Механизм образования пены

02.08.2018
Производство пены можно рассматривать как результат нескольких стадий этого процесса: поступление (ввод) воздуха, образование пузырьков воздуха, соединение воздуха с минеральными частицами и образование пены.

Поступление воздуха. В сущности говоря, аэрация пульпы воздухом начинается гораздо ранее поступления ее во флотационную машину. Весь цикл подготовки руды при тонком измельчении, проход через водное пространство классификатора и зумпф насоса дает возможность пульпе непроизвольно в некоторой степени аэрироваться. Однако, введенному воздуху недостает подходящей обстановки, чтобы начать выделяться из пульпы в виде пены, — у него нет минимально необходимых условий относительного покоя пульпы, чтобы пузырьки могли принимать наиболее устойчивую форму для свободного движения вверх, коллектироваться и образовывать пену, нет, наконец, пенообразователя, образующего определенное качество пены.

С другой стороны, наличие аэрированного таким образом в пульпе воздуха обычно бывает настолько незначительным по сравнению с потребностью в нем, что самый момент специального ввода воздуха практически целесообразнее рассматривать как одну из характеристик работы флотационной машины.

Вследствие наличия в жидкой пульпе воздуха она в определенные моменты может расслоиться, как сказано выше, на собственно жидкую пульпу и пенный слой. Первая состоит преимущественно из жидкой фазы, а второй — из газа (воздух). И пульпа, насыщенная воздухом, и влажная пена вследствие непрерывно меняющегося вспенивания и смешивания диспергированного газа с жидкой фазой являются нестойкими.

По способу ввода воздуха в пульпу различают три случая:

а) химическое образование пузырьков воздуха, вследствие реакции между растворенным в воде химическим веществом и присутствующей в ней частицей минерала;

б) выделение воздуха при понижении давления (под вакуумом) из пульпы, в которой он до этого находился в растворенном состоянии, и

в) механический ввод (аэрирование) воздуха в пульпу извне.

Химическое образование воздуха в пульпе, осуществленное в процессе Поттера-Делпрата, совершенно неприменяемом в настоящее время, происходило от действия серной кислоты на углекислый кальций по уравнению (52):

Вакуум-процесс, предложенный Эльмором, зависит от степени выделения растворенного в пульпе воздуха при понижении поверхностного давления (ниже атмосферного) на пульпу. Выделяющиеся пузырьки воздуха адсорбируют соответствующие гидрофобные минеральные поверхности и выносят частицы в пену.

Применение этого процесса ограничивается возможным пределом количества растворимого воздуха, которое вода может удерживать при атмосферном давлении, чтобы выделить его под вакуумом.

Mеханический ввод воздуха, благодаря большей простоте, удобству осуществления и возможности регулировки степени аэрирования пульпы является практически единственным способом современной практики флотации. Ввод воздуха происходит либо во время механического агитирования пульпы, либо при подводе сжатого воздуха в механически агитируемую пульпу, либо пневматическим способом. Метод каскадного ввода воздуха (как самостоятельный процесс) в настоящее время также оставлен практикой, так как при этом способе происходит простой контакт пузырьков и частиц.

Соединение воздуха с минеральными частицами. До настоящего времени не найдено способов определения предела, до какого возможно осуществить соединение пузырьков воздуха и минеральных частиц в такой сложной системе, какой является аэрированная пульпа. Все допущения, упрощающие взаимоотношения между пузырьком воздуха, водой и твердой частицей, как это сделано напр. Годэном, вследствие многообразия их свойств и формы частиц не дают еще основания для стабильных заключений.

Ниже разберем два типовых случая соединения воздуха и минеральной частицы в условиях работы машины пневматического (Келлоу) (фиг. 32) и механического (MC) типа (фиг. 33).

Способ соединения воздуха и минерала в пневматических машинах. В пневматической машине обычно жидкая часть пульпы, частично аэрированная (не включая пенную часть), увеличивается в объеме на 15—35%. Отсюда можно предполагать, что среднее расстояние между пузырьками воздуха в пульпе будет порядка радиуса пузырька. Такое расположение пузырьков, учитывая наличие в пульпе твердых частиц, должно влиять на их взаимное движение в пульпе. А так как пузырьки обычно имеют разную величину диаметров, то продвижение их вверх, будет, очевидно, встречать затруднение из-за срезающего действия встречающихся пузырьков, движущихся с разной скоростью. При этом наблюдается, что пузырьки настигают друг друга и соединяются между собой.

Пузырьки в пневматически аэрированной пульпе сравнительно крупные — порядка 5—10 мм — и двигаются быстро. Время, необходимое для передвижения пузырька от места ввода его на дне машины до пенной части, порядка 0,25—1,0 сек. при обычном режиме флотации.

Поведение массы пузырьков и частиц в пенном слое заметно отличается от поведения единичных пузырьков и частиц в пульпе, вследствие того что в пене расстояние между пузырьками уменьшается до минимальных размеров, и пузырьки могут передвигаться вверх с значительно пониженной скоростью и при этом срезающее действие между пузырьками увеличивается пропорционально их относительной близости.

Пример 105. На фиг. 32 приведены кривые, построенные на основании анализов на содержание меди в машине Келлоу на различной глубине по вертикали жидкой и пенной части пульпы. Из кривой видно, что в пределах жидкого слоя содержание меди остается постоянным, т. е. обогащения не наблюдается. Наоборот, при переходе в пенный слой содержание меди постепенно повышается. Левая часть (фиг. 32а) дает представление о характере изменения самых пузырьков в различных местах пенного столба.

Таким образом можно считать, что соединение пузырьков происходит главным образом в этом столбе и продолжительность существования пузырьков в нем — от 5 до 20 раз больше таковой в слое пульпы. Кроме того, хотя условия для соединения воздушных пузырьков с частицами в пенном слое и не вполне благоприятны, однако до 80% таких соединений все же должно происходить именно здесь.

Способ соединения воздуха и минерала в механических машинах. В машинах этого типа пенный слой занимает значительно меньший объем, чем слой пульпы, причем пузырьки пены гораздо меньше; этот слой напоминает по виду сливки. Пузырьки, подымаясь кверху (фиг. 33), как бы вооружены минеральными частицами. В слое пульпы наблюдается слабое повышение минерализации по мере приближения к ясной границе раздела обеих фаз. При переходе же в пенную часть наблюдается резкое увеличение содержания меди в пене, которое остается почти постоянным на всей небольшой высоте слоя пены. Из фиг. 33, а виден характер пены в этом случае.

В заключение разберем два способа соединения пузырьков воздуха с минеральными частицами: выделение воздуха из раствора на некоторые минеральные частицы и прямое соединение газовых пузырьков с минеральными частицами.

По гипотезе Таггарта соединение по первому способу происходит при следующих обстоятельствах:

1. Если водный раствор становится перенасыщенным растворенным воздухом, то воздух осаждается при выделении из раствора преимущественно на неполярных поверхностях. Примером может служить процесс Эльмора, разбираемый ниже.

2. Вращающаяся мешалка типа механической машины MC производит позади своей лопасти разрежение, которое в обычных условиях достигает 0,17—0,27 кг/см2. Вода в пульпе, будучи насыщенной воздухом атмосферного давления, становится перенасыщенной в определенных точках позади лопастей мешалки, и тогда воздух в этих местах, по-видимому, выделяется из раствора.

3. Существующее давление перед лопастью мешалки примерно одинаково с вакуумом позади нее. В этих местах предполагается, что получается растворение газа из воздуха в пульпу.

4. Постоянное поступление воздуха поддерживает пульпу насыщенной. В машинах типа MC это достигается с помощью образуемой вдоль вала мешалки воронки из воздуха.

Можно предполагать, что воздух осаждается преимущественно на неполярных поверхностях и поэтому вызывает образование сильно минерализованных пузырьков и их скоплений.

Второй способ предусматривает следующее:

1. По сравнению с пузырьками в пульпе пневматической машины, пузырьки механической машины имеют больше шансов для непосредственного присоединения к частицам, вследствие большей продолжительности их существования в пульпе. На это указывает тот факт, что объем расширения пульпы в механической машине того же порядка, что и в пневматической, однако объем воздуха, проходящий через данный объем пульпы в единицу времени, возможно, от 20 до 100 раз меньше.

2. Пузырьки в механической машине меньше, чем в пневматической, так что для присоединения их к твердым частицам здесь в любой данный момент имеется большая граница раздела воздух — жидкость.

3. Поскольку минеральные частицы крупнее пузырьков, то возможность встречи их увеличивается.

4. В районе действия мешалки относительный объем воздуха к жидкости значительно больше, чем в других участках пульпы.

5. Большая сложность проявления сил в районе действия мешалки обнаруживается как в значительном срезающем действии и перемешивании пульпы, так и в специальных движениях воздушных пузырьков и частиц, которые при этом гораздо чаще встречаются.

6. Хотя некоторое выделение воздуха из раствора и может иметь место позади лопастей мешалки, однако трудно сказать, может ли это иметь существенное значение, вследствие нивелирующего действия присутствующего растворенного воздуха перед лопастью мешалки.

7. Большое количество частиц, выносимых минерализованным пузырьком, требует коагуляции таких минеральных частиц между собой. Так, полностью минерализованный пузырек диаметром 2 ям будет иметь на себе около 100 000 частиц размера около 10 u, а это возможно лишь, если значительное количество их будет коагулироваться при соединении друг с другом.

Способ соединения воздуха и минеральной частицы в механо-пневматических и пневмо-механическнх машинах. В этих машинах происходит комбинированный порядок соединения пузырьков с частицами. Здесь имеются пузырьки промежуточного размера, и воздуха в массе больше, чем в механических машинах, и меньше, чем в пневматических. Кроме того, здесь можно наблюдать, как некоторые сильно минерализованные пузырьки подымаются на верх пульпы в то время, когда наблюдается характерное ослабление минерализации пены и из верхних слоев ее пузырьки уносятся книзу (явление, замечаемое также в пневматических машинах).

Пример 106. Разберем по табл. 60 и фиг. 34 характер соединения воздуха с частицей в механо-пневматической машине Фаренволда и пневмомеханической Макинтоша по замерам на Кировской апатитовой флотационной фабрике. Пульпа бралась через одинаковые интервалы по высоте от пенного слоя книзу. Замеры на машине Фаренволда производились на второй ячейке основной флотации, а на машине Макинтоша — на первой машине на расстоянии 2.25 м от начала загрузки. Контроль велся на Р2О5.


Рассмотрение данных таблицы и кривых показывает, что точка перелома у кривых I (Фаренволда), как машин механо-пневматического типа, ближе напоминает характер кривой машины MC (фиг. 33), а кривые II (Макинтоша) скорее могут быть отнесены к типу кривой с машины Келлоу (фиг. 32). Однако, следует отметить, что кривые с машины Макинтоша на интервале 220—275 имеют точку перегиба более плавную, чем это наблюдается на линии уровня пульпы у машин механического и механо-пневматического типа. Можно думать, что линия перегиба характеризует в какой-то степени границу аэрированной пульпы и столба пузырьков.

Отсутствие в данных Таггарта (фиг. 32—33) указаний на содержание в исходном продукте меди и глубин, с каких брались пробы, затрудняет произвести сравнительный и более подробный анализ по K0 кривых для всех четырех машин.

Выбор метода соединения воздуха с частицей. Очевидно, что соединение воздуха с частицей должно осуществляться на основе избирательного действия между минеральными частицами с различными поверхностями, так как в противном случае флотация, как процесс концентрации, окажется невозможной. Если одна частица с неполярной поверхностью встречается с пузырьком, так что происходит прямое присоединение к ней воздуха, то краевой угол, образуемый с твердой поверхностью, указывает на стремление воздуха сместить воду с этой поверхности. Подобным же образом, если другая частица с полярной поверхностью встречается с воздухом (что, вообще говоря, довольно затруднительно осуществить вследствие наличия на поверхности такой частицы иона гидроксила), краевой угол указывает на тенденцию воды сместить воздух с твердой поверхности. Таким образом, одна из частиц будет стремиться перейти в газовую фазу, а другая, наоборот, в жидкую. Агитация способствует возвращению частичек с полярной поверхностью в жидкую фазу.

Структура и размер минерализованных пузырьков


Структура пузырьков. Как показали исследования, минерализованные пузырьки имеют разное строение с наружной и внутренней стороны оболочки пузырька. Фиг. 35 показывает, что внутренняя часть оболочки относительно гладкая, а минеральные частицы а располагаются довольно беспорядочно снаружи, и при увеличении можно видеть, что минерализованный пузырек не может считаться абсолютно шарообразным. Кроме того, сами минеральные частицы пристают к оболочке пузырька своими широкими поверхностями, благодаря чему сила сцепления увеличивается. Это согласуется со вторым законом термодинамики.
Механизм образования пены

Размер пузырьков. Вопросу о наиболее подходящем для флотации размере пузырьков одно время придавали большое значение. Разберем, в какой степени желательны крупные и мелкие пузырьки.

1. Определенный объем воздуха будет иметь тем большую поверхность, чем больше он будет диспергирован на мельчайшие пузырьки и количество твердых частиц, которые (могут расположиться на их поверхности при толщине слоя в одну частицу, будет также больше. С другой стороны, чем тоньше будет диспергирование воздуха, тем стоимость этой операции будет выше, считая на единицу объема газа.

2. Из пузырьков полностью нагруженных, т. е. с поверхностью при толщине слоя в одну частицу, наибольшим удельным весом будет обладать пузырек с минимальным диаметром. Если пузырек достаточно мал и имеет вместе со своими частицами удельный вес одинаковый с пульпой, то, очевидно, он не сможет подниматься в ней. Такое положение может, например, иметь место в механического типа машине и влечет за собой некоторые потери.

3. Чем мельче пузырьки, тем больше возможности они имеют для соединения с минеральными частицами и отчасти обеспечивают большее извлечение.

Таким образом можно возражать как против крупных, так и очень мелких пузырьков, считая наиболее подходящими пузырьки промежуточных размеров; при этом величина пузырька будет зависеть от диаметра частицы и плотности пульпы.

Так, для свинцового блеска при плотности пульпы 1,5 диаметр пузырька больше диаметра частицы примерно в 26 раз; для цинковой обманки и халькопирита это отношение примерно равно 12:1; для кальцита при плотности пульпы 1,25 равно 8,5:1, и для угля при пульпе с плотностью 1,1 равно 2,5:1.

Минимальные практические размеры пузырьков, образующих пену. Чтобы попасть в пену, минерализованные пузырьки должны обладать необходимой скоростью всплывания, т. е. они должны быть большего диаметра, чем те, которые только плавают в пульпе (размеры их для некоторых минералов указаны выше).

Пример 107. Разберем по табл. 61 минимальные размеры пузырьков и минеральных частиц, которые могут подыматься со скоростью 120 мм/сек для образования пены.

Таким образом, можно считать, что чем крупнее и тяжелее минеральные частицы, тем больше должны быть пузырьки.

Для нормальных размеров частиц, какие флотируются в настоящее время, пузырьки диаметром 2 мм уже. будут удовлетворять этим условиям. Обычно крупные пузырьки несут меньше нагрузки на единицу объема воздуха, чем пузырьки с диаметром порядка 2 мм, поэтому на практике их стремятся получить несколько большими, чем 2 мм.

Образование пены


Уже было отмечено ранее, что образование пузырьков является в основном пенным процессом, в котором пузырьки, не завися от их минерализации, отделяются от более тяжелой пульпы, причем в механическом типе машин они сравнительно медленно поднимаются, будучи небольшими по размеру, но сильно минерализованными. Благодаря этому агрегат из пузырька с минералами мало эластичен и, поднявшись медленно на поверхность, не захватывает с собой много пульпы (жидкой фазы). Наоборот, и пневматическом типе эти агрегаты сравнительно быстро поднимаются кверху, более крупны, меньше минерализованы; благодаря их разобщенному взаимному положению в пульпе они несут с собой много жидкости.

Изменения в пене, как указывалось выше, по мере продвижения в ней пузырьков могут состоять из: а) относительного дренажа воды из пены и б) более или менее определенной коагуляции в большие пузырьки, (фиг. 36). Оба эти явления менее заметны в механическом типе машин,

вследствие незначительного объема захваченной пульпы в пену между пузырьками. По мере увеличения дренажа в пене наблюдается изменение у пузырьков сферической формы в полигональную, на что влияет минерализация пульпы, размер пузырьков и размер адсорбированных частиц. Так, если пена сильно минерализована и кажется с поверхности сухой, то пузырьки имеют полигональную форму, наоборот, при слабо минерализованной пене, обычно в перечистных машинах для хвостов или при флотации благородных металлов, когда выход в пену твердого вещества весьма значителен, пена состоит из сферических пузырьков и богата влагой. Наконец при прочих равных условиях крупные пузырьки или пузырьки, минерализованные тонкими частицами, склонны к образованию полигональных поверхностей. При обезвоживании такой пены одновременно происходит удаление с водой, между стенками пузырьков, взвешенных минералов, особенно пустой породы, исключая минералов, адсорбированных пузырьками. По мере перехода пузырьков из сферической в полигональную форму адсорбированные частицы теснее соприкасаются друг с другом и составляют как бы фильтрующий слой, который захватывает некоторое количество частиц в сравнительно сухих стенках пузырьков.

Характеристика пены. С точки зрения производственного эффекта пена должна обладать определенной структурой, минерализацией, устойчивостью и т. д. Однако до сих пор мы еще не можем полностью количественно выразить эти факторы, рассматривая их пока только с качественной стороны.

Желаемая минерализация пузырьков. Слабая минерализация обычно заставляет малые пузырьки собираться в крупные на поверхности пены, что происходит от легкого лопанья слабо минерализованных пузырьков на поверхности пульпы. Это видно при сравнении размера пузырьков в первичной машине у хвостового и концентратового концов.

Зернистая, шагреневая пена, как результат излишней минерализации, трудна для дальнейшей транспортировки вследствие ее плотности и способности таких пузырьков перекатываться друг через друга, не лопаясь. При выгребании скребками такой пены с ней увлекается и часть пульпы.

При применении надлежащего количества собирателя, обладающего соответствующим гетерополярным строением молекулы, пена будет иметь некоторую склонность коагулировать и образовывать полигональные ячейки, будучи при этом легкоподвижной. Таким образом, при подборе реагентов следует обращать на это особое внимание, избегая получения излишне минерализованной пены, что должно регулироваться правильным контролем Км.

Устойчивость пены. Устойчивость пены зависит главным образом от качества и количества диспергированной твердой и жидкой фаз в ней. Можно считать, что чем больший процент общей площади пузырька покрыт минералами и чем мельче диспергированы частицы, тем выше устойчивость пены. Форма частиц также является некоторым фактором, хотя и неопределенным, устойчивости пены. Так, плоские частицы лучше покрывают поверхность пузырька, чем угловатые зерна, а частицы кубической формы располагаются ближе друг к другу, чем круглые.

Весьма устойчивая клееобразная пена нежелательна. Она получается три наличии масляной фазы. Тогда масляные капельки могут вызывать деформацию пузырька, не деформируя диспергированных твердых частиц. Пена этого рода трудно разбивается даже в присутствии воды из брызгал и не разрушается от долгого стояния. Кроме того, она вызывает затруднения при уплотнении и фильтровании.

Очистка пены. Очистка пены происходит не только вследствие выделения из нее воды, как описано выше, но и главным образом от взбрызгивания ее с поверхности водой из брызгал, отчего количество воды увеличивается и пена, становясь более разжиженной, легче дренирует из пространства между пузырьками воду, причем Вместе с ней удаляются механически увлеченные частицы. Иногда очистка пены путем взбрызгивания ее водой аналогична по эффекту очистной флотации.

Роль пневматических и механических машин. Считают, что для очистной флотации пневматические машины приспособлены лучше механических, а для первичной — наоборот. Причина заключается в том, что пена после первичной флотации содержит больше минеральных частиц, которые надо перефлотировать, и если бы их аэрировать в условиях работы механической машины, то получились бы полностью минерализованные пузырьки, которые образовали бы шагреневую, излишне минерализованную пену, механически захватившую бы такие частицы, которые при этой флотации должны остаться в пульпе. В пневматической же машине концентрация идет в самой пене, где механически увлеченные частицы не имеют возможности свободно дойти до уровня слива.

Наоборот, слабо минерализованные пены должны предпочтительно обрабатываться в механическом типе машин, чтобы обеспечить условия максимального контакта пузырьков с частицами.

Влажность лены. Обычно влажность поступающей в желоб пены — порядка 60—80% по весу. Она выше для слабо минерализованной пены и ниже для сильно минерализованной. Влажность пены может быть выражена Kм.

Пример 108. Разберем по табл. 62 опыт Годэна флотации синтетической смеси из свинцового блеска и гранитной пустой породы, при котором изучалась влажность пены.

Таким образом, мы видим, что К быстро увеличивается в условиях как лабораторной машины, так и при переходе от одного отделения машины к другому, чем, конечно, уменьшается эффективность флотации, что и видно из последней строчки табл. 62.

Флотационные машины

В условиях решения задачи не только полного освоения заграничной техники флотации, но и создания более рационального использования процесса флотации вообще и стандартизации освоения собственного флотационного машиностроения, в частности, разберем флотационные машины с возможной полнотой (по наличию существующих данных).

Как указывалось выше, ранее до полного перехода на пенную флотацию, делались неоднократные попытки использовать другие виды флотационного процесса. Поэтому перед описанием современных машин приведем некоторые данные о работе машин по ранее применявшимся видам флотации.