Собиратели (коллекторы)

31.07.2018
Под собирателями понимают такие реагенты (будь то масла или органические соединения), которые проявляют их действие на минеральной частице либо путем расплывания (прилипания) на ее поверхности, без изменения таковой (чисто физическое явление), либо образуя на ней неполярную пленку вследствие химического взаимодействия между собирателем и поверхностью (физико-химическое явление), вследствие чего частица становится гидрофобной и при наличии пузырьков воздуха (газа) переходит с той или иной легкостью в пену. Собиратель является основной частью всякой рабочей смеси флотационных реагентов.

Использование собирателей в современной флотации, как реагентов с различной активностью по отношению к разным минеральным частицам, позволяет вести процесс селективного разделения их.

Наиболее важное действие этих реагентов состоит в том, что под их влиянием поверхности некоторых минеральных частиц становятся менее смачиваемыми водой, вследствие чего позырьки воздуха могут прилипать к этим частицам. Собиратели являются органическими веществами и покрывают избирательно поверхности нужных нам минералов пленками толщиной порядка одной или нескольких молекул, в силу чего вода с этих поверхностей может быть вытеснена воздухом. В то же время воздействия собирателей, например, на частицы пустой породы не наблюдается, или оно ничтожно, так как эти вещества осаждаются на поверхностях минералов пустой породы в виде мельчайших капелек и не образуют на них пленок. При образовании гидрофобных пленок у соответственных частиц минерала возникает способность прилипать к мелким распределенным в пульпе пузырькам воздуха, и подниматься вместе с ними в пену.

Все собиратели на основании их химической природы можно разделить на две группы: а) собирательные масла, б) химические собиратели. Первые представляют собой маслянистые вещества, состав которых не всегда постоянен, а вторые представляют собой химические соединения с определенным строением.

Пример 40. Разберем различие между собирателями и пенообразователями по кривым их адсорбции. Типичные собиратели, в особенности ксантаты, амидопроизводные и другие, образуют пленки главным образом на поверхностях определенных твердых веществ (фаза твердое — жидкость) например, сернистых минералов тяжелых металлов, как PbS, ZnS, FeS2 и др., и мало адсорбируются поверхностью воды (фаза газ — жидкость), и потому не могут способствовать образованию обильной прочной и богатой пены (фиг. 19-б).

Типичные пенообразователи, например, сосновое масло, сильно понижают поверхностное натяжение воды, адсорбируясь на ее поверхности (фаза газ—жидкость), образуя на ней пленку и мало поглощаясь поверхностями минералов (фаза твердое — жидкость) (фиг. 19-а). Вследствие этого они дают обильную и сравнительно прочную пену, но твердых частиц в этой пене мало, так как она пустая. Только очень мелкие частицы, например, PbS, по опытам Годэна, примерно около 2 u диаметром, на все 100% всплывают в пену при действии одного только соснового масла (точка В на фиг. 19-а).

Эта разница между типичными собирателями и пенообразователями хорошо видна на изображенных кривых адсорбции.

Толщина адсорбционной пленки собирателя. Изучение вопроса о минимальных количествах собирателя, необходимых для успешной флотации, показало, что такая флотация происходит уже при образовании на поверхности флотируемых частиц данного минерала мономолекулярных пленок. Поэтому, зная молекулярный вес данною собирателя и поверхность частиц данного минерала, а также определив по кривой адсорбции его количество, необходимое для образования мономолекулярного слоя, можно определить плотность этого слоя, т. е. количество вещества в грамм-молекулах на 1 слг. При очень больших молекулярных весах, когда растворимость в воде падает почти с такой же быстротой, с какой растет активность в силу адсорбции поверхностями флотируемых минералов, происходит очень быстрое обеднение раствора собирателя и поэтому флотация быстро прекрашается. Хотя иногда для успешности флотации, особенно крайне мелко раздробленных минералов, можно применять собиратели даже в меньшем количестве против того, какое необходимо для образования мономолекулярной пленки, все же обычно на практике предпочитают применять значительно большие количества их. Поэтому на поверхностях флотируемых минералов образуются пленки, состоящие из многих слоев молекул собирателя.

Барч утверждает, что олеиновая кислота может адсорбироваться поверхностями минералов с образованием пленки толщиной в 9 500 молекул. Такие пленки, по-видимому, имеют такое же строение, как и мицеллы у гелей коллоидных веществ.

Влияние строения собирателя на флотацию. Кроме указанного влияния на активность собирателей длины аполярных частей их, такое же влияние оказывает и строение этой аполярной части. В этом отношении ряд качественно-количественных исследований произвел А.Ф. Таггарт. Он характеризовал каждое из исследуемых им веществ с точки зрения собирающей способности и определил количество адсорбируемого собирателя из его раствора в воде при дроблении с 500 г кристаллов свинцового блеска определенной крупности в течение получаса в лабораторной галечной мельнице.

Пример 41. Разберем данные некоторых опытов Таггарта, сведенные в следующую таблицу:

Из этой таблицы видно, что в ряду мочевины, где полярной группой является С = О, собирательных свойств совершенно не замечается. В ряду тиомочевины, где полярной группой является C = S, введение серы вместо кислорода сначала увеличивает гидрофильность молекулы, так что при адсорбции тиомочевины свинцовым блеском поверхность его кристаллов становится значительно более гидрофильной, и флотация его значительно подавляется. Введение в молекулу тиомочевины одной гидрофобной группы C6H5 вызывает появление сильной адсорбции фенилтиомочевины поверхностями кристаллов свинцового блеска и делает последние более гидрофобными. Введение в молекулу тиомочевины двух фенильных групп также увеличивает адсорбцию дифенилтиомочевины (тиокарбанилида) поверхностями кристаллов свинцового блеска, причем эти поверхности становятся резко гидрофобными, так что дифенилтиомочевина является одним из лучших собирателей. Ho эти хорошие собирательные свойства дифенилтиомочевины совершенно исчезают с введением в каждую резко гидрофобную аполярную группу C6H5 по одному гидроксилу ОН. Тогда, вводя новую полярную гидрофильную группу, мы тем самым понижаем гидрофобные свойства углеводородного кольца фенила. Появление этой новой полярной группы совершенно нарушает асимметричность строения молекулы дифенилтиомочевины и молекула диоксидифенилтиомочевины совершенно утрачивает способность адсорбироваться поверхностями сернистых минералов.

Пример 42. Такое же резкое изменение свойств в собирателях с изменением их строения наблюдается и среди других гомологических рядов. Так, соль этилксантогеновой кислоты C2H5O*CS*SH является великолепным собирателем (с относительным показателем, по Таггарту, — 100), в то время как этилксантогенукусная кислота C2H3OCSS*CH2*COOH собирательными свойствами совершенно не обладает. Замена кислорода в ксантогенатах серой с образованием солей тритиоугольной кислоты C2H5*S CS*SK не уменьшает поверхностной активности, но замена в тех же ксантогенатах серы кислородом с образованием солей монотиоугольной кислоты C2H5O*CO*SK сильно понижает их активность.

Избирательная адсорбция собирателей. Характерной чертой собирателей является специфичность их действия на поверхности различных минералов. Так, тиокарбанилид, тиофенолы, аэрофлот (дикрезилфосфорная кислота), а также ксантогенаты особенно жадно адсорбируются поверхностями сернистых минералов и почти совершенно не действуют на минералы пустых пород (кварц, силикаты, кальцит, барит и др.). Ксантогенаты действуют, кроме того, на окисленные минералы меди и свинца.

Олеиновая кислота, являясь также и вспенивателем, действует, в зависимости от концентрации и присутствия щелочи и других солей, почти на все минералы. По все-таки кварц, слюда, полевой шпат и другие силикаты, в особенности содержащие воду, слабо адсорбируют олеиновую кислоту, тогда как флюорит, апатит, кальцит, барит при действии олеиновой кислоты флотируют более энергично.

На этой специфичности действия собирателей и основана селективная флотация, при которой для флотации подбираются реагенты и создаются условия с таким расчетом, чтобы один полезный минерал переходил в пену, в то время как другой оставался бы вместе с пустой породой.

Химические реакции на поверхностях. При адсорбции собирателей возможны различные случаи. В одних случаях поверхность флотируемого минерала может адсорбировать из раствора реагент, причем последний остается неизмененным, не вступая в химическую реакцию ни с одним из ионов, образующих пространственную решетку кристалла данного минерала. В других случаях, несомненно, происходят химические реакции между частицами собирателей, растворенных в воде, и одним из ионов, находящимся в поверхностных слоях данного минерала. При этом на поверхностях кристаллов образуются осадки в виде пленок, нерастворимых веществ, которые совершенно изменяют свойства этих поверхностей, делая их более гидрофобными. Относительно этих осадков Траубе вывел правило, что чем труднее растворим образовавшийся на поверхности минерала осадок, тем более он гидрофобен и тем сильнее образование его способствует флотации данного минерала.

Пример 43. Образование не растворимых в воде пленок при действии ксантогенатов и аэрофлотов (в состав последних входит тиокрезол) не ограничивается только одним слоем молекул. Повидимому, пленки, образующиеся на поверхностях кристаллов, сначала выпадают в виде коллоидов, которые быстро коагулируют, затем, переходя в кристаллическое состояние, трескаются и, оставаясь отчасти прикрепленными к поверхностям кристаллов, сворачиваются отделившимся слоем, подобно бумаге, в трубочку. При этом вновь обнажается чистая поверхность минерала, на которую могут воздействовать новые количества ксантогената или аэрофлота, и образуется новая пленка не растворимых в воде осадков. Отделившиеся слои пленки, сворачиваясь, образуют скопления в виде комков, которые при длительном воздействии ксантогената или аэрофлота могут быть видимы под микроскопом (Тукер, Гед, Митрофановы).

Таким образом, ксантогенаты и аэрофлоты взаимодействуют с поверхностями флотируемых минералов наподобие того, как воздух взаимодействует с поверхностями металлов, вызывая окисление их поверхностей. Так как соли тяжелых металлов и ксантогенатов или аэрофлотов являются сильно гидрофобными, и, кроме того, так как комки их пропитаны диксантогенидами, дисульфидами или другими смолообразными гидрофобными продуктами окисления ксантогеновой кислоты или тиокрезола, то пузырьки воздуха крайне легко прилипают к поверхностям, покрытым этими осадками, и легко переносят минералы с такими поверхностями в пену.

Присутствие на поверхности минерала пор, трещин и углублений способствует проникновению собирателя вглубь кристалла и образованию на этих местах больших комков нерастворимых осадков.

Измерение собирательного действия коллекторов. Одним из основных вопросов при выяснении поведения собирателя во флотационной пульпе являются изучение его собирательного действия и умение производить замер этого действия, чтобы путем сравнения можно было правильно сделать необходимый выбор их.

Поэтому методы замера должны отличаться простотой, наглядностью, достаточной точностью, быстро давая необходимый ответ.

За границей впервые к определению коллектирующего действия подошел проф. Таггарт; затем в Институте Механобр разрабатывались методы определения по весовому и объемному способам качественного и количественного собирательного действия коллекторов, и, наконец, группой проф. П.А. Ребиндера (Москва) был предложен метод гистерезисных изотерм смачивания.

К сожалению, ни один из указанных методов по определению как пенообразующих, так и коллектирующих свойств современных флотационных реагентов пока не завоевал себе прочного места при контроле работы на современных фабриках.