Назначение и классификация флотационных реагентов
В зависимости от целевого назначения Флотореагенты делят на три класса — собиратели, пенообразователи, регуляторы. Результаты флотационного обогащения в значительной степени определяются реагентным режимом флотации — 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.
Флотореагенты — химические соединения, способствующие избирательному прилипанию пузырьков воздуха к минеральным частицам и осуществлению флотации определенных компонентов.
Простейший реагентный режим определяется дозировкой одного пенообразователя или реагента со смешанными функциями собирателя-пенообразователя. В современной практике флотации такие режимы редки.
Обычно при флотации одновременно применяют несколько реагентов, действие которых взаимосвязано и зависит от концентрации каждого из них. Превышение сверх необходимого расхода реагента одного класса требует повышения расхода реагентов других классов и может привести к ухудшению технологических показателей. Минимально возможные расходы реагентов обеспечивают наименьшие затраты на переработку минерального сырья и лучшие результаты флотации. Необходимый расход реагентов определяют с помощью лабораторных флотационных опытов, уточняют в полупромышленных и промышленных условиях.
Флотоактивность реагентов может быть повышена с помощью физических, химических и др. методов — эмульгирование, электрохимическое окисление, ультразвуковая, тепловая и бактериальная обработки, смешивание разных реагентов, подача реагента в парообразном состоянии или в виде аэрозоля и др. Использование физических, химических и др.методов воздействия на Флотореагенты и их водные растворы способствует повышению технико-экономических показателей флотации (снижение расхода реагентов, увеличение извлечения ценных компонентов, улучшение качества концентратов).
Наряду с применением флотореагентов трех классов (собиратели, пенообразователи, регуляторы) и различного сочетания реагентов внутри каждого класса совершенствование флотации минерального сырья во многом определяют технологические приемы, включающие применение сочетаний флотореагентов различных классов, методы обработки пульпы реагентами, методы обработки реагентов перед флотацией, комбинации флотационных методов на основе применения реагентов и нефлотационных операций. Эти технологические приемы условно отнесены к группе «Способы флотации» и дополняют каталог флотационных реагентов.
Вспениватели — поверхностно-активные органические вещества, адсорбирующиеся преимущественно на поверхности раздела жидкость — газ.
Назначение вспенивателей — способствовать образованию в объеме пульпы воздушных пузырьков с определенными свойствами, а на поверхности пульпы — достаточно устойчивого пенного слоя необходимого строения. Молекулы вспенивателя являются полярно-аполярными (дифильными). Полярная часть может быть представлена гидроксилом, карбонилом, сульфогруппой, аминогруппой и др.
Поверхностное натяжение чистых вспенивателей и их растворов значительно меньше, чем поверхностное натяжение воды. С повышением концентрации вспенивателя поверхностное натяжение раствора понижается, поверхностно-активное вещество переходит в поверхностный слой, обусловливая уменьшение свободной энергии (движущая сила адсорбции). В предельном случае при добавлении к воде поверхностно-активных веществ молекулы воды полностью удаляются с поверхности раздела газообразной и жидкой фаз и замещаются молекулами менее полярного вещества. При этом сила межмолекулярного взаимодействия поверхностного слоя жидкости и воздуха увеличивается, поверхностное натяжение уменьшается.
При флотационных концентрациях вспенивателей понижение поверхностного натяжения составляет 30—30 мкН/см и адсорбционный слой на поверхности пузырьков в объеме пульпы является ненасыщенным.
Концентрация вспенивателя в пенном слое значительно больше, чем в объеме пульпы (выше уровня пульпы пузырьки разрушаются и пена непрерывно обогащается новыми порциями реагента).
Адсорбируясь на границе раздела вода — воздух, поверхностно-активные вещества ориентируются полярной группой в водную фазу. Взаимодействуя с полярными группами молекул пенообразователя, диполи воды гидратируют их, создавая каркас известной жесткости и способствуя упрочению поверхностного адсорбционного слоя пузырька воздуха.
Чем больше гидратированы молекулы вспенивателя, тем медленнее стекает вода с поверхности пузырька в пенном слое, тем устойчивее пена. Слишком хрупкие и устойчивые пены не являются оптимальными для флотации. В отсутствие пенообразователя пузырьки воздуха разрушаются практически сразу после достижения ими поверхности. Пена должна обладать свойствами, обеспечивающими вторичную концентрацию флотируемого минерала.
Структура флотационной пены зависит, при прочих равных условиях, от характера флотореагентов и крупности минеральных зерен.
Различают три типа пен: пленочно-структурные, агрегатные и пленочные. Тип пены можно определить по виду ее распада и содержанию воды в продуктах распада
Пленочно- структурная пен а при флотации частиц обычной крупности встречается наиболее часто. Она характеризуется значительной обводненностью, имеет относительно большую высоту и повышенное содержание увлеченных потоком частиц пустой породы.
Агрегатными называют плотные минерализованные пены, содержащие относительно небольшую долю воды. Образованию агрегатных пен способствуют относительно крупные флотирующиеся частицы, а также добавки аполярных масел. Они могут получаться также при распаде обычных пленочно-структурных пен. Агрегатным пенам часто соответствует максимальная скорость флотации.
Пленочные пены аналогичны агрегатным, но имеют небольшую толщину; получаются при флотации крупных гидрофобных частиц небольшой плотности, например угля.
Аполярная группа вспенивателя, замещающая молекулы воды -на поверхности раздела фаз и обусловливающая уменьшение поверхностного натяжения, должна быть достаточной длины, чтобы выталкиваться из воды. У вспенивателей полярная группа находится в определенной связи с длиной углеводородного радикала. Например, спирты с числом атомов углерода в молекуле до 4 не являются вспенивателями, как и спирты, содержащие более 8 атомов углерода (в первом случае превалирует взаимодействие группы ОН с водой над взаимодействием аполярного радикала с воздухом, во втором — наоборот).
Вспениватели оказывают следующее действие: способствуют диспергированию воздуха во флотационной машине; препятствуют коалесценции воздушных пузырьков; снижают скорость подъема пузырьков воздуха в пульпе (приблизительно в 2 раза), способствуя их лучшей минерализации; увеличивают силу прилипания пузырьков к флотирующимся минеральным частицам; способствуют образованию трехфазной флотационной пены определенных свойств и характера.
Пенообразующая способность реагентов зависит от их природы и концентрации. В ряду нормальных спиртов наибольшим пенообразующим действием обладает октиловый спирт, затем гептиловый и гексиловый; в ряду низших фенолов — крезол, затем ксиленол и фенол. тели из.
Каждый вспениватель индивидуально влияет на характер распределения воздушных пузырьков в пульпе по крупности. Наиболее флотационно активны пузырьки диаметром 0,6— 1,2 мм. Крупные пузырьки обладают достаточной подъемной силой для извлечения крупных минеральных частиц и сростков, но вследствие больших скоростей подъема их время контакта с частицами невелико и они малоэффективны. Тонкие и сверхтонкие пузырьки находятся в пульпе значительное время, способствуют прикреплению к частицам пузырьков более крупных размеров, но сами по себе плохо флотируют минеральные частицы даже средней крупности.
С уменьшением размера воздушных пузырьков возрастает стабильность пены. Флотирующиеся минеральные частицы также стабилизируют пену. Наоборот, тонкие гидрофобные осадки, образующиеся в пульпе при взаимодействии собирателя с ионами тяжелых металлов, оказывают пеногасящее действие.
Для флотации минерального сырья предложено более двухсот пенообразователей.
Для флотации минерального сырья предложено более двухсот пенообразователей. По классам химических соединений реагенты-вспениватели делят на спирты, фенолы, кислоты, эфиры, гетероциклические, кремнийорганические и серосодержащие соединения; в группу «Разные» включены используемые в качестве вспенивателей единичные представители других классов органических соединений и реагенты сложного и неустановленного состава (побочные продукты и отходы химических производств, продукты взаимодействия различных органических соединений и т. п.).
Эффективность флотационного применения вспенивателей зависит от рН пульпы. Условно вспениватели можно разделить на три группы: кислые, обладающие максимальным пенообразующим действием в кислой среде (фенолы); основные, обладающие максимальным пенообразующим действием в щелочной среде (некоторые гетероциклы); нейтральные, пенообразующее действие которых практически не зависит от рН (спирты, эфиры). Практически по масштабам потребления наиболее важны нейтральные пенообразователи.
Выбор вспенивателя зависит от многих факторов, в первую очередь определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.
Поверхностное натяжение чистых вспенивателей и их растворов значительно меньше, чем поверхностное натяжение воды. С повышением концентрации вспенивателя поверхностное натяжение раствора понижается, поверхностно-активное вещество переходит в поверхностный слой, обусловливая уменьшение свободной энергии (движущая сила адсорбции). В предельном случае при добавлении к воде поверхностно-активных веществ молекулы воды полностью удаляются с поверхности раздела газообразной и жидкой фаз и замещаются молекулами менее полярного вещества. При этом сила межмолекулярного взаимодействия поверхностного слоя жидкости и воздуха увеличивается, поверхностное натяжение уменьшается.
При флотационных концентрациях вспенивателей понижение поверхностного натяжения составляет 30—30 мкН/см и адсорбционный слой на поверхности пузырьков в объеме пульпы является ненасыщенным.
Концентрация вспенивателя в пенном слое значительно больше, чем в объеме пульпы (выше уровня пульпы пузырьки разрушаются и пена непрерывно обогащается новыми порциями реагента).
Адсорбируясь на границе раздела вода — воздух, поверхностно-активные вещества ориентируются полярной группой в водную фазу. Взаимодействуя с полярными группами молекул пенообразователя, диполи воды гидратируют их, создавая каркас известной жесткости и способствуя упрочению поверхностного адсорбционного слоя пузырька воздуха.
Чем больше гидратированы молекулы вспенивателя, тем медленнее стекает вода с поверхности пузырька в пенном слое, тем устойчивее пена. Слишком хрупкие и устойчивые пены не являются оптимальными для флотации. В отсутствие пенообразователя пузырьки воздуха разрушаются практически сразу после достижения ими поверхности. Пена должна обладать свойствами, обеспечивающими вторичную концентрацию флотируемого минерала.
Структура флотационной пены зависит, при прочих равных условиях, от характера флотореагентов и крупности минеральных зерен.
Различают три типа пен: пленочно-структурные, агрегатные и пленочные. Тип пены можно определить по виду ее распада и содержанию воды в продуктах распада
Пленочно- структурная пен а при флотации частиц обычной крупности встречается наиболее часто. Она характеризуется значительной обводненностью, имеет относительно большую высоту и повышенное содержание увлеченных потоком частиц пустой породы.
Агрегатными называют плотные минерализованные пены, содержащие относительно небольшую долю воды. Образованию агрегатных пен способствуют относительно крупные флотирующиеся частицы, а также добавки аполярных масел. Они могут получаться также при распаде обычных пленочно-структурных пен. Агрегатным пенам часто соответствует максимальная скорость флотации.
Пленочные пены аналогичны агрегатным, но имеют небольшую толщину; получаются при флотации крупных гидрофобных частиц небольшой плотности, например угля.
Аполярная группа вспенивателя, замещающая молекулы воды -на поверхности раздела фаз и обусловливающая уменьшение поверхностного натяжения, должна быть достаточной длины, чтобы выталкиваться из воды. У вспенивателей полярная группа находится в определенной связи с длиной углеводородного радикала. Например, спирты с числом атомов углерода в молекуле до 4 не являются вспенивателями, как и спирты, содержащие более 8 атомов углерода (в первом случае превалирует взаимодействие группы ОН с водой над взаимодействием аполярного радикала с воздухом, во втором — наоборот).
Вспениватели оказывают следующее действие: способствуют диспергированию воздуха во флотационной машине; препятствуют коалесценции воздушных пузырьков; снижают скорость подъема пузырьков воздуха в пульпе (приблизительно в 2 раза), способствуя их лучшей минерализации; увеличивают силу прилипания пузырьков к флотирующимся минеральным частицам; способствуют образованию трехфазной флотационной пены определенных свойств и характера.
Пенообразующая способность реагентов зависит от их природы и концентрации. В ряду нормальных спиртов наибольшим пенообразующим действием обладает октиловый спирт, затем гептиловый и гексиловый; в ряду низших фенолов — крезол, затем ксиленол и фенол. тели из.
Каждый вспениватель индивидуально влияет на характер распределения воздушных пузырьков в пульпе по крупности. Наиболее флотационно активны пузырьки диаметром 0,6— 1,2 мм. Крупные пузырьки обладают достаточной подъемной силой для извлечения крупных минеральных частиц и сростков, но вследствие больших скоростей подъема их время контакта с частицами невелико и они малоэффективны. Тонкие и сверхтонкие пузырьки находятся в пульпе значительное время, способствуют прикреплению к частицам пузырьков более крупных размеров, но сами по себе плохо флотируют минеральные частицы даже средней крупности.
С уменьшением размера воздушных пузырьков возрастает стабильность пены. Флотирующиеся минеральные частицы также стабилизируют пену. Наоборот, тонкие гидрофобные осадки, образующиеся в пульпе при взаимодействии собирателя с ионами тяжелых металлов, оказывают пеногасящее действие.
Для флотации минерального сырья предложено более двухсот пенообразователей.
Для флотации минерального сырья предложено более двухсот пенообразователей. По классам химических соединений реагенты-вспениватели делят на спирты, фенолы, кислоты, эфиры, гетероциклические, кремнийорганические и серосодержащие соединения; в группу «Разные» включены используемые в качестве вспенивателей единичные представители других классов органических соединений и реагенты сложного и неустановленного состава (побочные продукты и отходы химических производств, продукты взаимодействия различных органических соединений и т. п.).
Эффективность флотационного применения вспенивателей зависит от рН пульпы. Условно вспениватели можно разделить на три группы: кислые, обладающие максимальным пенообразующим действием в кислой среде (фенолы); основные, обладающие максимальным пенообразующим действием в щелочной среде (некоторые гетероциклы); нейтральные, пенообразующее действие которых практически не зависит от рН (спирты, эфиры). Практически по масштабам потребления наиболее важны нейтральные пенообразователи.
Выбор вспенивателя зависит от многих факторов, в первую очередь определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.
Собиратели — органические вещества, закрепляющиеся преимущественно на поверхности раздела твердое — жидкость.
Назначение собирателей — гидрофобизация минеральной поверхности (понижение ее смачиваемости водой), увеличение скорости и прочности прилипания частиц к пузырькам воздуха.
Гидрофобизация минералов основана на физико-химических процессах образования поверхностных гидрофобных соединений. При подборе селективных реагентов-собирателей исходят из представлений о химическом взаимодействии собирателя с ионами кристаллической решетки минерала (окислительно-восстановительные и обменные химические реакции, реакции комплексообразования).
Молекулы или ионы собирателей (за исключением чистых углеводородов и некоторых др.) являются полярно-аполярными (дифильными). Полярная часть собирателя, обладая сродством к минералу, определяет прочность закрепления реагента на минеральной поверхности и селективность его действия на различные минералы.
При подборе селективных собирателей для флотации металлических полезных ископаемых руководствуются сродством некоторых органических соединений к металлам и проводят допускаемую аналогию между избирательностью взаимодействия органических реагентов с катионами металлов в растворе и кристаллической решетке минерала * (предполагается, что на поверхности минерала имеются ненасыщенные связи).
Поиск новых селективных собирателей рекомендуется проводить среди хелатообразующих органических соединений, содержащих электронодонорные атомы азота, кислорода, серы, фосфора и галоидов. Целенаправленный выбор лигандов (хелатообразующая группа атомов) позволяет разрабатывать реагенты заданной структуры с определенной вероятностью их флотационной активности.
Рекомендуемые направления изысканий в области реагентов-собирателей:
Среди ионогенных различают анионные собиратели (гидрофобизирующий ион — анион) и катионные (гидрофобизирующий ион — катион).
В зависимости от состава и структуры полярной части наиболее распространенные анионные собиратели условно делят на два типа — сульфгидрильные (в состав полярной части входит двухвалентная сера, связывающая анион собирателя и ; поверхность минерала) и оксигидрильные (анион собирателя и минеральная поверхность связываются через атом кислорода). Аполярная часть сульфгидрильных собирателей содержит 2—6 атомов углерода, оксигидрильных—12—18.
В зависимости от состава и структуры полярной части катионные собиратели делят на два типа — первичные алифатические амины и их соли (с полярной группой на основе аммиака) и соли четырехзамещенного аммония (с полярной группой на основе аммония). Аполярная часть катионных собирателей содержит 12—18 атомов углерода.
Из неионогенных собирателей в практике флотации применяют аполярные масла и нерастворимые в воде серосодержащие маслообразные реагенты.
При флотации всех полезных ископаемых перспективны собиратели со смешанными функциональными группами (особенно амиды и тиоамиды, аминокислоты, аминоэфиры).
Оксигидрильные и катионные собиратели можно применять при флотации сульфидных руд тяжелых цветных металлов; однако по селективности действия они значительно уступают в этом случае сульфгидрильным собирателям и производным тиокарбаминовых кислот и не могут конкурировать с ними.
Неионогенные собиратели — основные реагенты при флотации природно гидрофобных минералов (графит, сера, молибденит и др.); в качестве дополнительных собирателей их применяют при флотации самых разнообразных минералов (вводят в дополнение к ионогенным собирателям).
При грубом измельчении минерального сырья необходимы более сильные собиратели (с большей длиной аполярной части), чем при тонком. Флотацию частиц крайних размеров (крупных и тонких) интенсифицируют добавки аполярных масел. Эффективны реагентные режимы флотации на основе применения относительно слабых реагентов-собирателей. Для обеспечения более высокого извлечения металлов их рекомендуется использовать в сочетании с более сильными собирателями при очень малых расходах. Поддержание расхода собирателя на минимально необходимом уровне способствует селективному разделению руды на компоненты с высокими показателями.
Собирательная способность реагентов зависит от их природы, удельного расхода и условий применения. Выбор собирателя преимущественно определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.
Гидрофобизация минералов основана на физико-химических процессах образования поверхностных гидрофобных соединений. При подборе селективных реагентов-собирателей исходят из представлений о химическом взаимодействии собирателя с ионами кристаллической решетки минерала (окислительно-восстановительные и обменные химические реакции, реакции комплексообразования).
Молекулы или ионы собирателей (за исключением чистых углеводородов и некоторых др.) являются полярно-аполярными (дифильными). Полярная часть собирателя, обладая сродством к минералу, определяет прочность закрепления реагента на минеральной поверхности и селективность его действия на различные минералы.
При подборе селективных собирателей для флотации металлических полезных ископаемых руководствуются сродством некоторых органических соединений к металлам и проводят допускаемую аналогию между избирательностью взаимодействия органических реагентов с катионами металлов в растворе и кристаллической решетке минерала * (предполагается, что на поверхности минерала имеются ненасыщенные связи).
Поиск новых селективных собирателей рекомендуется проводить среди хелатообразующих органических соединений, содержащих электронодонорные атомы азота, кислорода, серы, фосфора и галоидов. Целенаправленный выбор лигандов (хелатообразующая группа атомов) позволяет разрабатывать реагенты заданной структуры с определенной вероятностью их флотационной активности.
Рекомендуемые направления изысканий в области реагентов-собирателей:
- первичные собиратели для прямой или обратной флотации основного компонента (нескольких компонентов, в том числе сопутствующих);
- дополнительные собиратели (способствуют снижению расхода основного собирателя и повышению извлечения флотируемого компонента, особенно частиц крайних размеров — крупных и шламистых);
- дешевые заменители стандартных реагентов на базе отходов различных производств;
- повышение эффективности действия собирателей различными методами (подача в виде раствора в водонесмешиваю-щемся органическом растворителе, добавки поверхностно-активных веществ, электрохимическая, ультразвуковая, тепловая, бактериальная обработка и пр.).
Среди ионогенных различают анионные собиратели (гидрофобизирующий ион — анион) и катионные (гидрофобизирующий ион — катион).
В зависимости от состава и структуры полярной части наиболее распространенные анионные собиратели условно делят на два типа — сульфгидрильные (в состав полярной части входит двухвалентная сера, связывающая анион собирателя и ; поверхность минерала) и оксигидрильные (анион собирателя и минеральная поверхность связываются через атом кислорода). Аполярная часть сульфгидрильных собирателей содержит 2—6 атомов углерода, оксигидрильных—12—18.
В зависимости от состава и структуры полярной части катионные собиратели делят на два типа — первичные алифатические амины и их соли (с полярной группой на основе аммиака) и соли четырехзамещенного аммония (с полярной группой на основе аммония). Аполярная часть катионных собирателей содержит 12—18 атомов углерода.
Из неионогенных собирателей в практике флотации применяют аполярные масла и нерастворимые в воде серосодержащие маслообразные реагенты.
При флотации всех полезных ископаемых перспективны собиратели со смешанными функциональными группами (особенно амиды и тиоамиды, аминокислоты, аминоэфиры).
Оксигидрильные и катионные собиратели можно применять при флотации сульфидных руд тяжелых цветных металлов; однако по селективности действия они значительно уступают в этом случае сульфгидрильным собирателям и производным тиокарбаминовых кислот и не могут конкурировать с ними.
Неионогенные собиратели — основные реагенты при флотации природно гидрофобных минералов (графит, сера, молибденит и др.); в качестве дополнительных собирателей их применяют при флотации самых разнообразных минералов (вводят в дополнение к ионогенным собирателям).
При грубом измельчении минерального сырья необходимы более сильные собиратели (с большей длиной аполярной части), чем при тонком. Флотацию частиц крайних размеров (крупных и тонких) интенсифицируют добавки аполярных масел. Эффективны реагентные режимы флотации на основе применения относительно слабых реагентов-собирателей. Для обеспечения более высокого извлечения металлов их рекомендуется использовать в сочетании с более сильными собирателями при очень малых расходах. Поддержание расхода собирателя на минимально необходимом уровне способствует селективному разделению руды на компоненты с высокими показателями.
Собирательная способность реагентов зависит от их природы, удельного расхода и условий применения. Выбор собирателя преимущественно определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.