Теоретические основы флотации

При флотации происходят сложные физико-химические и гидродинамические явления.

Известно, что между молекулами жидкости действуют силы притяжения. Силы притяжения, действующие на любую молекулу внутренних слоев жидкости, взаимно уравновешиваются. В по­верхностном же слое жидкости, например на границе вода - воздух, молекулы не уравновешены и испытывают значительно большее притяжение со стороны жидкости. Со стороны воздушной (га­зообразной) фазы они почти не испытывают притяжения.

Неуравновешенность молекулярных сил в поверхностном слое жидкости на границе двух соприкасающихся тел образует избыток свободной энергии, способной производить некоторую работу и называемой поверхностной энергией. Поверхностная энергия численно равна поверхностному натяжению и измеряется в джоулях на 1 м². Поверхность твердых тел, например минералов, также обладает свободной поверхностной энергией, величина которой различна у различных минералов.

При флотации смачивание минерала водой следует рассматривать как процесс, происходящий на общей границе раздела трех соприкасающихся фаз: минерала, воды и воздуха.

В месте соприкосновения трех фаз будут действовать три силы:

- поверхностное натяжение на поверхности раздела газообразной и жидкой фаз;

- поверхностное натяжение на поверхности раздела твердой и жидкой фаз

- поверхностное натяжение на поверхности раздела газообразной и твердой фаз.

В состоянии равновесия будем иметь

Отсюда

Рисунок … - Смачивание минеральной поверхности водой

Линия, по которой соприкасаются все три фазы, называется периметром смачивания. Угол θ, образованный поверхностью твердого тела и касательной к пузырьку воздуха (капли жидкости), называется краевым углом смачивания. Краевой угол, который принято отсчитывать в сторону жидкости, характеризует смачиваемость минеральной поверхности.

Чем меньше краевой угол, тем больше смачиваемость твердого тела данной жидкостью.

Минералы в естественном состоянии значительно различаются по смачиваемости водой. Минералы, поверхность которых хорошо смачивается водой, называются гидрофильными, а минералы с плохосмачиваемыми поверхностями называют гидрофобными.

К гидрофильной группе минералов принадлежат кальцит, флюорит, кварц, полевой шпат и др. К гидрофобной группе мине­ралов относятся сера, графит, тальк, молибденит, самородные ме­таллы и др. Многие минералы занимают промежуточное положение.

При изучении явлений смачивания установлено, что с гидро­фильных поверхностей минералов вода легко и быстро вытесняет воздух, в результате чего происходит растекание капли по таким поверхностям. С поверхностей гидрофобных минералов, наоборот, воздух легко вытесняет воду.

В процессе флотации через пульпу пропускается множество мелких пузырьков воздуха.

При движении пузырька воздуха через пульпу к нему прилипает большое количество гидрофобных минеральных частиц, т. е. происходит минерализация пузырьков воздуха.

Смачиваемость поверхностей минеральных частиц водой может изменяться в широких пределах путем физико-химического воздействия на их поверхности реагентами. Изменение свойств минеральных поверхностей под действием реагентов находится в тесной связи с явлениями адсорбции.

Под адсорбцией понимают увеличение концентрации какого- либо вещества на разделе двух фаз, например, твердая - жидкая, жидкая - газообразная.

Явление адсорбции широко используется в технологии флота­ционного процесса. Путем обработки поверхностей минералов реагентами последние под действием их адсорбции могут изменять естественное свойство смачиваемости. Во многих случаях изменение этих свойств сопровождается химическими реакциями в поверхностном слое минералов. В зависимости от типа приме­няемого реагента поверхность минерала может стать смачиваемой или несмачиваемой водой. В первом случае минерал не будет флотироваться, тогда как во втором - будет. Во многих случаях удается подобрать такие реагенты, которые воздействуют только на определенные минералы, оставляя остальные в прежнем состоянии. Это обстоятельство имеет важное значение при разделении минералов, имеющих в естественном состоянии одинаковые флотационные свойства.

Другим примером использования явления адсорбции во флота­ции является растворение в воде таких веществ, которые понижают поверхностное натяжение на границе раздела вода - воздух. К ним относятся многие органические вещества, например сосновое масло, терпинеол, жирные кислоты и др.

Понижением поверхностного натяжения на разделе вода - воздух достигается высокая диспергация (раздробление) воздуха в объеме пульпы, предотвращение слияния пузырьков при их дви­жении в пульпе, образование устойчивой пены на поверхности пульпы.

Явления, описанные выше, зависят от так называемой поляр­ности вещества. Все вещества по характеру связи ионов и атомов в молекулах делятся на три группы: полярные, аполярные и гетерополярные.

Полярными веществами называются такие, в молекулах кото­рых симметрично расположены электрические заряды. Они харак­теризуются способностью распадаться на ионы, хорошей раство­римостью в воде. К таким веществам относятся неорганические кислоты, основания, соли, некоторые минералы.

Аполярные вещества являются противоположностью полярным. Они обладают малой химической активностью, не распадаются на ионы, обладают малой поверхностной энергией, нерастворимы в воде и не смачиваются ею. К ним относятся углеводороды и ряд других органических соединений.

Гетерополярными называются такие вещества, в состав молекул которых входят полярные и неполярные группы атомов. К таким веществам относятся многие органические соединения. Активной частью у гетерополярных веществ, способных вступать в реакцию с молекулами других веществ, является полярная группа. Полярными группами могут быть: СООН - карбоксил, ОН - гидроксил, SH - тиогруппа и другие, тогда как аполярными - углеводородные радикалы. Схематически молекулу гетерополярных веществ можно представить в виде спички: головка - полярная группа, остальная часть - аполярная.

Молекулы гетерополярных веществ, адсорбируясь на поверх­ности раздела фаз, располагаются не беспорядочно, а ориенти­рованно (определенным образом). Так, на поверхности раздела вода - воздух полярные группы гетерополярных веществ направлены в воду, а аполярные - в воздух. Вообще полярные группы гетерополярных веществ всегда направлены в сторону более по­лярной среды, а аполярные - в сторону аполярной. Такое распо­ложение молекул гетерополярного вещества часто сопровождается прочным закреплением их на поверхностях благодаря происходящей при этом химической реакции.

Таким образом, в результате адсорбции растворенных в водной части флотационной пульпы веществ происходит изменение смачиваемости минеральных поверхностей, т. е. изменяется их флотируемость.

Обрабатывая пульпу тем или другим флотореагентом, можно изменять флотируемость минералов. Так, например, добавляя в пульпу небольшие количества олеиновой кислоты, можно значительно улучшить флотируемость кальцита и многих других окисленных минералов.

Обрабатывая пульпу жидким стеклом, можно значительно ухудшить флотируемость многих окисленных и силикатных минералов.

Адсорбция гетерополярных веществ на разделе воздух - вода понижает поверхностное натяжение воды, в которой происходит флотация. Это очень важно для образования в воде мелких пузырьков воздуха и устойчивой минерализованной пены на по­верхности пульпы.