Назначение реагентов во флотационном процессе. Формы закрепления флотационных реагентов на поверхности минеральных частиц

Флотация или флотационный метод обогащения – это метод обогащения полезных ископаемых основанный на различной смачиваемости разделяемых частиц в водной среде, в результате чего они избирательно прилипают к поверхности раздела вода – воздух, т. е. к поверхности воды. Естественного различия в смачиваемости минералов не достаточно для их эффективного разделения, поэтому в процессах флотационного обогащения широко применяют специальные химические вещества – флотационные реагенты.

Флотационные реагенты – это химические соединения, главным образом поверхностно-активные вещества (ПАВ), применяемые для регулирования процесса флотации полезных ископаемых. Флотационные реагенты позволяют изменять физико-химические свойства поверхностного слоя минеральных частиц различного состава, а также регулируют пенообразование, ионный состав жидкой фазы пульпы и пр.

Флотация – основной процесс при обогащении руд цветных и редких металлов. Этот метод широко используется при обогащении горно-химического сырья, занимает особое место при обогащении углей, позволяет вовлечь в переработку бедные, тонковкрапленные и шламистые руды, комплексно извлекать минеральные компоненты многих химических элементов.

Совершенствование и оптимизация флотационного процесса на действующих обогатительных фабриках являются основным резервом повышения извлечения металлов и комплексного использования сырья, позволяющим получить десятки и сотни тысяч тонн металлов без существенных капитальных затрат при небольших эксплуатационных расходах.

Условием совершенствования технологии флотационного обогащения, оптимизации и интенсификации этого процесса является глубокое понимание химических и физико-химических процессов, протекающих в объеме пульпы и на поверхности минералов.

Основную роль в процессе флотации играют реагенты. От их грамотного применения зависят успех флотации и прогресс в ее развитии. Применяемые флотационные реагенты относятся к различным классам органических и неорганических соединений. Они производятся в различных отраслях химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и металлургической промышленностях, и, как правило, за некоторым исключением, имеют постоянный состав, определяемый стандартом.

В зависимости от назначения флотационные реагенты подразделяют на собиратели, пенообразователи и регуляторы.

Результаты флотационного обогащения в значительной степени определяются реагентным режимом флотации, т.е. ассортиментом и способом применения реагентов; один и тот же результат флотации может быть получен при различных реагентных режимах. Реагентный режим флотации преимущественно определяется типом и характеристикой полезного ископаемого, степенью его измельчения и кондициями, предъявляемыми к продуктам обогащения. Обычно при флотации применяют несколько реагентов, действие которых взаимосвязано и зависит от концентрации каждого из них. Необходимый расход реагентов определяют с помощью лабораторных флотационных опытов, уточняют в полупромышленных и промышленных условиях.

В большинстве случаев закрепление реагентов, как на поверхности воздушных пузырьков, так и минеральных зерен происходит путем адсорбции реагентов на соответствующих поверхностях раздела фаз.

Адсорбцией называется повышение или понижение концентрации того или иного вещества – адсорбата – на поверхности раздела фаз. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объемной фазы – адсорбатом.

Применение реагентов во флотации связано в большинстве случаев с закреплением их на поверхности минеральных частиц и воздушных пузырьков, которое происходит путем физической и химической адсорбции. Это закрепление происходит либо за счет физических, межмолекулярных сил (сил Ван-дер-Ваальса) и тогда имеет место физическая адсорбция, либо за счет возникновения химических связей и тогда имеет место химическая адсорбция (хемосорбция). Адсорбция реагентов на минеральной поверхности протекает всегда в условиях конкуренции с молекулами воды и сопровождается понижением свободной поверхностной энергии системы.

Имеют место общие особенности физической адсорбции и хемосорбции и в то же время различия между ними.

Общей особенностью является то, что как та, так и другая представляют собой самопроизвольные процессы, сопровождающиеся уменьшением свободной энергии системы и, как правило, выделением определенного количества тепла.

Принципиальное отличие физической адсорбции от химической состоит в том, что при физической адсорбированное вещество и кристаллическую решетку адсорбента следует представлять как две независимые системы; при химической – адсорбированное вещество и кристаллическая решетка в энергетическом отношении должны рассматриваться как единое целое. Закрепление реагента на кристаллической решетке и связь между ними при хемосорбции обусловлены переходом электронов от адсорбированного атома к решетке (или обратно) или же обобществлением электронов атомами решетки и адсорбированными атомами.

Как уже отмечалось выше, при физической адсорбции связь с кристаллической решеткой осуществляется силами межмолекулярного взаимодействия. Это притяжение, существующее между молекулами в любых условиях, складывается из трех компонент (эффектов): ориентационного взаимодействия, вызываемого притяжением между жесткими (постоянными) диполями, если они имеются в данных молекулах; индукционного взаимодействия, представляющего собой притяжение между постоянными диполями и молекулами с индуцированными диполями (возникшими под влиянием постоянных диполей); дисперсионного взаимодействия, вызванного притяжением между диполями, возникающими в атомах и молекулах вследствие того, что при перемещении их электронов в некоторые моменты времени создается асимметрия в расположении последних по отношению к ядру.

Таким образом, физическая адсорбция не сопровождается электронными процессами, характерными для хемосорбции. Из этого принципиального различия между физической и химической адсорбцией вытекают и другие различия между ними, имеющие значение для правильной оценки и понимания взаимодействия реагентов с минералами:

1. При физической адсорбции тепловой эффект, а, следовательно, и прочность связи адсорбента с адсорбированными молекулами и ионами, сравнительно невелики, при хемосорбции – значительны. Так, при физической адсорбции простое снижение концентрации реагента в растворе сдвигает адсорбционное равновесие и вызывает переход реагента с поверхности минерала в раствор, вплоть до полного освобождения поверхности. При хемосорбции адсорбционный слой не снимается даже при многократной промывке минерала водой.

2. Химическая адсорбция в противоположность физической характеризуется сравнительно высокой избирательностью (специфичностью) действия реагента на минерал, что имеет существенное значение для флотации. В соответствии с этим при физической адсорбции теплота адсорбции мало зависит от природы адсорбента, в то время как для хемосорбции эта зависимость значительна.

3. Физическая адсорбция отличается, как правило, большой скоростью процесса; скорость же хемосорбции изменяется в широких пределах. Повышение температуры ускоряет процесс хемосорбции, что не характерно для большинства случаев физической адсорбции.

4. Для физической адсорбции характерно более равномерное распределение реагента на поверхности адсорбента, чем для хемосорбции. При хемосорбции реагент в силу неоднородности поверхности минерала закрепляется прежде всего на наиболее активных в адсорбционном отношении участках его поверхности; по мере заполнения этих участков адсорбционный слой может образоваться и на остальных частях поверхности.