Флотация как метод обогащения полезных и

ФЛОТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБОГАЩЕНИЯ

ЛЕКЦИЯ № 10

Флотационные методы обогащения– это процессы разделения полезных ископаемых, основанные на различии физико-химических свойств поверхности разделяемых минералов.

Эти свойства проявляются в различной способности минералов закрепляться на границе раздела фаз.

Фазой называется часть разнородной системы, которая отделена от других частей видимой границей раздела и обладает одинаковыми химическими и термодинамическими свойствами.

Различная способность удерживаться на межфазовой поверхности определяется смачиваемостью частиц.

Известны вещества, хорошо смачиваемые водой. Они называются гидрофильными, что в переводе с греческого означает «любящие воду». Например, на стекле капля воды хорошо растекается по его поверхности.

И есть такие вещества, которые не смачиваются или плохо смачиваются водой, т.е. «бояться воды». Они называются гидрофобными. Например, самыми гидрофобными веществами являются парафин и тефлон, капля воды на них не растекается, а сохраняет округлую форму.

Поэтому, в другой формулировке:

Флотация – это метод обогащения полезных ископаемых в водной среде, который основан на различии в смачиваемости водой частиц разделяемых компонентов.

Среди гидрофобных веществ много и таких, которые хорошо смачиваются маслом, т.е. олеофильных.

У Геродота есть описание метода вылавливания золотых частиц гусиными перьями, смоченными жиром.

Этот процесс находит применение и в настоящее время, правда, не для извлечения золота, а выделения тонких частиц алмазов (олеофильных частиц).

Если через поверхность, обработанную жиром, пропустить пульпу с алмазоносным песком, то кристаллики алмазов, избирательно смачиваясь жировой поверхностью, прилипают к ней. Для того чтобы прилипание было более надежным, поверхность алмазов предварительно покрывают жировой пленкой. Это осуществляется просто – перемешивают немного жира с пульпой, содержащей измельченную руду. Жир (масло) избирательно прилипает только к олеофильным частицам алмаза, остальными минералы уносятся водой.

Второй этап развития метода – масляная флотация. Как и обогащение на липких поверхностях, метод основан на явлении смачивания, но с существенной особенностью – с избирательным всплыванием несмачиваемых средой минералов. Процесс прост – перемешивание измельченной руды, воды и масла в емкости. Частицы масла смачивают олеофильные частицы, собираются в крупные капли и всплывают на поверхность воды (не забываем, что масло легче воды). Верхний слой пульпы снимается, образуя концентрат. Частицы пустой породы (гидрофильные), не смоченные маслом, остаются в воде (отходы).

Масляная флотация имеет низкую производительность и большой расход масла, поэтому широкого применения не получила. Она может применяться при доводке концентратов редких металлов.

Наиболее распространена пенная флотация.

В принципе безразлично, в какой среде разделять минералы по смачиваемости, лишь бы они смачивались по-разному. Развитие техники обогащения привело к самому простому варианту, при котором смачиваемость водой частиц противопоставляется их взаимодействию с воздушным пузырьком, всплывающим в пульпе. Это и есть суть пенной флотации.

Образно говоря, если гидрофобные вещества «бояться» воды, то они «любят» воздух.

Другими словами, воздух способен вытеснить с гидрофобной поверхности водную пленку и, следовательно, закрепиться на ней.

Таким образом, если в пульпу, содержащую гидрофильные и гидрофобные частицы, добавить пузырьки воздуха, то получим картину, изображенную на рис. 10.1 (флотация – от англ. flotation – всплывание, удерживание на поверхности воды).

Таким образом, в процессе пенной флотации участвуют три фазы:

– твердая – полезное ископаемое (крупностью до 0,5 мм),

– жидкая – вода,

– газообразная – пузырьки воздуха.

Пульпа насыщается пузырьками воздуха, т.е. осуществляется аэрация пульпы. Воздух может засасываться из атмосферы и диспергироваться в пульпе специальными механическими аэраторами или в пульпу вдувается сжатый воздух.

Гидрофобные частицы закрепляются на пузырьках воздуха и выносятся ими на поверхность пульпы, образуя слой минерализованной пены – пенный продукт, как правило, это концентрат. Гидрофильные частицы остаются в пульпе и образуют камерные продукт – отходы (их часто называют «хвостами»).

У пенной флотации, есть существенный недостаток – это невозможность выделения в концентрат частиц крупнее 0,5 мм. Это связано с действующими на комплексы пузырек-частица гравитационными и гидродинамическими силами.

Для выделения более крупных частицы – от 0.5 до 3 мм разработана разновидность пенной флотации – пенная сепарация.

Принцип метода заключается в том, что в отличие от обычной флотации свежая пульпа подается не в подпенную зону, а непосредственно на толстый слой устойчивой пены, предварительно полученный, например, подачей воздуха через пористое дно аппарата.

Гидрофобные частицы задерживаются пеной и выгружаются с ней через порог пенного сепаратора. Так как поднимать из глубины машины частицы нет необходимости, повышается крупность извлекаемых гидрофобных частиц. Гидрофильные частицы, проходя через слой пены, осаждаются в нижнюю часть машины.

В настоящее время флотация – один из основных методов обогащения полезных ископаемых.

Они широко применяется для обогащения большинства руд цветных и редких металлов, апатитовых, фосфоритовых, баритовых, графитовых и других руд, полевошпатового сырья и угольных шламов.

Процесс также применяется для очистки воды от органических веществ (нефти, масел); бактерий; тонкодисперсных осадков солей и др.

Помимо горноперерабатывающих отраслей флотация используется в пищевой, химической и других отраслях для очистки промышленных стоков, ускорения отстаивания, выделения твердых взвесей и эмульгированных веществ и.т.п. Широкое применение флотации привело к появлению большого количества модификаций процесса по различным признакам.

Учитывая сказанное выше о флотации, как об одном из процессов обогащения полезных ископаемых, остановимся на ее значении в настоящее время и на перспективах ее развития в ближайшем будущем.

Такая комбинированная постановка вопроса вызывается переходным характером состояния как капиталистического хозяйства (где появился и развился до современного положения флотационный процесс), идущего через непрерывный кризис к неизбежной смене на социалистическое хозяйство, так и нашего социалистического хозяйства с его современным реконструктивным периодом и переходом в коммунистическое хозяйство.

Роль и место флотации в общей схеме обогащения следует учитывать с двух точек зрения, а именно, смотря по тому, является ли она конечным процессом при комбинированном методе обогащения или же является основным и главным процессом обогащения. При этом может оказаться, особенно при обработке неметаллических полезных ископаемых различными химико-технологическими процессами, что флотация явится промежуточным и притом единственным процессом обогащения в общей технологической обработке данного сырья.

Исторически флотация начала применяться в виде конечного процесса концентрации руд цветных металлов, где на ее долю падало доизвлечение металла из промежутков или богатых хвостов после концентрационных столов. Ho доминирующая обработка руд с мелкокристаллической вкрапленностью компонентов быстро выдвинула на очередь вопрос о нецелесообразности их обработки мокрым процессом и, наоборот, всей очевидности использования для этого флотационного процесса полностью, особенно при разделении компонентов полиметаллических руд.

Таким образом, первый период начал заменяться вторым. При этом необходимо помнить, что для разных полезных ископаемых использование флотации в том или ином виде зависит не только от технических, но и от экономических причин.

За последнее время, с применением флотации для неметаллических полезных ископаемых, начинает прививаться, правда, пока в единичных, но заслуживающих внимания случаях, использование ее в качестве промежуточного процесса в общей схеме химико-технологической обработки данного вида сырья.

Насколько этот вид флотации разовьется и какое займет положение — об этом в данное время еще затруднительно судить, но самая возможность такого использования и внедрения флотации при химической обработке уже говорит за весьма большие достижения, особенно в будущем, флотации, как основного индустриального процесса при технологической обработке минерального сырья вообще.

He разбирая подробно всех взаимоотношений между отдельными процессами обогащения, приведем ниже схематически типовые варианты, указывающие, какое место в каждом из них может занимать флотация.

Рассматриваемые варианты разобьем на следующие 3 группы.

а) Флотация как конечная стадия концентрационной схемы

Флотация, занимая конечную часть схемы, является продолжением одного или нескольких обогатительных процессов, обрабатывающих более крупные классы.

Эта группа может быть разбита на подгруппы, в зависимости от применяемых основных обогатительных процессов

Таким образом, мы здесь можем иметь следующие сочетания процессов: мокрые процессы и флотация, сухие процессы и флотация и магнитное обогащение и флотация.

Мокрые процессы и флотация могут иметь сочетание для разных полезных ископаемых в следующих направлениях:

1) отсадка, столы и флотация — для различных полезных ископаемых;

2) промывка глинистых железных и марганцовых и других руд и флотация шламма и тонковкрапленных продуктов;

3) реомойка и флотация для пыли и шламма — преимущественно для углей;

4) способ Чанса, столы и флотация для пыли и шламма — исключительно для углей.

Вопрос использования флотации для шламма всецело будет зависеть от характера его флотируемости. В случае легкой флотаруемости полезного минерала часто додрабливание промпродуктов ведут таким образом, чтобы они целиком шли на флотацию.

При наличии глинистых полезных ископаемых, преимущественно марганцевых и руд бурого железняка, шламмистый и тонкозернистый материал, а также мелкие зерна промежуточных продуктов для извлечения из них полезных компонентов могут подвергнуться флотации при условии выработки метода этой флотации для этого материала.

Вопрос крупности отсасываемой пыли и, следовательно, того же размера отсеваемого класса при отсадке, реомойке, способе Чанса и других гравитационных процессах, как идущих во флотацию, должен решиться экспериментальным исследованием и экономическим подсчетом, так как современная флотация может принять в процесс классы от 3 мм и ниже.

Наконец, додрабливание промпродуктов с последующим рассевом также должно выявиться при лабораторном изучении пробы, так как в этом случае приходится учитывать как дефицитность коксующихся углей и, следовательно, стремление извлечь максимум коксующейся массы из угля, так и вопрос о целесообразности превращения промпродукта с коксующейся неизвлеченной массой в местное и энергетическое топливо или целесообразность транспортировки в данное место некоксующегося угля.

Так как в капиталистических странах проекты фабрик сдаются проектировочным фирмам, запатентовавшим определенный процесс, то вполне понятно, что несмотря на значительно худшую обогатимость мелочи методом этого процесса, проектирующая его фирма обычно не вводит никакого другого процесса. He идя в этом направлении с интересами заграничных фирм, мы должны на наших фабриках найти такое сочетание различных процессов обогащения, которое дало бы нам максимальный эффект.

Таким образом, при применении комбинации мокрых процессов с флотацией существенными являются моменты определения правильного места стыка этих процессов и увязки рациональьной обработки соответствующих продуктов, имея в виду основное правило рационального обогащения — получение максимального количества товарных продуктов.

Сухие способы и флотация могут иметь следующие сочетания:

1) пневматические столы и флотация, преимущественно для углей;

2) воздушно-песковый метод типа Фрезера и Янси и флотация — исключительно для углей.

Здесь в дополнение к сказанному выше следует указать, что вопросу отсасывания пыли должно быть уделено больше внимания, так как помимо первичной пыли, отсасываемой при грохочении и рассеве, образуется «вторичная» пыль вместо шламмов при мокрых процессах во время додрабливания промпродуктов и от истирания угля во время прохождения по аппаратам. Эта пыль также должна коллектироваться и вся поступать на флотацию.

Магнитное обогащение и флотация могут применяться к обогащению железных руд как их одних, так и в смеси с другими примесями. Из этой группы рассмотрим следующие типовые сочетания:

1) железные руды с компонентами различной магнитной проницаемости;

2) железные руды с компонентами различной флотируемости.

Первая группа предусматривает извлечение различных железных минералов в конечный суммарный железный концентрат, применяя один или несколько процессов обогащения, а вторая группа предусматривает полиметаллическую железную руду с применением селективной флотации. В обоих группах начальным процессом явится магнитное обогащение.

Комбинация магнитного обогащения и флотации для железных руд с различной магнитной проницаемостью должна предусмотреть целесообразность введения в схему магнитного обжига для максимального использования магнитного обогащения для зернистых продуктов обогащения, и тогда на долю флотации останется минимальная задача доизвлечения из хвостов после мокрого магнитного обогащения флотирующихся железных минералов. Если же магнитный обжиг окажется не целесообразным вводить в процесс, то удельный вес флотации в такой схеме для промежутков мокрого магнитного обогащения, естественно, возрастет за счет наличия гематитовых и других слабомагнитных железных минералов.

Магнитное обогащение и флотация для сложных железных руд с компонентами различной флотируемости предусматривают различные объекты со смесью минералов черных и цветных руд (например, железно-медные уральские руды; возможно, также титаномагнетитовые, ферромарганцевые и т. п.).

Во всех этих рудах, в зависимости от структуры, флотация может предшествовать магнитному обогащению (более редкий случай) или следовать за магнитным обогащением (нормальный случай).

Таким образом, рассматривая первую группу, в которой флотации отведена конечная часть схемы, необходимо отметить, что ее удельный вес, а также и экономическая целесообразность использования будут всецело зависеть от того, насколько мы овладеем применением этого метода к рассматриваемым объектам с целью максимального извлечения из них интересующих нас компонентов.

Нельзя при этом упускать из вида примеры развития флотации в цветных рудах, когда она из аналогичного подчиненного процесса уже превратилась в доминирующий процесс.

Кроме того, необходимо подчеркнуть, что поддержание стабильного режима флотации в комбинированном процессе является затруднительным, так как какой бы ни применялся до флотации процесс, он будет сильно разниться от флотации по физическому использованию и поэтому место стыка этих процессов всегда будет узким местом, так как всякие колебания в результатах работы в первом процессе будут неминуемо отражаться на флотации.

Таким образом, флотации придется все время корректировать все неровности первого процесса и, следовательно, все время находиться в положении регулировки. А такое состояние, как известно, в нормальной флотации рассматривается, как самый неэффективный случай.

б) Флотация как промежуточная часть технологической схемы

Флотация занимает промежуточное положение среди химико-технологических процессов. Эта группа является самой новой и вследствие этого еще не имеющей достаточного количества примеров, по которым можно было бы выводить какую-либо обобщающую схему. Тем не менее возможность использования флотации в ряде химико-технологических процессов является настолько очевидной, что заслуживает выделения ее уже в настоящее время в отдельную группу.

Пример 4. Приведем обоснование для разделения флотацией заводской смеси углекислого бария и окиси алюминия.

При изготовлении окиси алюминия из бокситов по методу Кузнецова-Жуковского получается раствор алюмината бария, который обычно в дальнейшем для выделения окиси алюминия обрабатывается избытком раствора соды, причем в осадке выпадает углекислый барий, а в растворе остается алюминат натрия. Из последнего раствора путем пропускания угольного ангидрида выделяется окись алюминия и регенерируется обратно раствор соды, который может вновь итти для реакции с алюминатом бария. Так как в этом растворе постепенно накапливаются различные растворимые соли, вроде сернистого натрия, то такой раствор при повторных операциях становится негодным, и приходится вновь расходовать чистую соду на изготовление нового раствора. Кроме того, окись алюминия не получается достаточно чистой.

Эту операцию с содой легко обойти, если сразу воздействовать на раствор алюмината бария угольным ангидридом. В таком случае в осадок переходят сразу и углекислый барий, и окись алюминия; все вредные примеси остаются в растворе и идут в отброс.

Отделить углекислый барий от окиси алюминия можно было бы: 1) путем обработки осадка слабой соляной кислотой, в которой окись алюминия трудно растворима (но при таком способе требуется большое количество соляной кислоты и теряется угольная кислота) или 2) путем обработки осадка раствором едкого натра, в котором растворяется окись алюминия с образованием раствора алюмината натрия (причем расходуется дорогая щелочь).

Все эти способы, являясь чисто химическими, оказываются к тому же экономически маловыгодными.

Применяя к разделению заводской смеси углекислого бария и окиси алюминия флотационный метод, можно получить при помощи него чисто механическим путем, с одной стороны, продукт, состоящий из углекислого бария с минимальной примесью окиси алюминия, а с другой стороны, второй продукт, в состав которого входят окись алюминия и небольшое количество углекислого бария. В дальнейшем, переходя снова на химическую обработку, первый продукт можно обработать небольшими количествами едкого натрия и, переведя таким образом примесь окиси алюминия в раствор, получить чистый углекислый барий. В то же время во втором продукте можно путем обработки небольшим количеством соляной кислоты очистить окись алюминия от углекислого бария, получив при этом ценную соль хлористого бария. Таким образом, удачное применение для разделения указанной смеси флотационного метода может значительно удешевить весь процесс приготовления из бокситов чистой окиси алюминия по методу Кузнецова-Жуковского.

в) Флотация как единственный процесс обогащения

Флотация является единственным процессом концентрации. Эта группа разбивается на две подгруппы:

1) флотация одного полезного компонента (фиг. 4), подразумевая группу минералов одного и того же металла, например, меди, и

2) флотация нескольких различных компонентов.

Разбираемые ниже типовые схемы обоих подгрупп в одинаковой степени приложимы к флотации, когда она является конечной частью схемы.

Пример 5. Отметим основные моменты схемы.

(1) Крупно-среднее дробление обычно ведется до крупности 10—12 мм.

(2) Тонкое измельчение осуществляется в стержневых или шаровых мельницах до заданной крупности помола. Тонкое измельчение может производиться в несколько стадий.

(4)—(6) Перефлотация обоих продуктов первичной флотации с пропуском обоих конечных промпродуктов через первичную же флотацию дает наибольшую гибкость в скорости достижения наилучших результатов флотации, почему ее следует принять за основную схему.

(7)—(8) Обезвоживание сводится к сгущению продуктов обогащения.

(9) Фильтрация и сушка должны дать кондиционную влажность концентрата.

Обезвоживание хвостов производится либо с целью доизвлечения оборотной воды, либо с целью использования обезвоженных хвостов в качестве товарного продукта.

2) флотация нескольких различных компонентов, например, двух (фиг. 5) видна из следующего примера.

Пример 6. Здесь необходимо учесть, для скольких компонентов мы будем иметь самостоятельные ветви, аналогичные по схеме флотации с одним компонентом. Вторым вопросом явятся характер и место возвращения в цикл промпродуктов. В остальном схема фиг. 5 становится ясной после сказанного выше.