Флотация

За последнее время этот метод обогащения получил большое распространение. Флотационному обогащению подвергаются тонкоизмельченные руды (размер частиц 5 мкм-0,5 мм), содержащие несколько компонентов. Чем меньше компонентов в руде, тем лучше обогащение. Перед флотацией руда смачивается водой в соотношении 1:2,5-6.

Как мы уже говорили, флотация основана на различной смачиваемости частиц раствором.

Несмачивающаяся частица (1) образует с поверхностью раствора тупой угол θ, смачивающаяся частица (2) – острый, и силы поверхностного натяжения стремятся вытолкнуть на поверхность несмачивающуюся частицу и погрузить на дно смачивающуюся. Однако очень мелкие смачивающиеся частицы также всплывают, а крупные несмачивающиеся – погружаются, поэтому обогащение всегда <100%.

Теперь разберём основы теории флотации.

1. Поверхностное натяжение.

Рассмотрим две частицы в жидкости.

Частица М₁ равномерно притягивается всеми окружаю­щими частицами и не обладает поэтому запасом свобод­ной энергии. Частица М₂ (на поверхности) не находится в равновесии с окружающими частицами – её равнодей­ствующая сила R_M2 направлена в объем жидкости, и час­тица стремится в глубь жидкости, или говорят, что она обладает запасом свободной энергии.

Свободная энергия всех молекул на поверхности пропорциональна величине поверхности и называется поверхностной энергией или поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение – сила, действующая на поверхности и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших размеров при данном объеме.

Размерность Эрг/ см², Дж/м², Н/м. Поверхностное натяжение воды на границе с воздухом 72,8 Эрг/см², у органических жидкостей 40-50 Эрг/см².

При растворении в жидкости какого-либо вещества в зависимости от соотношения энергий взаимодействия молекул растворителя и растворённого вещества и молекул растворителя друг с другом могут иметь место три случая: повышение, понижение и не изменение поверхностного натяжения. Вещества, не изменяющие поверхностное натяжение, называются поверхносто-неактивными веществами (ПНВ). По отношению к воде это сахара. Вещества, повышающие поверхностное натяжение, называются поверхносто-инактивными веществами (ПИВ). По отношению к воде это серная кислота, щёлочи и другие сильные электролиты. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхносто-активными веществами (ПАВ). По отношению к воде это органические вещества, молекулы которых дифильны, то есть имеют полярную и неполярную части (спирты, жирные кислоты, мыла и др.) и обладают поверхностным натяжением меньшим, чем у воды.

Флотация без изменения поверхностного натяжения – плёночная (применяется редко). Флотация с изменением поверхностного натяжения – пенная (основная).

1. Условия смачивания тел на границе раздела трех фаз.

Если мы возьмем жидкость и твердое тело, то они в отдельности в газовой фазе будут обладать определенным поверхностным натяжением (σ_ж-г и σ_т-г). При нанесении капли жидкости на твердое тело между ними возникает межмолекулярное притяжение и межфазное поверхностное натяжение будет меньше суммы поверхностных натяжений отдельных фаз (пренебрегаем силой тяжести). Это положение реализуется в формуле Дюпре:

σ_т-г – поверхностное натяжение на границе твердое тело–газ.

σ_ж-г – поверхностное натяжение на границе жидкость–газ.

σ_жт – межмолекулярное притяжение на границе твердое тело–жидкость (также можно представить как поправку на межмолекулярное взаимодействие)

Это выражение характеризует работу адгезии (прилипания) – работа, которую необходимо приложить для отрыва капли от твердого тела.

Теперь представим себе каплю на твердом теле.

В этом случае имеются три поверхности раздела трёх фаз, и вдоль них действуют силы:

сила σ_т-г стремится увеличить поверхность, хотя она и мала.

сила σ_ж-г стремится сократить до минимума свою площадь – поверхность контакта.

сила σ_жт также стремится сократить свою поверхность соприкосновения жидкости и твёрдого тела.

θ – краевой угол между касательной к поверхности раздела т–г в точке Х и поверхности раздела т–ж. Он характеризует данную трёхфазную систему (равновесие) и направлен внутрь жидкости.

Из равновесия системы можно записать равновесие сил, стремящихся сжать и растянуть каплю.

σ_тг=σ_тж+σ_жгcosθ (уравнение Юнга)

Подставляем σ_тг из уравнения Юнга в уравнение Дюпре, получаем:

W_а= σ_тж+σ_жгcosθ–σ_тж+σ_жг

W_а= σ_жг(1+cosθ) – уравнение Юнга-Дюпре

Рассмотрим примеры систем с разными θ:

1) θ=0, cosθ=1, Wa=2σ_жг – полное смачивание

2) θ=90, cosθ=0, Wa=σ_жг – смачивание уменьшается

3) θ=180, cosθ=–1, Wa=0 – полное несмачивание

На практике обычно θ≤90⁰

Для случая пенной флотации систему Т–Ж–Г можно представить следующим образом: