качестве пенообразователей применяют главным образом низкомолекулярные спирты (одно- или многоатомные, амины, карбоновые кислоты и т.д.).

После обработки реагентами суспензию насыщают пузырьками воздуха. При соударении пузырька с гидрофобизированной угольной частицей происходит элементарный акт флотации, заключающийся в закреплении частицы на поверхности пузырька и образовании флотационного комплекса.

При термодинамическом анализе возможности прилипания частицы минерала к пузырьку при их столкновении рассчитывается свободная энергия системы до и после прилипания частицы к пузырьку (рис. 5.2).

Количество свободной энергии определяется суммой произведений поверхностных энергий и соответствующих площадей поверхностей раздела. Запас свободной энергии системы до прилипания частицы к пузырьку (см. рис. 5.2, о):

где ЯЖ_Г, 5т_ж — площади поверхности раздела жидкость—газ и твердое—жидкость; стж_г, стт_ж — поверхностная энергия на этих разделах фаз.

Запас свободной энергии системы после прилипания частицы к пузырьку (см. рис. 5.2, б), отнесенный к площади прилипания в 1 см2, т.е. площадь поверхностного раздела фаз будет на 1 см2 меньше и, следовательно, Схема состояния флотационной системы до (а), и после (б) прилипания частицы к пузырьку

Рис. 5.2. Схема состояния флотационной системы до (а), и после (б) прилипания частицы к пузырьку: ж — жидкая фаза; г — газовый пузырек; т — твердая частица

Уменьшение свободной энергии:

Подставляя значения Wx — W2 в формулу (5.3) получим

После преобразования будем иметь

Уменьшение свободной энергии системы AWимеет место при условии

Этим соотношением пользоваться нельзя, так как поверхностные энергии твердых тел пока не могут быть измерены. Поэтому приходится заменять указанные величины известными (а и краевым углом смачивания).

При равновесном закреплении пузырька воздуха на твердой поверхности из условия равновесия точки на трехфазном контакте (рис. 5.3)

Подставляя значения ат_ж ат_г из уравления (5.5) в уравнение (5.4), получим

Таким образом, показателем флотируемости является прежде всего краевой угол смачивания.

Практически во флотационной пульпе краевой угол замерить невозможно. Его определяют на минеральных шлифах при смачивании твердой поверхности водой. Практика флотации показывает, что минеральные зерна могут флотироваться и при 0 = 10—15°.

Силы, действующие на трехфазный периметр смачивания

Рис. 5.3. Силы, действующие на трехфазный периметр смачивания:

1 — площадь прилипания (5); 2 — трехфазный периметр (контур смачивания)

Зависимость между значением краевого угла и поверхностными энергиями на границе соприкасающихся фаз. Рассмотрим процесс смачивания минеральной поверхности водой (рис. 5.4).

Действие поверхностных сил при смачивании водой твердой поверхности

Рис. 5.4. Действие поверхностных сил при смачивании водой твердой поверхности

Следует напомнить, что краевой угол смачивания 0 всегда направлен в жидкую фазу. Возможность смачивания минеральной поверхности можно определить по работе адгезии.

Работа адгезии связана с изменением поверхностных энергий на границе раздела фаз.

По этой формуле можно определить только ст .

Составим уравнение равновесия поверхностных сил на границе раздела трех фаз:

или

Подставляя из равенства (5.7) значение аг_т_ от_жв уравнение (5.6), получим

Значение краевого угла смачивания (cos0) находится в пределах ±1. При полном смачивании поверхности минерала (гидрофильная поверхность) 0 = 0, тогда cos0 = 1, а работа адгезии = 72,8(1 + 1) = 145, 8 эрг/см2.

При абсолютно несмачиваемых поверхностях (гидрофобные адгезии 0 = 180°, cos0 = — 1, тогда работа адгезии W = 0.

С гидрофобной поверхности воздух легко вытесняет воду и прилипает к этой поверхности (парафин гидрофобный — 0 = 104—107°, кварц — гидрофильный минерал). Значение 0 можно изменить, обрабатывая поверхность минерала реагентами и по его величине судить о способности минерала смачиваться водой, т.е. о его флотируемости.

Представленные зависимости будут справедливы только в статических условиях, в то время как процесс прилипания минеральных частиц к воздушным пузырькам происходит в пульпе при непрерывном перемешивании. Поэтому процесс прилипания следует оценивать и кинетически.

Кинетический анализ образования комплекса минерал-воздушный пузырек. Кинетический анализ процессов образования комплекса минерал-воздушный пузырек при флотации, в отличие от термодинамического, производится с максимальной расшифровкой молекулярного механизма этих процессов. Кроме того, учитываются изменения, происходящие с течением времени.

Рассмотрим кинетический процесс слипания пузырька и твердой поверхности при их сближении (рис. 5.5).

Кинетика слипания пузырька и твердой поверхности частицы при их столкновении

Рис. 5.5. Кинетика слипания пузырька и твердой поверхности частицы при их столкновении

Прослойка воды, разделяющая частицу и пузырек, состоит из двух частей, которые обладают различными свойствами. Относительно толстый слой воды h,, удаленный от поверхностей частицы и пузырька, не обладает какими-либо особенными свойствами (рис. 5.5, а). У поверхностей частицы и пузырька имеются гидратные слои, обладающие специфическими свойствами (h2 /*4). Слой h] удаляется легко по мере приближения этих поверхностей. Однако при очень большой скорости столкновения пузырька с частицей прослойка как бы затвердевает и удаление ее в этот момент затрудняется.

Наиболее важный момент наступает, когда соприкасаются гидратные оболочки, окружающие частицу минерала и пузырек воздуха (рис. 5.5, б) и молекулы воды в гидратных оболочках находятся в силовом поле поверхностей. Для разрушения гидратных оболочек необходимо произвести определенную работу.

На рис. 5.6 показано изменение свободной энергии гидратной прослойки по мере ее утончения.

Изменение свободной энергии прослойки воды при ее утончении

Рис. 5.6. Изменение свободной энергии прослойки воды при ее утончении

В начале утончение прослойки воды происходит без возрастания свободной энергии. Начиная сточки Б, свободная энергия возрастает. По достижении некоторого критического расстояния h3 (точка В) прослойка воды становится тонкой и крайне неустойчивой. С этого момента свободная энергия прослойки при дальнейшем ее утончении снижается. Пузырек как бы скачкообразно слипается с частицей на площадке А — площади контакта, а окружающая ее линия — контур (периметр) контакта. На поверхности площади контакта остается тончайшая, сопоставимая с молекулярными размерами пленка воды /*4, находящаяся в равновесии с парами воды внутри пузырька. Эта пленка прочно связана с твердой поверхностью. Удаление ее затруднительно и связано с увеличением свободной энергии системы (участок Г—Д) и с внешней работой.

Существенным для флотации является представление о гистерезисе смачивания. Гистерезис — это отставание периметра смачивания (рис. 5.7).

Явление гистерезиса проявляется в том, что краевой угол смачивания не принимает своего равновесного значения. В отличие от кинетического существует понятие статического гистерезиса. Сущность его заключается в измерении 0 в статистических условиях при нанесении капли воды на сухую твердую поверхность в окружении воздуха или при нанесении воздушного пузырька на твердую поверхность в вод-

НИМ ГПРГТР

Краевые углы смачивания 0 в состоянии равновесного значения (о) и с задержкой (б)

Рис. 5.7. Краевые углы смачивания 0 в состоянии равновесного значения (о) и с задержкой (б)

Явление гистерезиса объясняется неравномерностями (шероховатостью) твердой поверхности, силами трения, образованием на поверхности адсорбционного слоя ориентированных молекул. На шероховатой, неровной поверхности минерала гистерезис смачивания всегда больше, вследствие чего прилипание пузырьков воздуха к такой поверхности и флотируемость частиц улучшается.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >