Физико-химические основы флотации

28.11.2019

Свойства поверхности минералов являются одним из основных факторов, определяющих эффективность флотации. В процессах дробления и тонкого измельчения происходит разрушение кусков руды (твердого тела) и разрыв связей между молекулами, атомами или ионами, т. е. на поверхности вновь образованных частиц возникают ненасыщенные химические связи. В результате появляется возможность взаимодействия молекул жидкости с твердой поверхностью. Величина энергии взаимодействия определяется характером этих связей. Если при раскалывании минерала на его поверхности появляются сильные связи (ионные, металлические или некомпенсированные ковалентные), то минерал хорошо смачивается водой, т. о. его поверхность гидрофильна. При образовании на поверхности минерала слабых молекулярных или сильных, но взаимокомпенсированных ковалентных связей, минерал плохо смачивается водой, т. е. его поверхность гидрофобна.

Так как в процессе флотации закрепление частицы минерала на поверхности воздушного пузырька происходит самопроизвольно, а по законам физики это может быть только в случае уменьшения свободной энергия системы, то закрепление частицы на пузырьке происходит с уменьшением свободной поверхностной энергии. Убыль свободной поверхностной энергии, отнесенной к единице вновь образованной поверхности раздела фаз твердое тело — газ AF определяется уравнением
Физико-химические основы флотации

где ож.г — свободная поверхностная энергия единицы поверхности раздела фаз жидкость — газ;

Sж.г и S'ж.г — площади поверхности раздела фаз жидкость — газ до и после закрепления твердой поверхности на пузырьке;

Sт.г — площадь поверхности раздела фаз твердое тело — газ;

0 — краевой угол смачивания, определяемый уравнением

где от.г, от.ж — свободные поверхностные энергии единицы поверхностей раздела фаз соответственно твердое тело — газ и твердое тело — жидкость.

В связи с тем что размер флотируемых частиц мал по сравнению с диаметром воздушного пузырька, cos 0 = 1 и уравнение убыли свободной поверхностной энергии приобретает вид

При этом AF выражает максимальную работу, которую может совершить система при вытеснении воздухом жидкости с единицы поверхности твердого тела. Анализ уравнения показывает, что если 0 > 0, то и AF > 0, т. е. прилипание частицы к пузырьку, а следовательно, и флотация — возможны.

Однако при измельчении минералов не всегда получается гидрофобная поверхность. В этом случае для осуществления флотации пульпу обрабатывают различными поверхностно-активными веществами — флотационными реагентами. Закрепление реагентов на минеральных поверхностях, а также на поверхностях воздушных пузырьков происходит в результате адсорбции, вид которой зависит от природы сил, характерных для данной поверхности.

Различают два вида адсорбции — хемосорбцию и физическую адсорбцию. Хемосорбция ионов или молекул имеет место тогда, когда происходит образование поверхностных химических соединений, т. е. когда происходит перестройка электронных оболочек связывающихся атомов. Для физической адсорбции характерно проявление сил межмолекулярного притяжения (сил Ван-дер-Ваальса). Это притяжение молекул обычно вызывается:

- ориентационным взаимодействием постоянных диполей, если они имеются в этих молекулах;

- индукционным взаимодействием, вызванным притяжением между постоянными диполями и молекулами с индуцированными диполями, т. е. возникшими под влиянием постоянных диполей;

- дисперсионным взаимодействием, обусловленным притяжением между мгновенными диполями, образующимися в результате мгновенной асимметрии расположения электронов ядра при их вращении. Физическая адсорбция не связана с электронными процессами, характерными для хемосорбции.

Эффективность обработки минеральной поверхности флотационными реагентами определяется скоростью и прочностью прикрепления частиц к воздушному пузырьку. Прочность закрепления выражается величиной краевого угла смачивания (рис. 97). Линия соприкосновения пузырька с минеральной поверхностью называется трехфазным периметром смачивания, так как в точках этой линии соприкасаются три фазы: твердая (минеральная частица), жидкая (вода) и газообразная (воздушный пузырек). Силы, действующие на трехфазный периметр смачивания, условно называются «флотационными силами»:

Физический смысл в заключается в определении размера и знака флотационной силы.

Закрепление пузырька на минеральной поверхности происходит следующим образом. Сначала при сближении частицы с пузырьком прослойка воды между ними уменьшается без изменения свободной энергии системы под действием инерционных сил движения частицы и пузырька. При уменьшении толщины водной прослойки примерно до 10в-5 см возникают силы отталкивания, обусловленные наличной молекулярного сцепления диполей воды с поверхностями сближаемых фаз. Сила, противодействующая дальнейшему сближению, называется расклинивающим давлением. По мере уменьшения толщины прослойки до 10в-8 см избыток свободной энергии сближающихся поверхностей быстро уменьшается и величина расклинивающего давления сначала снижается до нуля, а затем становится отрицательной величиной, т. е. силы сцепления частицы с пузырьком начинают преобладать над силами отталкивания. При этом водная прослойка между ними самопроизвольно утоньшается и разрывается. Остаточная прослойка (гидратный слой) имеет молекулярные размеры и является термодинамически устойчивой, соответствуя минимуму свободной энергии системы.

В процессе флотации под действием различных сил происходит движение закрепившегося на частице воздушного пузырька по ее поверхности. Замедленно этого передвижения, т.е. передвижения трехфазного периметра смачивания по твердой поверхности, называется гистерезисом смачивания. Величина гистерезиса смачивания зависит от:

- порядка смачивания, т. с. происходит ли вытеснение с твердой поверхности воды воздухом или воздуха водой;

- абсолютной скорости перемещения пузырька по твердой поверхности;

- адсорбции на поверхности флотационных реагентов;

- шероховатости поверхности.

Возникновение гистерезиса связано с тем, что для образования трехфазной границы смачивания, или, другими словами, закрепления воздушного пузырька на твердой поверхности, не обязательно полное удаление с нее жидкости. Чем хуже смачиваемость поверхности минерала водой, тем тоньше слой неудаляемой воды, прочнее связи диполей ее с твердой поверхностью и больше гистерезис смачивания. В этом случае увеличение гистерезиса смачивания свидетельствует о лучшем прилипании воздушных пузырьков к минеральным поверхностям. Однако увеличение гистерезиса смачивания за счет шероховатости поверхности и сохранения воды во впадинах может ухудшить условия слипания пузырька с минералом и улучшить условия отрыва друг от друга.

Элементарный акт флотации — образование агрегата воздушный пузырек — минеральная частица происходит следующим образом.

Воздушные пузырьки, образующиеся в результате дробления лопатками импеллера засасываемого в флотационную машину воздуха, поднимаются вверх и по пути сталкиваются с взвешенными в пульпе минеральными частицами. При этом одни частицы прилипают, другие не прилипают к поверхности пузырьков, так как между моментом сталкивания и моментом слипания частицы с пузырьком имеется определенный промежуток времени, называемый индукционным периодом. Возникновение индукционного периода объясняется тем, что до момента слипания с поверхности минерала должна быть удалена разделяющая частицу и пузырек пленка жидкости. Поэтому индукционный период имеет место всегда, даже тогда, когда поверхность обработана реагентом-собирателем и максимально гидрофобна. Индукционный период состоит из трех стадий: уменьшения толщины слоя жидкости между минералом и пузырьком, разрыва жидкой пленки на поверхности минерала в какой-либо точке и распространения воздуха по остальной поверхности, т. е. удаления с нее воды.

Продолжительность индукционного периода не превышает видимого времени соприкосновения и колеблется в пределах от одной тысячной до нескольких сотых секунды.

После распространения воздуха по поверхности частицы пузырек закрепляется на ней по периметру смачивания и завершается процесс образования агрегата воздушный пузырек — минеральная частица.

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