Пена

ПЕНА — ОБОГАТИТЕЛЬ

Одному из крупнейших советских специалистов в обл обогащения полезных ископаемых принадлежит ризм: «Хотите ли, не хотите ли-мы все обогатителю)] С именами В. И. Классена, И. Н. Плаксина, В. А. Глем - боцкого связаны фундаментальные исследования в обла­сти флотации.

Приведенное - шутливое двустишье имеет глубо смысл.

Уголь и руду отделяют от пустой породы, нефть-о воды, природный газ из скважин-от пылинок, капелё! воды и сернистых соединений, молочный жир-от сЫво ротки, волокно хлопка-от коробочки и семян... Даж снимая скорлупу с ореха, мы занимаемся обогащением Обогащению подвергают не только бедные рудйі даетных металлов-свинца, меди, молибдена, цинка, н» келя и других, но и уголь, фосфорсодержащие минералы для производства удобрений, - калийные соли, железные
руды и многие другие полезные ископаемые. Цель одна - oiделить искомое от сопутствующего. В результате тако - 1 о разделения ежегодно в мире создается более 35 млрд юнн различных отходов, и практически почти все они - 1 іродукты обогащения. Процесс обогащения основан на различии в каких-либо свойствах полезной части (напри­мер, руды, угля, неметаллических материалов) и сопут­ствующего материала (в нашем случае-пустой породы). Это может быть различие в размерах зерен, плотности, цвете и блеске, магнитных и электрических характеристи­ках, химических свойствах, смачиваемости.. Вот это по­следнее свойство и лежит в основе обогащения по­давляющего большинства полезных ископаемых. «Обога­тителем» в этом случае «работает» воздушный пузырек. Пена на горнообогатительных комбинатах (ГОК) играет роль разведчика, транспортника и складского рабочего. Разделение, основанное на различной смачиваемости водным раствором ПАВ отдельных минералов руды и пустой породы, способности некоторых минералов при­липать к воздушным пузырькам и прочно на них удержи­ваться, называется флотацией.

Руду, подлежащую флотационному обогащению, под­вергают тонкому измельчению. Из раствора, содержаще - I о ряд химических водорастворимых компонентов (вспени - ватели, собиратели, или коллекторы, подавители, регуля­торы состава среды и др.) и измельченной руды, энер - 1 ичным перемешиванием готовят взвесь (суспензию). Че­рез эту взвесь продувают воздух, раздробленный на мел­кие пузырьки (от 0,5 до 2 мм). К таким пузырькам При­липают только частицы, плохо смачиваемые водой (гидрофобные). Пузырьки всплывают вверх, увлекая за собой прилипшую частицу. На поверхности образуется пена, содержащая желаемый минерал или группу та­ковых. Происходит концентрирование полезных руд, а «хвосты», т. е. пустая порода, которая в пену не попа­дает, оседают на дно флотационной машины.

Но минералов, обладающих «природной флотируеЗ мостью», т. е. несмачиваемых водой, немного: графит, самородная сера, горный воск. Большинство же минера­лов, и в том числе содержащих медь, никель, свинец, цинк и другие металлы, хорошо смачиваются водой. Для уменьшения смачиваемости приходится вводить специаль« ные вещества-собиратели, или коллекторы. Это может быть олеиновая кислота, нафтеновые кислоты или спе­циально синтезируемые соединения (ксантогенаты, дитио* фосфаты). Они способны избирательно адсорбироваться на поверхности минерала. При адсорбции молекулы соби­рателя ориентируются так, что гидрофобная часть их обра­щена в сторону жидкой фазы. Такая ориентация препра-5' щают гидрофильную частицу в гидрофобную, и она легко и надежно приклеивается к пузырьку. Главное, или
одко из главных свойств флотационной пены, по мнению ц Ц. Классена, состоит в способности удерживать ча­стички минералов. Количественно этот показатель оцени­Вается значением «прилипаемости», для определения ко­торого существует ряд методик и приборов. Вещества - ьоллекторы нередко обладают и свойствами пено­образователя, но обычно вспениватели вводят специаль­но. Чаще всего это эфирные масла, например сосновое (состоит из терпеновых спиртов и терпенових углеводо­родов), которому еще нет хорошего заменителя.

Эффективность флотации и производительность фло­Тационных машин во многом зависят от стойкости пены. Высокостойкие пены плохо перекачиваются насосами и медленно фильтруются; извлечение концентрата из них затруднено. Малоустойчивые пены разрушаются (деми­нерализуются) еще »в камере флотационной машины, и степень извлечения полезных минералов мала. Для флотации нужны пены, которые не разрушались бы в ка­мере, но быстро деминерализовались в желобах флота­Ционных машин при отделении концентрата.

Флотация в промышленных масштабах используется уже многие десятилетия, но флотационные реагенты пока подбирают в основном опытным путем. Заметим, что эф­фективность разделения минералов не зависит от их плотности. Тяжелые могут всплывать, а более легкие, но хорошо смачиваемые, оседать на дно. На полноту и ско­рость флотации влияют многие факторы: температура, наличие так называемых флотационных ядов (веществ, ухудшающих пенообразование), концентрация примесных растворимых соединений и многое другое, включая кон­струкцию флотационных машин и качество воды в зоне работы предприятия. На выход флотационного концен­трата влияет даже погода. В дождливые дни вода содер­жит больше взвешенных и растворенных веществ, поэто­му флотация менее действенна, чем в сухую погоду. Современная флотационная технология использует и до­полнительные воздействия на воду, как на среду, в ко­торой идут физико-химические процессы образования пены и ее минерализации. Например, предварительно boJ Ду подвергают магнитной обработке. В такой омагничен - ной воде разделение будет более полным. ' j

Первые флотационные машины были запатентованы в самом начале нашего века. Уже в 1904 году в г. Мариу­поле (ныне г. Жданов) бЙла пущена первая флотацион-j ная машина для обогащения графита. т Я

Слово «Флотация» происходит от латинского Fluctuo, Что буквально означает «ношусь по волнам». Флотацион­ная машина и предназначена для создания «волны», ко­торая выносит полезную часть руды «на берег».

Весьма образно технология пенной флотации описан в солидном учебнике по химической технологии (под pd дакцией академика С. И. Вольфковича): представим себ толпу людей, в которой есть несколько человек в очен яркой и красивой одежде. Как этих людей выделить, изъ ять из толпы? Можно выпускать всех через узкие ворол Но можно с воздушного шара опустить прочный канат к которому желаемое лицо будет «притянуто» особы» способом.

Конечно, можно воспользоваться и другим приме ром: вспомним, как «обогащала» (разделяла) крупу Зо лушка или как вылавливают наполненные водородо» разноцветные шарики под высокими сводами зданий, от куда их достать обычными способами весьма трудно. За* то очень эффективен довольно простой прием: большоі наполненный водородом шар, смазанный тонким слоем машинного масла, с помощью тонкой нитки подводяї к «беглецам» под крышей. Шарики прочно прилипаю и... опускаются вниз. Что-то вроде «флотации наоборот»

Роль «каната» или «нитки» при флотации выполняс флотационный реагент. Адсорбируясь на поверхносп минералов, он прочно связывает частички минерал, с воздушным пузырьком.

Старая народная мудрость гласит: «сложно отыскать иголку в стоге сена». По современным представлениям, эта задача не из самых сложных. Иголку из сена можно, например, извлечь с помощью магнита. Технология это - ю приема проста: на ленту конвейера, снабженного сильным электромагнитом, подают непрерывно сено. Иголка (2 грамма) составляет от стога сена (2 тонны) не так уж мало-больше одной десятитысячной (10~«) доли процента. Заметим, что в богатых алмазных рудах содер­жание алмазов составляет не более 0,4 карата в тонне. Если подсчитать (принимая во внимание, что 1 карат ра­вен 0,2 г), то оказывается, что алмазов в руде меньше, чем железа (иголка) в стоге сена. Следовательно, извлечь алмаз из руды почти во сто крат сложнее, чем иголку из стога сена. Некоторых металлов в исходных рудах иног­да еще меньше, чем алмазов в кимберлите-алмазонос­ной руде. К тому же извлечение алмазов облегчается вследствие особых свойств самих алмазов: они не смачи­ваются водой, но смачиваются нефтяными маслами (на­пример, вазелиновым), блестят при облучении рентгенов­скими лучами, их объемная масса больше, чем у других составляющих руды, поэтому можно отделить их от по­роды не только флотацией.

Нередко руды полиметалличны, т. е. представляют со­бой смесь оксидов, сульфидов, силикатов сразу несколь­ких металлов (железа, меди, олова, цинка и др.). Обога­щение таких руд осуществляется многократной флота­цией или сочетанием нескольких методов.

Используемые во флотации синтетические поверхност­но-активные вещества и некоторые природные жирные кислоты часто вызывают избыточное пенообразование, что затрудняет обогащение. Чтобы избежать этого, вво­дят антивспениватели (пенорегуляторы), например сложные эфиры и углеводороды. Физико-химические ос­новы «работы» антивспенивателей достаточно полно рас­шифрованы. Антивспениватели или предотвращают ад­сорбцию молекул пенообразователя на границе раздела жидкость-газ, или вытесняют (замещают) эти молекулы на этой границе. Вытеснение может быть полным или ча­стичным. Образующийся новый адсорбционный слой слабо гидратирован, так как молекулы антивспенивателя малополярны. В результате трехслойные пленки («сэн-> двичи») в пене, разделяющие воздушные пузырьки, оказываются слабоструктурированными, и из пленок вы­текает вода. Пленки утончаются, пузырьки коалесцируют и пена разрушается.

Богатых руд на земле становится все меньше. Сейчас начинают использовать руды, которые ранее при разра­ботке больших месторождений считались столь бедными, что шли в отвал. Поэтому роль маленького пенног пузырька в обеспечении промышленности полноценным сырьем становится все весомее.