Флотируемость минералов

23.09.2020

Основными факторами, влияющими на результаты флотации, являются вещественный состав руды, крупность измельчения, типы флотационных реагентов и их расход, pH среды, плотность пульпы и время перемешивания с реагентами, продолжительность флотации, температура пульпы, ионный состав воды, количество воздуха, поступающего во флотацию, схемы флотации.

Минеральные компоненты руды, направляемой на флотационное обогащение, различаются флотируемостью, что позволяет выделять их в отдельные продукты.

Флотируемость — это способность минерала избирательно прилипать к вводимым в водную минерализованную суспензию воздушным пузырькам и всплывать с ними на поверхность суспензии с образованием пены. Различают естественную флотируемость минерала и искусственно создаваемую. Естественную флотируемость имеет ограниченное число минералов (графит, тальк, некоторые слюды, сера и др.) с высокой степенью гидрофобности поверхности.

Для повышения эффективности разделения минералов применяют флотационные реагенты, которые вызывают гидрофобизацию дли гидрофилизацию их поверхности, повышают или снижают флотируемость.

Изучение флотируемости минералов предусматривает поиск и подбор флотационных реагентов и выявление области pH жидкой фазы, в которой реагенты действуют наиболее эффективно.

Для изучения флотируемости минералов необходимо иметь набор минералогических образцов, весовое количество которых в зависимости от объема исследования колеблется от десятков граммов до килограммов. Методы выделения мономинеральных фракций детально изложены в гл. 2.

При выделении минералов для последующего исследования их флотируемости необходимо учитывать сохранение в неизменном виде свежеобнаженных поверхностей кристаллов. В целях предупреждения окисления поверхности минералов, особенно сульфидов, при выделении их в мономинеральные фракции необходимо ориентироваться на зерна крупнее 3 мм, так как более мелкие зерна непригодны для длительного хранения. При выделении тонкозернистых (< 3 мм) мономинеральных фракций сульфидов следует принимать специальные меры для предотвращения окисления поверхности минералов в процессе хранения (держать в атмосфере инертного газа в герметичных сосудах, из которых удален воздух) или же получать незначительные количества минерала, сразу же используя их в проводимом эксперименте.

Важно также оградить поверхности минеральных зерен от загрязнения поверхностно-активными веществами, которые влияют на флотационное поведение минералов. Это обстоятельство ограничивает количество методов и приемов выделения мономинеральных фракций. Например, такая эффективная операция, как разделение в тяжелых жидкостях, используется только при условии, что разделяющая среда хорошо отмывается с поверхности выделяемого минерала. Рекомендуются к применению только те тяжелые жидкости, которые хорошо растворимы в воде или этиловом спирте. Пользоваться жидкостью, растворяющейся, например, в ацетоне и не растворяющейся в воде или спирте, нежелательно; поскольку ацетон не всегда полностью удаляется с поверхности минерала.

Естественно, что флотационное выделение минералов также исключается, хотя в некоторых случаях оно высокоэффективно. То же относится к химическим методам выделения чистых минералов, например к избирательному растворению или травлению специальными реактивами, так как все они резко изменяют первоначальные свойства поверхности.

Для подготовки чистых минералов к опытам по флотации обычно отобранные чистые образцы минерала измельчают на истирателе или в фарфоровой мельнице в замкнутом цикле с ситом, например, до крупности -0,2 или -0,15 мм. Затем материал обесшламливают либо отмучиванием как при дисперсионном анализе, либо на концентрационном столе, либо на гидравлическом классификаторе. Зернистый материал собирают тонким слоем на лист фильтровальной бумаги, положенной на наклонную плоскость, и закрывают сверху другим листом фильтровальной бумаги для предохранения от пыли. Вода при этом стекает и в течение ночи материал высыхает на воздухе и становится сыпучим. Высушенный материал просеивают на ситах на классы. Испытания обычно проводят с одним каким-либо классом, например, -100+74 мкм, если выход этого класса обеспечивает проведение намеченных опытов. Высушенные классы ссыпают в колбы с пробками. При малом количестве материал измельчают осторожно в агатовой ступке, обесшламливают декантацией и после воздушной сушки рассеивают на классы. Обесшламливать можно и промывкой через сито с отверстиями размером 44 и 74 мкм.

Минералы, которые в процессе подготовки и при хранении в стеклянной посуде химически не изменяются, после рассеивания их на ситах используют для опытов без дальнейшей обработки. Сюда относятся большинство несульфидных минералов, не содержащих закисного железа и других соединений, изменяющихся под действием кислорода воздуха и углекислоты.

Сульфидные минералы, особенно смоченные водой, окисляются с поверхности очень быстро, хотя и с различной скоростью. Заметно окисляются сульфиды железа — пирит, марказит, антимонит и особенно пирротин. При подготовке этих минералов к флотации приходится предварительно удалять продукты окисления не действующими на сульфидный минерал химическими растворителями.

Для изучения флотируемости минералов в качестве флотационных реагентов необходимо использовать чистые химические препараты. Вместе с тем иногда необходимо употреблять технические продукты, состав которых предварительно анализируется. Реагенты-собиратели призваны повышать гидрофобность поверхности минералов путем создания на их поверхности гидрофобного слоя, состоящего из молекул органических веществ. Реагенты-собиратели имеют гетерополярную структуру молекул: часть молекулы, закрепляющаяся на минерале, — полярна, другая представлена углеводородным радикалом, обуславливающим гидрофобность покрытия. Реагенты-собиратели могут быть анионными, катионными и аполярными; концентрируются на границе раздела фаз твердое — жидкость (минерал — раствор).

Реагенты-пенообразователи (вспениватели) также являются органическими веществами и выполняют следующие функции: понижают поверхностное натяжение на границе раздела жидкость—газ, облегчают аэрирование пульпы, стабилизируют водо-воздушную смесь, предотвращая коалесценцию воздушных пузырьков, снижают скорость подъема пузырьков, что также способствует аэрации пульпы. Пенообразователи, как и собиратели, имеют гетерополярную структуру молекул. Они концентрируются на границе раздела фаз жидкость—газ и ориентируются в пространстве таким образом, что аполярная часть молекул обращена в газовую фазу.

В качестве реагентов-модификаторов (активаторов, депрессоров и регуляторов pH среды) применяют главным образом неорганические соединения; существуют также модификаторы органического состава. Активаторы способствуют закреплению собирателя на минерале, вызывая флотацию последнего; депрессоры либо предотвращают закрепление собирателя, либо способствуют снятию гидрофобного слоя с минерала, что и обеспечивает временное (или постоянное) подавление флотируемости минерала. Регуляторы pH среды изменяют концентрацию водородных ионов в пульпе, создавая условия для протекания важных для флотации физико-химических процессов в жидкой фазе и на границе раздела фаз.

Известны некоторые вещества, которые являются как собирателями, так и пенообразователями; активаторами в одних условиях и депрессорами в других. Например, фенол служит пенообразователем при флотации полиметаллических руд и собирателем для угля; сернистый натрий активирует флотацию многих окисленных минералов и является депрессором сульфидных минералов и полевых шпатов.

Методы исследования флотируемости минералов могут быть прямыми и косвенными.

Развитие методов прямого исследования флотируемости минералов в обогащении руд осуществляется в основном в двух направлениях. Одно из них — стремление максимально приблизить условия лабораторного эксперимента к производственным. Для этой цели сконструированы лабораторные флотационные аппараты типа машин, используемых на фабриках. Больше всего соответствуют производственным флотационным машинам малые многокамерные аппараты. Однако работа в лабораторных условиях на этих аппаратах, требующих больших навесок, на стадии изучения флотируемости минералов трудоемка и практически неприемлема.

Общепринятой является методика флотации в однокамерных аппаратах (см. рис. 2.65 — рис. 2.71). Эта методика имеет недостаток, так как при выходе части материала в пену уровень пульпы в камере снижается, вследствие чего необходимо вводить дополнительно воду или раствор реагентов, искусственно изменять состав жидкой фазы пульпы. Несмотря на имеющиеся очевидные недостатки, практика работы в однокамерных машинах считается вполне достоверной как количественный метод оценки флотируемости.

Другое направление в прямом изучении флотируемости минералов связано с развитием конструкций приборов, специально исключающих тот или иной фактор промышленной флотации. Прежде всего следует отметить аппараты для беспенной флотации.

Флотация в простейших аппаратах производится для выяснения основных закономерностей поведения изучаемого минерала и более простых целей (установления принципиальной возможности флотировать данный минерал собирателем данного типа).

Пробирочная флотация осуществляется в пробирках или цилиндрах, заполненных на 3/4 раствором собирателя с добавлением 1—2 капель вспенивателя. Исследуемый материал массой 0,5—1 г (желательно обесшлам-ленный) засыпают в пробирку и взбалтыванием добиваются хорошей смачиваемости порошка. Затем более энергичными движениями встряхивают пробирку 3—5 раз и наблюдают, собираются ли зерна минерала в образующемся столбе пены. Для пробирочной флотации необходимо брать тонко-измельченный материал (тоньше 75 мкм) и иметь раствор реагентов, образующий при встряхивании устойчивую пену.

Флотация в делительных воронках отличается от пробирочной тем, что возможно выпустить через кран ту часть навески, которая не перешла в пену. При флотации в делительных воронках приближенно оценивают селективность действия реагента, если для флотации используется смесь двух минералов.

Прибор Эйгелеса отделяет образующуюся пену от основной массы раствора. Он состоит из двух стеклянных воронок, пришлифованных с торца одна к другой, которые соединены резиновым кольцом. В нижнюю воронку заливают раствор реагента и засыпают навеску минерала. Уровень раствора должен быть вровень с краями воронки. Затем сверху на резиновое кольцо надевают вторую воронку, и все это энергично встряхивают. Образующаяся пена с минерализующими ее зернами располагается выше нижней воронки и может быть срезана смещением верхней воронки после снятия резинового кольца. Следующее встряхивание производят после предварительного добавления воды или раствора в нижнюю воронку до краев.

Методика работы в лабораторных однокамерных флотационных машинах включает следующие последовательные операции: загрузку камеры и перемешивание материала, перемешивание пульпы с реагентами (без вспенивателя), подачу вспенивателя и съем пены, разгрузку остатка из камеры.

Для опытов флотации чистых минеральных разностей используют навески от 0,5 до 25 г и выше. Опыты проводят в более жидкой пульпе, чем при флотации руды, что позволяет пользоваться небольшими навесками. Допустимое отношение жидкого к твердому в опыте принимают, исходя из содержания данного минерала в руде. Предполагают, что объем всех остальных рудных компонентов заменен эквивалентным объемом воды. Например, руда содержит 1,5 % галенита. При обычной флотации данной руды отношение Ж:Т = 3:1. В пересчете на руду данная навеска галенита эквивалентна навеске руды 100р/1,5 г.

При плотности руды 3 г/см3 и флотации руды при отношении Ж:Т=3:1 объем руды в пульпе составит
Флотируемость минералов

Для р = 0,5 г галенита объем пульпы составит 110 мл.

Для обработки данной руды при коэффициенте аэрации 0,1 для опытов с навеской 0,5 г можно взять флотационную камеру

При испытаниях флотации с малыми навесками чистых минералов флотационная камера должна быть такой, чтобы в ней не осаждались материалы в углах, впадинах, на стенках и так далее. Опыты проводятся так, чтобы механические потери при всех операциях были устранены, особенно при собирании, обезвоживании и сушке пенного продукта. Пену собирают в фарфоровую чашку. После отстаивания избыток воды декантируют, а твердую фазу осторожно смывают в небольшой взвешенный фильтр в стеклянной воронке. Фильтр с осадком высушивают и взвешивают. Массу пенного продукта находят по разности масс фильтра с осадком и чистого фильтра. В опытах с чистыми минералами химические анализы не делаются, извлечение подсчитывают по массе пенного и исходного продуктов.

При флотации в простейших аппаратах через капилляр пропускают ~3—5 мл воздуха в мин, при этом возможно фиксировать число пузырьков, если это необходимо. Продолжительность флотации чистых минералов не превышает 3—5 мин.

Постановка флотационных опытов в аппаратах для беспенной флотации оценивает характер взаимодействия реагентов с поверхностью частиц и их влияние на прочность контакта частица — пузырек. Это обусловлено тем, что процесс осуществляется одиночными пузырьками в режиме, «голодном» по воздуху или другому газу, используемому в качестве носителя. Поэтому даже незначительное улучшение или ухудшение прилипания частиц к пузырькам заметно отражается на выходе флотируемого продукта и иллюстрирует собирательное или депрессирующее действие реагента по отношению к частицам данного минерала. Возможно также оценить влияние размера частиц и размера пузырьков на результаты флотации. При соответствующей конструкции аппарата можно провести с той же навеской повторную флотацию или серию опытов с возрастающим расходом реагентов. Флотацию проводят из турбулентной среды и тем моделируют условия пенной флотации. Достоинство методики — возможность проведения исследований с весьма малыми навесками изучаемого минерала и хорошая воспроизводимость получаемых результатов.

При проведении опытов беспенной флотации в качестве флотационных реагентов используются только собиратели или собиратели и регуляторы. Вспениватель здесь не требуется, поскольку выясняется роль любого реагента изолированно. К аппаратам для беспенной флотации относятся машина Лифшица, трубка Галлимонда и ее видоизменения.

Работа на аппарате Лифшица не требует особого навыка, однако дополнительно необходимо иметь установки для создания вакуума и равномерной подачи пузырьков через капилляр.

Постановка опытов беспенной флотации несколько осложняется, если в качестве реагентов используются водонерастворимые углеводородные масла, поскольку их надо диспергировать и образующиеся капельки эмульсии механически приводить в непосредственное соприкосновение со всеми частицами навески, предназначенной для флотационного испытания. Выполнять эти операции необходимо в беспенном аппарате, чтобы исключить неконтролируемые потери реагента из-за его неизбежного размывания по стенкам вспомогательных устройств. Кроме того, имеется еще одна трудность, обусловленная плохой смачиваемостью поверхности частиц, для флотации которых применяют аполярные реагенты. Для моделирования условий, реализуемых в промышленности, необходимо, чтобы поверхность частиц перед подачей аполярных реагентов смачивалась водой. Установлено, что сухую навеску лучше всего замачивать обезгаженной водой, интенсивно поглощающей адсорбированный воздух с поверхности частиц и из имеющихся на ней глубоких щелей, а также из выходящих на поверхность пор. Это особенно важно для частиц каменного угля.

Продолжительность замачивания (1—2 ч) контролируется результатами флотации без подачи реагентов — выход флотируемых частиц должен быть практически нулевым. Если этого нет, то возможно, что на частицах остался адсорбированный воздух и операцию замачивания следует повторить. Для проверки флотационных свойств материала следует пофлотировать его частицы, полученные при мокром измельчении крупных кусков в обезгаженной воде.

Конструкции беспенных аппаратов, выполненные из стекла, для флотации материала из турбулентной среды с дробным отбором концентрата и с возвратом концентрата для повторной флотации, а также в блоке из плексигласа и снабженные термостатирующей рубашкой, разработаны и использованы В.И. Мелик-Гайказяном.

Косвенно флотируемость минералов характеризуется результатами измерения смачиваемости поверхности, времени прилипания частиц к пузырькам, сил отрыва частиц от пузырьков, адсорбции реагентов на границе раздела фаз; электрохимических и электрофизических свойств минералов, а также термодинамических исследований и так далее.

Различие в смачиваемости поверхности частиц — основа их разделения при флотации. Это различие может быть естественным и искусственно созданным посредством реагентов. Для оценки активности реагентов, их оптимального расхода, выяснения механизма действия и решения других задач разработано и применено большинство разнообразных методов определения смачиваемости поверхности, ее изменения и способов выражения результатов измерений.

Краевые углы образуются у линейной границы трех соприкасающихся фаз, измеряются в плоскости, нормальной к этой линейной границе, причем в более полярной жидкой фазе (обычно в воде), то есть так, как это показано на рис. 4.52, где нормальная плоскость совпадает с плоскостью чертежа. Обычно краевой угол обозначают буквой 0.

Для измерения краевого угла исследуемую трехфазную границу (например, пузырек) освещают параллельными лучами проходящего света. Контуры граничащих фаз можно либо проектировать на экран, где по их тени транспортиром определяют угол, либо наблюдать с помощью микроскопа, снабженного окуляром с угломерной головкой, либо фотографировать и углы измерять на негативах фотоснимков. Последний способ более кропотлив, но позволяет получать наиболее точные значения углов и, кроме того, остаются подтверждающие документы в виде фотографий исследуемого объекта.

Простое устройство (рис. 4.53), которое позволяет измерять все виды углов, состоит из прозрачной кюветы 4 с плоскопараллельными стенками, устанавливаемой на подставке, закрепленной в державке 2, с помощью которой перемещается кювета по вертикали до установления ее против центра отверстия в предметном столике 7 от поляризационного микроскопа, привинченного к вертикальной стойке 3. На столике закреплен препаратоводитель 8 с державкой 10, на горизонтальной поверхности которой снизу или сверху закрепляют образец минерала или другого твердого тела для измерения краевых углов.

К исследуемой поверхности с помощью передвижного устройства 1 на стойке 13 подводится кончик стеклянной пипетки 9 и по центру столика 7 выдавливается пузырек 5. Форма пузырька деформируется либо кончиком пипетки 9, либо наклоном державки 10 при повороте столика 7 вращением маховика 6. Если пузырек находится на оси отверстия в столике 7, то при его повороте он остается в центре кадра и изменение углов легко наблюдать и фотографировать без необходимости перемещения державки. Значения углов находят либо с помощью транспортира, закрепленного на тубусе микроскопа 11, либо по фотографиям, пелученным фотоаппаратом 12.

Краевой угол смачивания 0р входит в выражение закона Юнга. Угол 0р устанавливается при равновесии трех направленных сил — векторов поверхностного натяжения на трехфазной границе раздела. В простейшем случае плоской подложки (рис. 4.54) указанное условие равновесия имеет вид уравнений:

Для деформируемой подложки ртути уравнение дополняется еще одним членом:

Весьма часто вместо пузырька воздуха или газа используют капельку неполярного масла. В этом случае измеряют краевые углы избирательного смачивания, которые используют для классификации поверхностей на гидрофобные (90° < 0р < 180°) и гидрофильные (0° < 0р< 90°).

Характерная особенность 0р — полная независимость от размера граничащих фаз (если они не микроскопичны), их взаимного расположения и прочих факторов, не оказывающих влияния на значения о на трех границах раздела. Это обстоятельство и, в частности, инвариантность 0р по отношению к объему пузырька (капли) служит критерием при его диагностировании, то есть признаком, указывающим на истинность измеряемых значений.

Обычно краевые углы смачивания 0р на исследуемой поверхности минерала определяют с целью оценки изменений, которые происходят на ней под влиянием каких-либо реагентов или внешних физических воздействий.

Следует отметить, что существующие методики измерения краевых углов не моделируют условий закрепления частиц на свободных пузырьках, то есть условий пенной флотации. В этом их большой недостаток. Различие обусловлено тем, что, например, при измерении 0p помимо капиллярных сил прилипания и отрыва к периметру трехфазного контакта приложена гидростатическая сила отрыва, численно равная архимедовой силе пузырька, но направленная в противоположную сторону, а при пенной флотации — сила отрыва д, определяемая весом частицы в жидкости. Предпочтительнее использовать для оценки характера действия реагентов на поверхности частиц более простую и наглядную методику измерения времени прилипания частиц к пузырькам и сил отрыва исследуемых частиц от пузырьков с соблюдением соответствующих правил, а трудоемкие и кропотливые измерения 0p проводить лишь для контроля отдельных закономерностей и явлений, обнаруженных по этим и другим методикам.

В «нулевом» методе в кювете 1 (рис. 4.55, а) к шлифу минерала 2 на державке 4 подводят пузырек 3 и регистрируют, например, отсутствие прилипания его к минералу. После этого в кювету подают собиратель до концентрации, при которой происходит прилипание. Затем меняют, например, pH до тех пор, пока прилипание не прекратится. После этого можно увеличить концентрацию собирателя до возобновления акта прилипания. Продолжая опыт таким образом, можно построить линию разделения областей прилипания и неприлипания пузырька к данному минералу. При построении такой же кривой для второго минерала область между этими двумя кривыми будет соответствовать расходам реагентов, при которых можно флотацией разделить эти минералы.

Назначение контактного прибора И. Свен-Нильсона (рис. 4.55, б) состоит в том, чтобы державку 4 с пузырьком 3 на заданное время t подводить сверху к горизонтально расположенной шлифованной поверхности минерала 2, находящегося в кювете 1, заполненной раствором. Пузырек приближается к минералу в результате притяжения якоря 7 к сердечникам катушек 6 при пропускании через них электрического тока. Скорость приближения регулируют силой тока, продолжительность контакта пузырек—минерал — временем пропускания тока. Когда ток прерывается, держатель отводится вверх пластинчатой пружиной 5. Подвижная часть прибора сделана так, чтобы ее инерция была минимальной. Ход ее l регулируют микрометрическим винтом 8. Если за время контакта пузырька и минерала прилипания не произошло, то вместе с державкой от минерала отводится и пузырек. Минимальное время, необходимое для прилипания к минералу, было названо Свен-Нильсоном временем индукции и обозначено символом т.

В контактном приборе М.А. Эйгелеса (рис. 4.55, в) державка 4 с пузырьком 3 неподвижна, а кювета 1 с раствором и узким классом исследуемого минерала 2 на ее дне поднимается вверх на заданное время t с помощью электромагнита 6. Подбрасываемые вверх частицы контактируют с пузырьком. По утверждению автора, минимальное время контакта может быть на порядок меньше, чем в приборе Свен-Нильсона, то есть порядка 0,005 с. Недостаток прибора — большая инерционность подвижной его части.

Контактный прибор В. А. Глембоцкого (рис. 4.55, г) отличается от прибора Свен-Нильсона тем, что вместо шлифа используются, как и в приборе М. А. Эйгелеса, узкие классы минерала.

К недостаткам прибора можно отнести некоторое размывание слоя частиц потоком жидкости впереди движущейся вниз державки с пузырьком. Это вносит некоторую неопределенность в степень прижатия пузырька к частицам. По-видимому, используя электрическую часть прибора, измерения рационально проводить с шлифом, как в методике Свен-Нильсона.

Измерение сил отрыва исследуемой поверхности от пузырьков преследует следующие цели:

- определить влияние различных реагентов на прочность контакта частица — пузырек;

- выяснить механизм упрочнения контакта частица — пузырек и тем самым установить свойства, которыми должны для этого обладать реагенты, применяемые на практике;

- оценить изменения, которые происходят на поверхности твердого тела под влиянием реагентов.

Известны два варианта метода оценки прочности прилипания пузырька к исследуемой подложке по значению силы, которую необходимо приложить для разрушения контакта между пузырьком и подложкой.

По первому варианту измеряют силу f, необходимую для отрыва пузырька 2 (рис. 4.56), прилипшего к исследуемой подложке I, посредством отрывателя 3, подвешенного на тонкой нити 4 к коромыслу торсионных весов 5. Простота и внешняя наглядность этой методики способствовали ее распространению и совершенствованию. Однако она приводит к хорошо воспроизводимым, но неверным результатам, поскольку условия измерения противоречат условиям закрепления частиц на свободных пузырьках, когда архимедова сила пузырька не участвует в балансе сил, действующих между пузырьком и прилипшей частицей.

Второй вариант измерения сил отрыва моделирует условия закрепления частиц на свободных пузырьках. Для этого измерения проводятся так, чтобы в балансе сил, действующих между отрывателем и пузырьком, архимедова сила пузырька не участвовала.

На рис. 4.57 представлена схема одного из вариантов ячейки для измерений. Минеральную частицу 3 помещают пинцетом в легкий цанговый зажим 2, шарнирно закрепленный на подвеске 6, висящей на тонкой капроновой нити (диаметром 10—20 мкм) на коромысле торсионных весов 7. Шарнирное устройство позволяет придавать горизонтальное положение любой грани на поверхности частицы, чтобы по силе отрыва ее от «плененного пузырька» 4, «сидящего» в державке 5, оценивать изменения, которые происходят на поверхности частицы под влиянием введенных реагентов.

Частицы взвешивают в воде или в растворах реагентов, заливаемых в плоскопараллельную ячейку 1. После этого под державкой пипеткой выдувают пузырек выбранного размера, который медленно подводят поворотом маховика 8 кремальерой 9 к частице. Частицу и пузырек фотографируют до и после их контакта. Перемещая державку с пузырьком вверх и вниз и поворачивая ручку весов, измеряют действующую силу f по разности между показаниями весов в данный момент и до контакта.

Ячейка снабжена перемешивающим устройством, выполненным в виде тонкостенного шнека 11, вращающегося с заданной частотой от микродвигателя 10. Шнек помещен в цилиндрический канал, и поэтому работа его по перекачиванию жидкости весьма эффективна.

Конструкция подвески позволяет поворачивать частицу вокруг вертикальной оси почти на 360% чтобы можно было составить представление о форме контактирующей с пузырьком частицы и ее поверхности.

Наряду с регистрацией действующей силы f рационально фотографировать частицы и пузырек для последующих измерений угла 0, длины периметра и вычисления о по деформированному контуру пузырька.

Способ измерения сил отрыва имеет следующие преимущества перед методикой измерения краевых углов смачивания:

- условия измерений моделируют закрепление частиц на свободных пузырьках, то есть условия пенной флотации;

- изменения смачиваемости под влиянием реагентов регистрируются на весьма малых участках поверхности частиц по изменениям силы отрыва ее от пузырька;

- для измерений используются частицы с необработанной (нешлифованной) поверхностью;

- изменение поверхностного натяжения на поверхности пузырька не оказывает заметного влияния на силу отрыва, измеряемую в статических условиях.

Для визуальной оценки характера закрепления и распределения аполярных реагентов на поверхности частиц без их извлечения из воды используется бесконтактный метод, основанный на люминесценции флотационных реагентов.

Люминесценция реагентов возбуждается ультрафиолетовой радиацией. Малые добавки к реагенту водонерастворимых люминофоров заметно усиливают его свечение и позволяют обнаруживать на поверхности частиц под водой микроскопления реагента диаметром до 1 мкм.

Одним из достоинств метода является то, что поверхность исследуемых частиц и подложек не требует какой-то механической обработки, то есть они могут быть такими, какими получаются после измельчения или раскола крупных зерен. Все операции эксперимента можно наблюдать в микроскоп и фотографировать.

При контакте сульфидных минералов с электропроводящим водным раствором между ними возникает разность электрических потенциалов, обусловленная несимметричным распределением заряженных частиц и образованием двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Причины возникновения разности потенциалов следующие:

- неэквивалентный переход ионов металла и серы из твердой фазы в электролит;

- избирательная адсорбция заряженных частиц или полярных молекул на поверхности сульфидов;

- ориентированная адсорбция незаряженных полярных или поляризуемых частиц (молекул воды, реагентов и др.).

Очевидно, что в водных растворах и пульпах, характеризующихся сложным ионно-молекулярным составом, образование двойного электрического слоя на границе минерал — раствор обусловлено одновременно несколькими причинами. Например, адсорбция атомов растворенного кислорода на поверхности сульфидов вызывает окисление серы минерала и неэквивалентный переход катионов металла и серусодержащих анионов в раствор.

Методы исследования электрохимических свойств минералов заключаются в выявлении закономерностей изменения основных параметров двойного электрического слоя, а следовательно, и состояния поверхности минералов при изменении характеристик твердой и жидкой фаз.

Существенную информацию о состоянии поверхности минералов и фазовом составе образующихся соединений дают измерения электродных потенциалов минеральных образцов. Измерения производят непосредственно в пульпе или в специальных электрохимических ячейках.

Электродным потенциалом принято называть электродвижущую силу (э.д.с.) гальванического элемента, составленного из исследуемого электрода и стандартного водородного электрода сравнения.

Схема установки для измерения электродного потенциала минерала представлена на рис. 4.58. Подготовленный для исследований рабочий (минеральный) электрод 5 помещают в стеклянную ячейку 1 на специальном держателе со шлифом. К нижней части ячейки припаяна трубка 6, в которую вставляется хорошо пришлифованная стеклянная пробка с трубкой 3 для электрода сравнения 4. На боковой поверхности пробки имеется капиллярное отверстие (диаметр 1 мм), через которое осуществляется контакт между находящимися в ячейке исследуемым раствором и насыщенным раствором NaCl (КСl), находящимся в трубке 3 с погруженным в него электродом сравнения 4.

Шлиф трубки 3 должен быть хорошо притерт, чтобы исключить возможность попадания ионов хлора из раствора электрода сравнения в исследуемый раствор. Электрод сравнения с раствором NaCl (KCl) можно также отделить от основного раствора электрохимической ячейки электрохимическим ключом со стеклянным краном, заполненным, например, 3 M раствором NaClO4.

Для производства измерений трубку 3, наполненную насыщенным раствором NaCl (КС1), вставляют в трубку 6, предварительно смочив шлиф раствором фона. После этого укрепляют на держателях со шлифами исследуемый электрод 5 и электрод сравнения 4 (см. рис. 4.S8). Исследуемый раствор вводят в ячейку через шлиф 2. Через другой шлиф 2, припаянный к верхней части ячейки, в изучаемую систему можно вводить и выводить из нее инертный газ, кислород или реагенты. Ячейку устанавливают на магнитную мешалку, что обеспечивает возможность изучения влияния перемешивания и диффузии на электродные процессы. При необходимости электрохимическая ячейка может быть погружена в ванну термостата или подключена к термостату внешней «рубашкой» для пропускания теплоносителя. Электродный потенциал (э.д.с. элемента) измеряют компенсационным методом с помощью высокоомного потенциометра со стрелочной или цифровой индикацией.

Для комплексных измерений электродных потенциалов минералов в условиях воздействия на них различных газов и реагентов наиболее удобна электрохимическая ячейка, предложенная А.А. Абрамовым (рис. 4.59). В днище корпуса ячейки 11, изготовленном из молибденового либо обычного или органического стекла, крепятся на шлифах, резьбе или пробках минеральный электрод 17 и фильтры 18 из пористого стекла. Через них при необходимости подают воздух, кислород, азот, водород или углекислый газ после предварительной очистки от нежелательных примесей. Продуваемый газ удаляется из ячейки через патрубок 2 непосредственно в атмосферу или через растворы соответствующих поглотителей 20.

На верхней крышке корпуса ячейки крепятся (на шлифах или пробках) другие необходимые для измерений электроды 5: для определения pH — стеклянный, для измерния Eh — платиновый, для определения концентраций сульфидных и ксантогенатных ионов — соответственно сульфид-серебряный и ксантогенат-серебряный, каждый в паре с насыщенным каломельным электродом сравнения. Переключение коммуникаций в схеме измерения осуществляют с помощью кранов 1.

Исходный раствор загружают в ячейку через воронку 3, а по окончании опыта удаляют через патрубок 19 в днище корпуса ячейки. Ячейка снабжена цилиндрическим ртутным затвором 6, обеспечивающим герметизацию ее при вращении и вертикальном перемещении вала 7, верхний конец которого закреплен в электродвигателе 8. Нижний конец вала снабжен лопастями 14 для перемешивания раствора и диском 15 для снабжения свежей поверхности минерального электрода 17. Чтобы избежать загрязнения поверхности электрода, следует пользоваться дисками из керамики или пористого стекла. Для вертикального перемещения вала служит винтовое устройство 9. Необходимые реагенты подают в раствор (за счет давления газа) из бюреток 4.

Гидрофобность поверхности исследуемого электрода 17 оценивают при подаче на него потока пузырьков газа через капиллярную трубку 13, снабженную на конце пористой диафрагмой 16. Благодаря прозрачности стенок корпуса с помощью горизонтального микроскопа измеряют краевой угол закрепившегося на поверхности электрода пузырька. Капиллярную трубку 13 можно повернуть вокруг оси на небольшой угол, так как она закреплена в трубке 12 корпуса с помощью мягкого резинового шланга 10.

Такая конструкция ячейки позволяет:

- изучать влияние газовой среды на состояние поверхности минерала путем сравнения ф-потенциалов свежеобнаженной и окисленной поверхности;

- следить за изменением состояния (концентрации) загружаемых в раствор реагентов;

- выяснить характер взаимодействия загружаемого реагента с поверхностью минерала при различной степени ее окисления;

- оценить изменение степени гидрофобности поверхности минерала под действием загружаемого реагента (измерением краевого угла).

Для измерений исследуемый (минеральный) электрод изготавливают из образца чистого минерала в форме параллелепипеда или цилиндра размером 5x10 мм, запаянного в стеклянный или фторопластовый держатель. Одна из сторон образца смочена электролитом, а на другую нанесен омический контакт. Омические контакты монтажного провода на минеральных образцах закрепляют, вплавляя индий или галлий, электрохимическим покрытием медью, смачивая капелькой ртути и т.д.

Обычно для исследований алмазным диском выпиливают из одного массивного образца минерала несколько параллелепипедов. По обоим торцам изготавливают два одинаковых контакта и снимают вольтамперную характеристику системы, по которой судят о качестве контактов, отсутствии выпрямления и запорного слоя. После этого образцы разрезают алмазным диском пополам и запаивают в тефлоновый держатель, получая два рабочих электрода.

Перед опытами исследуемый электрод зачищают стеклянным порошком, промывают этиловым спиртом и водой, а затем удаляют слой с нарушенной структурой кристаллической решетки электрохимической полировкой в подходящем электролите и снова тщательно промывают.

Для измерений используют несколько (3—4) подготовленных таким образом электродов, исходные значения потенциалов у которых отличаются не более чем на 0,5 мВ. За электродный потенциал исследуемого образца принимают среднее значение потенциала трех параллельных измерений.

Определение значений электрокинетического потенциала (дзета-потенциал, e-потенциал) минералов в различных условиях позволяет уточнить информацию о состоянии их поверхности, условиях и характере адсорбции реагентов, обмене ионов при адсорбции, месте локализации адсорбированных ионов или молекул реагента в пределах двойного электрического слоя, а также объяснить закономерности образования на минералах шламовых покрытий.

Методы измерения e-потенциала минералов основаны на измерении скачка потенциала, возникающего при движении частиц и жидкости относительно друг друга, или скорости их перемещения под действием приложенной внешней электродвижущей силы. Причина наблюдаемых явлений в обоих случаях — смещение ионов диффузной части двойного электрического слоя по гидравлической плоскости скольжения, практически совпадающей с границей между слоями Штерна и Гюи.

Электродвижущая сила, возникающая при движении жидкости относительно твердых частиц, получила название потенциала протекания, а при движении частиц в жидкости — потенциала седиментации. Движение частиц в жидкости под действием приложенной извне электродвижущей силы, в свою очередь, получило название электрофореза, а перемещение жидкости относительно твердых частиц — электроосмоса. Наиболее простой по аппаратурному оформлению метод измерения е-потенциала — электроосмос, наиболее точный — метод потенциала протекания.

Наиболее подробно методы исследования электрохимических и электрофизических свойств минералов изложены в монографии авторов: В.И. Meлик-Гайказяна, А.А. Абрамова, Ю.Б. Рубинштейна и др.

Основная задача термодинамических расчетов при изучении флотируемости минерала — количественное выражение соотношения концентраций реагентов, которое необходимо поддерживать в пульпе, чтобы обеспечить граничные условия невозможности или возможности протекания реакции образования на поверхности данного минерала того или иного соединения. Основой для рассмотрения как равновесных отношений между концентрациями реагентов ионной и молекулярной форм в растворе, так и термодинамически возможных реакций на поверхности минералов служат: уравнение константы равновесия; зависимость между стандартной свободной энергией реакции и ее константой равновесия или стандартным электродным потенциалом; зависимость между измеренным потенциалом реакции, стандартным потенциалом и константой реакции.

Термодинамика как метод исследования имеет ограничения. Так, в общем случае из полученных данных нельзя делать выводы о физикохимии флотационного процесса, хотя применение химической термодинамики совместно с другими методами исследования позволяет глубже разобраться в сущности протекаемого процесса и оценить при этом роль наблюдаемых химических превращений. Результаты термодинамических исследований действия реагентов, как правило, следует сравнивать с экспериментальными данными. Необходимость контроля результатов термодинамических расчетов обусловлена тем, что только отрицательный ответ (невозможность протекания реакции) является бесспорным, убыль свободной энергии при процессе — необходимое, но недостаточное условие для его протекания.

Термодинамический анализ флотационных систем, по сути, является их физико-химическим моделированием, конечная цель которого — получение количественной детерминированной модели процесса. В настоящее время с его помощью могут быть успешно решены следующие задачи и проблемы:

- моделирование состояния реагентов в жидкой фазе флотационных пульп, что позволяет провести достоверный анализ механизма влияния различных форм собирателя и реагентов-модификаторов на флотируемость минералов, наметить наиболее перспективные пути эффективного использования реагентов при флотации;

- моделирование состояния поверхности минералов, что позволяет достоверно проанализировать процесс их активации, депрессии и взаимоактивации, а также механизм действия реагентов при флотации;

- моделирование механизма действия реагентов в процессах селективной флотации и разработка их детерминированной модели, которая может быть использована в качестве задания функциональным блокам систем автоматизации.

При этом моделирование позволяет отбросить ошибочные гипотезы, оценить роль форм сорбции собирателей, влияние заряда и других электрофизических характеристик поверхности, а также окислительно-восстановительных реакций, получить количественные зависимости и наметить научно обоснованные направления дальнейшего совершенствования и оптимизации процессов селективной флотации.

К настоящему времени проведено достаточно много исследований по изучению флотируемости различных минералов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна