15.05.2015

Флотационный процесс обогащения является основным при переработке руд цветных металлов и некоторых видов другого минерального сырья. За последние годы флотация находит более широкое применение при обогащении угля и тонковкрапленных железных руд.
Наибольшее значение имеет пенная флотация. Руду подвергают мокрому измельчению (реже сухому) в замкнутом цикле с классификацией, перемешивают с реагентами и подают во флотационные машины. В этих машинах пульпа перемешивается с пузырьками воздуха; минеральные зерна, плохо смачиваемые водой (более гидрофобные), прилипают к пузырькам, минерализованные пузырьки поднимаются на поверхность пульпы и образуют пену (пенный продукт — концентраты), а минеральные зерна, лучше смачиваемые водой (более гидрофильные), остаются в камере машины и удаляются из нее (камерный продукт — флотационные хвосты). Концентраты и хвосты удаляют из машины; хвосты являются концентратом другого минерала.
При флотации используют следующие реагенты.
Вспениватели — органические соединения; спирты с числом атомов углерода 6—9, фенолы, крезол, ксиленол, сосновое масло, древесные масла, пиридиновые основания (тяжелый пиридин), терпинеол, ряд синтетических продуктов на основе окиси пропилена и этилена и др. Они состоят из аполярной части — углеводородной цепи или кольца — и полярной части — преимущественно ОН. Вспениватели являются поверхностно активными веществами: они адсорбируются (концентрируются) на поверхности воды, а в пульпе — на поверхности пузырьков, предохраняя их от сливания (коалесценции) и разрушения и тем самым способствуя образованию пены. В присутствии пенообразователя в пульпе образуются более мелкие с большой суммарной поверхностью пузырьки, что увеличивает скорость флотации.
Синтетические вспениватели более легко растворимы в воде и более однородны по составу, чем вспениватели — продукты перегонки дерева или каменного угля. В ближайшее время будут выпускаться синтетические вспениватели — спирты с 6—8 атомами углерода, эфиры пропилен-гликолей, полиалкилсоединения и др.
Собиратели. Природные минералы почти все легко смачиваются водой, кроме углей некоторых жирных видов, элементарной серы, молибденита и некоторых сульфидов. Для того чтобы сделать определенные минералы более гидрофобными, применяют реагенты-собиратели (коллекторы). Это также полярно-аполярные вещества, как и вспениватели, но полярная часть у них другая; имеет сродство к поверхности минерала. Полярной частью молекула собирателя зацепляется за атомы в решетке минерала, а аполярной частью обращается к воде. Поверхность минерала, покрытая молекулами собирателя, становится более гидрофобной и легче прилипает к пузырьку воздуха.
Для флотации минералов тяжелых металлов, в частности сульфидов, применяют собиратели, содержащие в полярной части сульфгидрильную группу HS. Это ксантаты: этиловый (C2H5OCS2K), бутиловый, пропиловый, амиловый, аэрофлоты или дитиофосфаты; крезиловый (СН3С6Н4О)2Р52Н, ксиленоловый или спиртовые: этиловый, бутиловый и т. д.

Такие собиратели дают возможность отделить сульфиды от пустой породы, силикатов, карбонатов и др. Они являются собирателями для тех минералов, металл .которых дает с серой относительно трудно растворимые соединения.
Для флотации щелочноземельных минералов, содержащих катион Ca, Ba, Mg, а также силикатов, содержащих Fe, Al и другие металлы, кислородных соединений железа, марганца и пр. чаще всего применяют собиратели, содержащие в полярной части карбоксильную группу — СООН. Сюда относят жирные кислоты, получаемые из растительных и животных жиров, при перегонке нефти, при производстве целлюлозы и пр., а также синтетическим путем при окислении парафина и жидких углеводородов — керосина и др. Это — олеиновая (C17H33COOH), линолевая, линоленовая кислоты, так называемые нафтеновые кислоты, карбоновые кислоты, талловое масло и др. Такие собиратели могут флотировать и сульфиды вместе с другими минералами, т. е. являются недостаточно селективными собирателями. Поэтому надо, например, ксантатами отфлотировать сульфиды, а затем жирными кислотами флотировать другие минералы.
Для флотации щелочноземельных минералов, в частности барита и флюорита, применяют собиратели, содержащие в полярной части сульфатную группу: —С—О—SO3H; это — так называемые алкилсульфаты с числом атомов углерода 12—18, например цетилсульфат — C16H33SO4Na.
Для флотации кварца и ряда силикатов применяют катионные собиратели, например лауриламин — C12H25NH2 и др. В то время как ксантаты, жирные кислоты, алкилсульфаты при диссоциации дают анион, содержащий аполярную часть, катионные собиратели при диссоциации дают катион с аполярной частью.
Если анионные собиратели взаимодействуют преимущественно с катионом решетки минерала, то катионные собиратели взаимодействуют преимущественно с анионом поверхности минерала.
Есть ряд других собирателей, менее распространенных. Для повышения гидрофобности молибденита углей и других аналогичных минералов применяют углеводороды, не имеющие полярной части, как керосин, различные смазочные масла, нефть и пр.
Депрессоры (подавители). Большинство собирателей действуют недостаточно селективно, адсорбируются на многих минералах и флотируют несколько минералов, т. е. дают коллективные концентраты. Чтобы получить селективные концентраты одного минерала, необходимо повысить смачиваемость других минералов и помешать адсорбированию на них собирателей, т. е. понизить или подавить их флотируемость. Такие реагенты, подавляющие флотируемость минерала, называют депрессорами. В практике широко применяют для депрессии цинковой обманки и пирита цианид; для депрессии сульфидных минералов, кроме молибденита,— сернистый натрий; для депрессии галенита — хромпик; для депрессии кальцита, силикатов и ряда других минералов — жидкое стекло, крахмал и пр.
Механизм действия депрессоров различен. Чаще всего он заключается в том, что анион депрессора CN-, HS-, S2-, SiO3в2-, СrО4в2- и др., взаимодействуя с катионом решетки минерала, мешает собирателю адсорбироваться на поверхности минерала и повышает его гидрофильность.
Активаторы. Если минерал плохо адсорбирует собиратель, то для усиления адсорбции применяют так называемые активаторы, т. е. вещества, которые активируют поверхность минерала к взаимодействию с собирателем. Например, цинковая обманка не адсорбирует этиловый ксантат или аэрофлот. Если предварительно добавить медный купорос, то катион меди адсорбируется на поверхности цинковой обманки, вытесняя катион цинка, а затем к катиону меди привязывается анион ксантата. Поэтому при флотации цинка всегда добавляют медный купорос — активатор цинковой обманки.
Аналогично кварц не флотирует с жирной кислотой. Если же в пульпе будут катионы щелочноземельных или тяжелых металлов (Са2+, Ba2+ , Fe2+ и др.), то они адсорбируются на кварце и тем будут способствовать адсорбции аниона жирной кислоты, в результате чего кварц будет флотировать. При анионном коллекторе активаторами являются двухвалентные и трехвалентные катионы, а при катионном — многовалентные анионы: одной валентностью они связываются с решеткой минерала, а остальными — с собирателем.
Регуляторами называют реагенты, которые непосредственно не воздействуют на поверхность минерала, а регулируют концентрацию ионов в пульпе. Например, щелочь или кислота регулируют концентрацию ионов Н+ и ОН-.
Изменяя pH путем добавления кислоты или щелочи (H2SO4 и др., Ca(ОН)2, Na2СО3, NaOH и др.), мы можем регулировать концентрацию катионов тяжелых металлов, гидроокиси которых труднорастворимы, а также концентрацию собирателя в ионной или молекулярной форме и вспенивателя. Контроль pH пульпы в процессе измельчения и флотации является одним из основных факторов регулирования процесса флотации.
Приведенная выше классификация реагентов дана по их целевому назначению в процессе флотации. Ho эта классификация относительна: в зависимости от условий действие реагента может измениться — активатор может превратиться в депрессора многие собиратели (жирные кислоты, алкилсульфаты, амины) начнут обладать и вспенивающими свойствами, а вспениватели в зависимости от pH и других факторов могут проявить и собирательные свойства. Например, фенолы являются вспенивателями; высшие фенолы — плохие вспениватели, но могут быть собирателями для некоторых железных минералов; крезол хорошо флотирует галенит без добавления собирателей и т. д. Медный купорос — активатор, но, если его дать в избытке, он начнет связывать собиратель и станет депрессором.
Щелочь или кислота — регуляторы, но анион ОН- является депрессором для минералов сульфидов тяжелых металлов. Например, для депрессии пирита достаточно одной извести.
Основные факторы, определяющие эффективность процесса, следующие.
Смачиваемость частиц водой при флотации с собирателем регулируется плотностью пленки собирателя на поверхности минерала или количеством адсорбированного собирателя: до некоторого расхода собирателя извлечение минерала прямо пропорционально количеству адсорбированного на нем собирателя, хотя для получения одинакового извлечения разных минералов плотность покрытия собирателем различна. Чем длиннее углеводородная цепочка аполярной части собирателя (до некоторого предела для каждого вида собирателя), тем меньше надо собирателя. Собиратель понижает смачиваемость и увеличивает гидрофобность.
Регулируя количество депрессора, можно также регулировать смачиваемость — повышать ее и понижать флотируемость. Поэтому контроль флотации можно вести, контролируя концентрацию ионов собирателя (или молекул) и ионов депрессора.
Например, на фабрике Сулливан (Канада) поддерживают постоянство отношения концентрации ксантата к концентрации ионов ОН- в цикле свинцовой флотации, когда флотируют галенит и не флотируют сфалерит и пирит. Для депрессии халькопирита при флотации галенита поддерживают постоянную концентрацию цианида и т. д.
Продолжительность контакта минералов с реагентами. Действие растворимых собирателей на поверхность минералов происходит быстро, как и растворимых депрессоров или активаторов, и зависит от концентрации реагента. По данным автора с сотрудниками (Гинцветмет), зависимость между количеством адсорбированного Г (в весовых единицах на единицу веса минерала или на единицу поверхности) от времени τ (сек.) выражается уравнением
Г = аτ 1/n

где a и n — постоянные, причем n≥1.
Зависимость между Г и концентрацией реагента Co определяется в большинстве случаев уравнением
Г = оС0 1/n.

Очевидно, что чем слабее концентрация реагента, тем продолжительнее контакт (в минутах). Если реагент в относительно трудно растворимой форме, то продолжительность контакта значительно больше. Например, при активации медным купоросом в щелочной среде концентрация катиона меди определяется растворимостью гидроокиси меди и очень мала. Поэтому продолжительность контакта с медным купоросом для некоторых руд в сильнощелочной среде (pH≥11) равняется десяткам минут.
Ho чем меньше время контакта, тем специфичнее, селективнее действие реагента, особенно при малой концентрации. Поэтому в каждом отдельном случае продолжительность контакта определяют опытным путем. Контактирование проводят в особых контактных чанах (рис. 25), иногда с аэрацией.
Плотность пульпы в большинстве случаев определяется плотностью слива классификаторов. Ho в некоторых случаях приходится пульпу перед контактом с реагентами сгущать, а перед флотацией разбавлять. В густой пульпе выше концентрация реагентов при данном расходе на тонну руды или при данной необходимой концентрации — меньше расход реагентов. Такие реагенты, как щелочь, цианид и цинковый купорос при флотации полиметаллических сульфидных руд дают в мельницу, где отношение ж:т по объему не больше 1:1. Собиратели-углеводороды, не растворимые в воде, при флотации молибденовых руд также дают в мельницу, где они диспергируются.
Флотация руд

При флотации жирными кислотами и депрессии жидким стеклом или другими реагентами ряда окисленных минералов (полевые шпаты, ильменит, бериллий и др.) контакт с реагентами проводят часто также в густой пульпе (до 60% твердого), а затем пульпу разбавляют до ж:т = 2,5—3 и более. При разбавлении пульпы концентрация реагентов падает. Так как адсорбция на минералах зависит от концентрации, то при разбавлении происходит некоторая десорбция собирателя с тех минералов, на которых он закрепился слабее. Это повышает селективность флотации.
Температура влияет на скорость действия реагентов, растворимость соединений, скорость реакций окисления, содержание кислорода в пульпе и пр. Поэтому, хотя в большинстве случаев флотацию ведут при естественной температуре воздуха, которая зависит от времени года, в некоторых случаях, особенно при флотации с жирными кислотами, приходится пульпу подогревать. Часто при цинковой флотации температуру держат около 30°; при депрессии кальцита, флюорита, апатита для отделения от шеелита иногда пульпу подогревают до 75—80°; при разделении молибденита и сульфидов меди и железа иногда нагревают пульпу почти до кипения а сильно известковой среде, чтобы ускорить снятие пленок собирателя с поверхности сульфидов тяжелых металлов, а также и реакции окисления их поверхности с образованием гидроокисей. При понижении температуры возрастает расход реагентов.
Условия работы флотомашины зависят в известной мере от ее типа. Применяют разнообразные машины: механические, пневматические и комбинированные (рис. 26).
Эффективность флотации зависит от степени аэрации пульпы; степень аэрации тем выше, чем больше скорость вращения импеллера, но тем выше и агитация пульпы и износ частей машины. Наиболее простое средство уменьшения износа — гуммирование деталей.
Флотация руд

Флотация руд

При сильной агитации создается неспокойное зеркало пульпы в машине и нарушается ценообразование. Более богатые концентраты получают при меньшей аэрации, поэтому в отдельных стадиях процесса целесообразно применять машины с различной скоростью импеллера: более тихоходные в голове флотации и при перечистках и более быстроходные в конце флотации.
Качество воды имеет большое значение при флотации жирными кислотами: в жесткой воде, например, жирные кислоты не флотируют железные минералы; в жесткой воде при наличии ионов Ca2+ , Mg2+, Fe2+ и др. выравнивается флотируемость ряда окисленных минералов и силикатов и селективная флотация становится невозможной. Поэтому в таких случаях приходится или смягчать воду, или применять специальные реагенты для данных условий. Применение оборотной смягченной воды в некоторых случаях улучшает результаты и понижает расход реагентов.
Крупность минеральных частиц в пульпе имеет большое значение, в связи с чем большое значение имеют условия измельчения и классификации. Предел крупности флотируемых частиц определяется уд. весом минеральных частиц: уголь флотируют три крупности — 8 мм, а золото — не крупнее 0,1 мм. Чем мельче частица, тем легче ей удержаться на пузырьках воздуха, тем меньше нужно собирателя. Однако при слишком тонком измельчении (тоньше 5 мк) уравнивается возможность флотации многих минералов, т. е. понижается селекция; поверхность частиц на единицу весa материала увеличивается обратно пропорционально диаметру. При недостатке воздуха от этого замедляется флотация и повышаются потери в хвостах.
На практике в тонкие классы уходят более легко шламующиеся минералы, при флотации сульфидных руд — окисленная часть, что также затрудняет флотацию тонких частиц. Следовательно, для любой руды кривая извлечения в зависимости от крупности класса имеет максимум, т. е. лучше всего в данных условиях флотируют частицы определенной крупности. Понижение извлечения при флотации крупных частиц объясняется также и наличием в них сростков.
Решающее значение при флотации имеют также характер и взаимосвязь минеральных составляющих полезного ископаемого: крупность прорастания, наличие продуктов окисления и выветривания, растворимых солей и продуктов вторичного образования из водных растворов и пр.
Для правильной организации процесса флотации необходимо заранее знать вещественный состав руды. Лучшие результаты получаются при поступлении на фабрику в течение длительного периода руды постоянного состава.
Соблюдение этого условия возможно при наличии бункеров в главном корпусе фабрики на трехсуточный и двухсуточный (минимально) запас руды, расположенных таким образом, чтобы поступающая из дробильного отделения руда опробовалась и распределялась в одном бункере и хранилась в нем до получения результатов анализа. В это время фабрика должна работать на руде из другого бункера, состав содержимого которого уже известен.
Если на фабрику поступает несколько сортов руды, то для каждой из них должны быть приемный и рабочий бункера.
Технологический режим флотации устанавливается на основании анализа руды.
Руды из отдельных участков месторождения, перерабатываемые по одной схеме, нужно добывать и доставлять на фабрику по заранее определенному графику и смешивать в определенной пропорции. Смешивать руды можно либо при среднем и мелком дроблении, если перед дроблением имеются бункера или склады, либо при заполнении оклада или бункеров.
При послойной укладке руды автоматически движущейся тележкой на шахте «Гигант» среднеквадратичное отклонение содержания железа вместо 1,52 стало 0,5%. а диапазон колебаний вместо 10,7—3%. Аналогично на шахте «Северная» среднеквадратичное отклонение вместо 2,7 стало 0,56%. Смешивать руду можно и одновременно, подавая разные сорта ее из бункеров в определенной пропорции на общий конвейер, питающий дробилку или мельницу. Наконец, на большой флотационной фабрике смешение относительно однородных руд при наличии нескольких мельниц с классификаторами производят, подавая сливы всех классификаторов в один пульподелитель или в чан перед пульподелителем. В этом случае на все машины идет одинаковая пульпа с одинаковым реагентным режимом, фабрика превращается в одну секцию, что упрощает контроль.