Процессы и аппараты обогащения. Флотация презентация

Флотация
Единственный производительный процесс обогащения тонковкрапленных руд
Флотация позволяет выделить из полезных ископаемых свыше 100 минералов. С ее применением связано получение в промышленных масштабах примерно 70 % химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.
Процесс извлечения твердых минеральных частиц (реже жидких) из тонкодисперсных трехфазных систем, основан на различиях разделяемых частиц по смачиванию водой. Плохо смачиваемые водой (гидрофобные) частицы при столкновении с воздушными пузырьками концентрируются на поверхности раздела фаз Ж- Г и выводятся из пульпы в пену.
проф. Игнаткина В.А.,2017

Принцип флотации основан на свойстве поверхности
проф. Игнаткина В.А.,2017

Флотация
Положительные моменты
Высокая степень концентрирования
Высокая производительность
Высокая селективность разделения
Отрицательные моменты
Высокие удельные расходы воды (2,5-4,0 м3/т)
Организация складирования отходов флотационного обогащения (выход хвостов от 60 до 98 %)
Потери ценных компонентов со сростками (>100 мкм) и шламами (< 20 (10) мкм)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Подготовка руды к флотации
Измельчение до минус 0,1 мм
Разбавление водой до содержания твердого (% тв.) – 25-40 %
проф. Игнаткина В.А.,2017

Фазы при флотации
Твердая (поверхность минерала, осадок и т.д.)
Жидкая (вода, реже «масло-вода», эмульсия,)
Газовая (воздух, кислород, азот, углекислый газ и др.)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Виды флотации
Масляная «Г-М-Т»
Пленочная «Г-Ж-Т»
Пенная «Г-Ж-Т»
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
Вероятность образования флотокомплекса «пузырек-частица»
столкновение
закрепление
вынос в пену
гидродинамика
поверхностные силы
Субпроцессы флотации
К1-2 – соударение и прилипание
К2-1 – отрыв частицы от пузырька
К2-3 – переход в пену
К3-1 – осыпание из пены
К3-4 – переход в концентрат

Мера смачиваемости
Wa = σ ж г+ σ ж г∙ cosθ =σ ж г( 1 + cosθ)
Wa = σ т г + σ ж г - σ тж
проф. Игнаткина В.А.,2017
σт-ж + σж-г сos θ = σт-г
Уравнение Давидова-Неймана
Уравнение Юнга
Уравнение Дюпре-Юнга
Уравнение Дюпре
Т
Ж
Г
Т
Ж
σ т г
σ ж г
σ тж

проф. Игнаткина В.А.,2017
Значения краевых углов смачивания (в градусах)

проф. Игнаткина В.А.,2017
Гистерезис смачивания

Термодинамика элементарного акта флотации
Е1 = Sж-г σж-г + Sт-ж σт-ж ,
Свободная энергия до закрепления
Е2 = (S’ж-г – 1) σж-г + (S’т-ж – 1) σт-ж + 1 σт-г .
Свободная энергия после закрепления на единицу поверхности
ΔЕ = Е1 - Е2 = σж-г + σт-ж - σт-г
(σ т-г – σ ж-т ) = σ ж-г cosθ
ΔЕ = σж-г (1-cosθ) - флотационная сила
мера флотируемости
мокрая флотация
00<θ<900
сухая флотация
1800>θ>900
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
h5 = hт + hп
[h5 - h4]
Кинетическая энергия
mv2/r
Гидродинамика потока
[h4 - h3]
Самопроизвольное уменьшение энергии
[h3 – h2]
толщина прослоя скачком утончается и разрывается
h1
остаточный слой
имеет молекулярные размеры и является термодинамически устойчивым, соответствуя минимуму свободной энергии.

1, 2 – переходные слои на поверхности раздела газ – жидкость
и твердое – жидкость соответственно;
3 – равновесная тонкая пленка между пузырьком и твердым телом
проф. Игнаткина В.А.,2017

— молекулярная составляющая, обусловленная вандерваальсовыми силами ;
— структурная составляющая, зависящая от степени гидратированности поверхности или от гидрофобности.
— электростатическая составляющая, возникающая при перекрытии (или деформации);
толщина диффузионного слоя; мкм
1000 А0
10-100 нм
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
– толщина плотной части ДЭС (слой Гельмгольца) ;
λ – толщина диффузионной части ДЭС (слой Гюи) 100 мкм;
l – расстояние до плоскости скольжения;
ϕ – электродный потенциал; ξ – электрокинетический потенциал
Уравнение Дебая-Хюккеля
Для 1 валентных ионов

ХС – химические связи
ВС – водородные связи
ВДВ – молекулярные силы
проф. Игнаткина В.А.,2017
ИИλλ
δ – толщина плотной части ДЭС, λ – расстояние до плоскости скольжения; а – перекрытие в области молекулярных сил, б – перекрытие в области действия водородных сил и диффузионной части ДЭС, h0 – равновесная пленка ξ- электрокинетический или дзета – потенциал, φ -потенциал Нернста

π a σж-г Sin θ = ρgVпуз + (πa2/4 (2σж-г/ R – ρgh) .
Уравнение равновесия «пузырек-частица»
Фрумкина-Кабанова – вероятность закрепления
Флотационная сила (сила прилипания)
Силы отрыва
Fф + FА = Fт + Fк
проф. Игнаткина В.А.,2017
Лапласово давление
Гидростатическое давление

Аполярные
Полярные
Минералы
Сульфиды
Несульфиды
проф. Игнаткина В.А.,2017
S, C…..
FeS, CuFeS2…
CaCO3, SiO2…
Ковалентные,
Молекулярные связи между слоями
ковалентные
ионные
Mg3Si4O10(OH)2 - молекулярные

Состояние поверхности минералов в воде
Аполярные, тальк и сульфиды
Малогидратированная
Полярные
Сильногидратированная
проф. Игнаткина В.А.,2017
В слоистых минералах (тальк) заряды атомов в "пакетах" скомпенсированы; "пакеты" связаны между собой слабыми молекулярными силами.

Регуляторы среды
Подавители
Активаторы
Собиратели
пенообразователь
Порядок подачи
Флотореагенты
проф. Игнаткина В.А.,2017

Классификация собирателей
проф. Игнаткина В.А.,2017

Требования к собирателям
Технологическая эффективность
Низкая токсичность (3,4 класс)
Промышленное производство
Доступная стоимость
проф. Игнаткина В.А.,2017

Сульфидные минералы
Сульфгидрильные собиратели
Несульфидные минералы
Оксигидрильные собиратели
Катионные собиратели
Аполярные собиратели
Природногидрофобные минералы
проф. Игнаткина В.А.,2017

Традиционные широко используемые собиратели
При флотации сульфидов
При флотации несульфидов
Олеиновая кислота и ее мыло C17H33COONa
проф. Игнаткина В.А.,2017
Бутиловый ксантогенат –С4H9OCSSK

Ксантогенаты
S
II
RO – C – SK(Na)
где R – углеводородный радикал:
С2Н5 – этил
С3Н7 – пропил
С4Н9 – бутил
С5Н11 - амил

ROH + KOH + CS2 = ROCSSK
Диссоциация
ROCSSK (ROCSS)- + K+
Окисление
2ROCSSK - 2e (ROCSS)-2 + 2K+
Синтез

Регуляторы среды
рН
проф. Игнаткина В.А.,2017

Сводная информация по регуляторам среды
проф. Игнаткина В.А.,2017
рК1=6,37 рК2=10,33

Подавители
Механизмы действия
Вытеснение собирателя (ПР) - Na2S
Окисление или восстановление поверхности минералов (кислород O2, Fe3+, NaOCl; сернистый Na2S, NaHS)
Растворение (цианид NaCN)
Гидрофилизация без вытеснения собирателя (КМЦ, крахмал, Na2SiO3)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Активаторы
Соли меди для повышения вероятности закрепления ионогенных собирателей (CuSO4)
Кислоты (H2SO4, HF)
Кремнефтористый натрий (Na2SiF6)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Сводная информация по активаторам флотации
проф. Игнаткина В.А.,2017

Модификаторы сульфидных руд
Сернистый натрий - Na2S
Гидросульфид натрия NaHS
Бисульфит натрия NaHSO3
Натрий персульфат, натрий пероксидсульфат Na2S2O8
Тиосульфат натрия Na2S2O3
Метабисульфит натрия Na2S2O5
Сернистый газ SO2
МФТК – низкомолекулярный депрессор сульфидов меди и пирита на основе тиокарбаминовой кислоты
Модифицированный КМЦ
проф. Игнаткина В.А.,2017

Модификаторы несульфидных руд
Жидкое стекло Na2SiO3
Крахмал
КМЦ
Полифосфаты
проф. Игнаткина В.А.,2017

Активные центры на поверхности
Активными центрами являются анионы, катионы, атомы с ненасыщенными валентными связями, которые возникают при образовании поверхности и которые стремятся компенсировать избыток энергии
Активными центрами поверхности являются также макро- и микродефекты кристаллической структуры твердых тел. Макродефекты - микротрещины и микропоры, а также межкристаллические границы зерен; микродефекты - это нарушение стехиометрического состава кристаллов, а также нарушение в периодичности расположения атомов в кристаллической решетке (линейные и винтовые дислокации).
Поверхностные соединения образуются в результате конкуренции молекул воды с ионами и молекулами флотореагентов за активные центры
проф. Игнаткина В.А.,2017

I – объем сульфида; II –закрепление по механизму гетерогенной обменной реакции с активным центром поверхности; III – закрепление в плотном слое ДЭС (адсорбционный слой); IV - соадсорбция объемных соединений во внешнем ДЭС V – соадсорбция молекулярной формы во внешнем диффузионном слое
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
2R-OCSS- - 2e → (R-OCSS)2

Успех элементарного акта флотации зависит от
Присутствия на минерале 2-х форм сорбции
Создание условий достижения точки нулевого заряда поверхности (ТНЗ), когда электрокинетический потенциал поверхности (ЭКП) равен нулю, а величина свободной поверхностной энергии максимальна.
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017

Собиратели для несульфидных минералов и руд
Олеиновая кислота или олеат натрия – OlNa С17Н33СООNa
Заменители олеиновой кислоты – таловые масла, синтетические жирные кислоты С12-С18 ненасыщенные карбоновые кислоты и их мыла
Алкилсульфаты, алкилсульфонаты – ROSO3; RSO3
Производные фосфорных кислот
Катионные собиратели
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
ИМ 50
R = C7-C9
Аэрозоль 22 (Аспарал Ф)
дифосфоновые кислоты и
их производные
R = C5-C7
Комплексообразующие оксигидрильные собиратели
(Н октадецил N 1,2 дикарбокси этилсульфосукцинат натрия)
алкилгидраксамовые кислоты
Дифосфиновые кислоты

проф. Игнаткина В.А.,2017
R-NH2 +H+ → [RNH3]+
Kd =4,3·10-4
Катионные собиратели закрепляются в ДЭС, химическая адсорбция маловерояна
HCOOH
HCl

Пенообразователь
Повышает дисперсность газовой фазы
Препятствует коалесценции пузырьков
Снижает скорость подъема пузырька – увеличивает вероятность столкновения
Увеличивает прочность пузырька и устойчивость пены при подъеме
Собирательное действие пенообразователей
проф. Игнаткина В.А.,2017

2-х фазная пена Ж-Г
1 – свободный воздух; 2 – пульпа.
3-х фазная пена Ж-Т-Г
проф. Игнаткина В.А.,2017

в–пленочная пена (по В.И. Классену)[7]
б-агрегатная пена
а–пленочно-структурная пена
Строение пенного слоя
проф. Игнаткина В.А.,2017

ОПСБ
С4Н9-[CH2-CH-O]n-OH
CH3
МИБК
CH3-CH2-CH2-CH-CH3
CH3
OH
терпинеол
С10H17OH
T-80
диоксановые
и
пирановые
Фенольные – нейтральная среда
Спиртовые – щелочная
Алкилсульфаты - слабокислая
OH, C=O, COO, SO3, OSO3, N, NH2.
проф. Игнаткина В.А.,2017

В упрощенном виде скорость флотации может быть определена как (уравнение Белоглазова):
ln 1 / (1 – ε ) = k t.
проф. Игнаткина В.А.,2017
1 – постоянная скорость
2 – уменьшение скорости флотации к концу флотации
3 –увеличении скорости к концу флотации
4 – экстремальная, может быть следствием изменения
концентрации реагентов в пульпе
Величина ln 1/(1–ε) называется коэффициентом удельной скорости флотации.

Способы насыщения воздухом
Специальными устройствами (механические, пневмомеханические, пневматические флотомашины)
Перепад давлений (напорная)
Разрежение (вакуумная)
Электролиз (электрофлотация)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Классификация флотационных машин
механические,
пневмомеханические
пневматические
напорные флотаторы
электрофлотаторы
проф. Игнаткина В.А.,2017

механическая (а), пневмомеханическая (б) и пневматическая флотомашина (в)
1 – вал; 2 и 3 – воздуховод; 4 – импеллер; 5 - статор; 6 – камера;
7 – пеногон; 8 - питающий патрубок; 9 – песковый патрубок; 10 – желоб
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
Операции флотации
Основная
Контрольная
Перечистная
ε – повышение извлечения
β – повышение качества концентрата

проф. Игнаткина В.А.,2017
Прямая флотация
Обратная флотация

Прямая селективная флотация
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
Коллективно-селективные схемы флотации

Межцикловая флотация
Неравномерная вкрапленность, наличие легко шламуемых и окисляемых
(вторичные сульфиды меди)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Типизация руд, минералов М.А. Эйгелеса по флотационным группам
Природногидрофобные – графит, угли, самородная сера, тальк (Mg3Si4O10(OH)2)
Руды сульфидных минералов тяжелых цветных металлов и самородные металлы – галенит PbS, сульфиды меди Cu2S, CuS, сфалерит ZnS, золото, серебро, платиноиды, самородная медь и др.
Смешанные и окисленные руды тяжелых цветных металлов – азурит Cu3(СО3)2(ОН)2, малахит Cu2CO3(OH)2, церуссит PbCO3 и др.
Несульфидные руды с полярными солеобразными минералами с щелочноземельными катионами (Ca, Ba, Sr) – кальцит CaCO3, шеелит CaWO4, повелит CaMoO4 , апатит Са5[PO4]3(F, Cl, ОН), флюорит CaF2, барит BaSO4и др.
Руды, содержащие оксидные минералы черных металлов (железо, марганец, хром) и цветных редких металлов (касситерит SnO2, ильменит FeTiO3, рутил TiO2и др.)
Руды, содержащие силикаты и алюмосиликаты (берилл Al2[Be3(Si6O18)], сподумен LiAl(Si2O6), породные минералы)
Руды, содержащие растворимые соли (галит NaCl, сильвин KCl)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Сульфидные руды
Сульфидные минералы - основной источник меди и других тяжелых цветных металлов
Сопутствующие – благородные металлы (Аu, Ag, МПГ), редкие металлы и редкоземельные элементы
проф. Игнаткина В.А.,2017

Основные медные минералы
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
Требования к медным концентратам
ГОСТ Р 52998-2008 - Концентрат медный. Технические условия.
Дата введения 2010-01-01
As≤0,6 (1,2 %); Mo≤0,12 (0,18 %); влажность≤7 %

Раздельная флотация песков и шламов
Медистые песчаники
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
Медно-порфировые руды

Промывка руды для удаления глины или сульфатов меди (халькантит CuSO4·5H2O)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Комбинированные технологии (метод Мостовича)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Полярные несульфиды
Оксиды (Fe2O3, FeTiO3, MnO2, лопарит (Na,Ce,Ca,Sr,Th)(Ti,Nb,Fe)O3
Солеобразующие (CaF2, CaCO3, Ca5(PO4)3F …)
Силикаты и кварц (цирконий ZrSiO4 , сподумен LiAl(Si2O6), лепидолит KLi1.5Al1.5(Si3AlO10)(F,OH)2, SiO2)
проф. Игнаткина В.А.,2017

Реагентные режимы несульфидных руд
Регуляторы среды (кислоты (серная H2SO4, плавиковая HF), щелочи (сода Na2CO3))
Модификаторы (кислоты, кремнефтористый натрий Na2SiF6, щавелевая кислота H2C2O4, КМЦ, крахмал, сернистый Na2S натрий…)
Оксигидрильные собиратели (карбоновые кислоты R-COOH и их мыла R-COONa (олеат, таловые масла, СЖК), алкилсульфаты R-OSO3, алкилфосфаты, Аспарал Ф R –( COO, NH, OSO3)
проф. Игнаткина В.А.,2017
C18

-CaCO3|ТВ+2RCOO-→-Ca(RCOO)2+ 2CO=3
проф. Игнаткина В.А.,2017

Особенности использования производных карбоновых кислот
Мицелообразование – растворимость олеиновой кислоты 20 мг/л (7,1·10-5 моль/л) и рКа = 4,7
Олеат натрия 309 мг/л (1,1·10-3 моль/л) при 50 0С
Температура флотации не менее 16 0С
Повышенное пенообразование
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017

Плавиковая кислота HF
активирует
полевые шпаты
Берилл Al2Be3(Si6O18)
депрессирует
Кварц SiO2
Сподумен LiAl(Si2O6)
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017

Высокотемпературные воздействия
Обжиг для разрушения кальцита,
Восстановительная сульфидизация,
Декрипитация – растрескивание минералов при их нагревании и быстром охлаждении.
проф. Игнаткина В.А.,2017

Десорбция с применением пропарки
сульфиды
Высокотемпературная в щелочной среде (разделение Cu-Mo коллективного концентрата) – окислительные условия
Высокотемпературная в среде сернистого натрия (разделение Cu-Mo коллективного концентрата) – восстановительные условия
кальциевые
Метод Петрова – с жидким стеклом Na2SiO3 (2,5-4 %) при температуре 70-85 0С)
проф. Игнаткина В.А.,2017

проф. Игнаткина В.А.,2017
Характеристика минералов (фазовый), содержание компонента, вкрапленность
Прямая селективная или
коллективно-селективная
?

проф. Игнаткина В.А.,2017
Неравномерная вкрапленность минералов, хрупкость минералов
Стадиальное измельчение

проф. Игнаткина В.А.,2017
Неравномерное гранулометрическое распределение минералов
Комбинирование с другими обогатительными процессами (гравитация, магнитная сепарация….)