CC BY
55
© В.Е. Вигдергауз, М.В. Панова, 2002
УДК 622.765
В.Е. Вигдергауз, М.В. Панова
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СУЛЬФИДНЫХ МИНЕРАЛОВ В НЕЙТРАЛЬНОЙ СРЕДЕ
С
елективность разделения минералов флотацией определяют поверхностные силы, обуславливающие взаимодействие пузырек-частица. Важнейшей для флотационного процесса характеристикой поверхности является смачиваемость, обычно оцениваемая по величине краевого угла.
Элементарный акт сульфидной флотации происходит в неравновесных условиях. Попытки практического использования величин свободных поверхностных энергий и краевых углов смачивания оказались малопродуктивными для прогноза флотируемости. Во-первых, невозможно создание идеальной поверхности.
Связь краевого угла смачивания с величинами поверхностного натяжения на границах раздела фаз описывает уравнение капиллярности Юнга [1]:
°sl ~°sv + alv ■cos в = 0, (1)
Уравнение базируется на законах термодинамики. Поэтому для его применения поверхность должна быть идеальной, т.е. химически гомогенной, твердой и плоской, причем эта поверхность не должна изменяться в результате химических взаимодействий или адсорбции. В экспериментах такие условия невыполнимы.
Во-вторых, при экспериментально измеряемых краевых углах практически во всех случаях наблюдается разница углов натекания и оттекания, т.е. гистерезис. Для реальных поверхностей обычно наблюдается гистерезис около 10° и более [2].
В процессе сульфидной флотации неравновесны все три фазы и межфазные границы раздела. В результате непрерывного окисления сульфидов, сорбции на их поверхности реагентов модификаторов и собирателей изменяется состав твердой фазы и поверхности; в результате тех же процессов, а также растворения и гидролиза реагентов, ионных взаимодействий изменяется состав жидкой фазы, в результате катодной реакции восстановления кислорода, сопутствующей окислению сульфидных минералов и тиоловых собирателей, изменяется состав газовой фазы. Реакции эти протекают непрерывно и с различной скоро-стьюС.ложность и многообразие физико-химических процессов, сопровождающих элементарный акт сульфидной флотации, затрудняют получение количественных закономерностей. Необходимо установление комплексных физико-химических параметров системы, которые бы адекватно реагировали на изменение условий флотации и были бы воспроизводимы.
Для оценки изменения смачиваемости минералов в условиях флотации перспективно измерение силы отрыва пузырька воздуха от шлифа минерала [3, 4]. Пузырек воздуха в экспериментах, описываемых в данной работе, находится над поверхностью минерала, погруженного в водный раствор реагента, поскольку, по данным Ребиндера [5], получаемые в таких условиях изотермы смачивания близки к равновесным.
Исследования, предложенные к рассмотрению, являются продолжением ряда работ [4, 6, 7] по изучению смачиваемости сульфидных минералов в условиях электрохимического воздействия.
В качестве объектов исследования использовались сульфидные минералы: халькопирит, галенит, пирит. Потенциал минералов задавали и поддерживали с помощью потенциостата П-5848. Электрохимическая ячейка для измерения силы отрыва пузырька воздуха содержала три электрода: сравнения - хлорсеребряный, вспомогательный - платиновый и рабочий - минеральный. Образцы минералов в виде дисков диаметром 5^7 мм запрессованы в тефлоновые держатели с токоподводом. Рабочую поверхность минеральных электродов полировали непосредственно перед экспериментом и промывали дистиллированной водой. Закрепленный с помощью шприца на держателе пузырек воздуха диаметром 2,5 мм подводился к поверхности минерала. После формирования трехфазного периметра контакта пузырек отрывали с помощью торзионных весов. Для повышения гидрофоб-ности минералов использовались коммерческие ксантогена-ты калия - этиловый, бутиловый, амиловый и гексиловый. Измерения проводились в фосфатном буферном растворе (рН 6,86) при концентрации собирателя 50 мг/л.
На рис. 1 показано влияние потенциала поляризации на смачиваемость халькопирита, пирита и галенита при использовании бутилового ксантогената калия.
Характер зависимостей показывает преимущественное закрепление пузырька в катодной области потенциалов на галените и в анодной области потенциалов на халькопирите и пирите.
Следует отметить, что для галенита устойчивое прилипание наблюдается в области потенциалов термодинамической стабильности сульфида свинца. Увеличение анодной поляризации всего лишь на 0,1 ^0,2 В приводит к резкому снижению силы отрыва и прекращению прилипания. Это явление было отмечено не только в условиях нейтральной среды, но и в слабощелочной среде (рН 9,18) [7].
Быстрое снижение флотируемости при потенциале выше 0,1В В. Трагар объясняет возможным распадом ксанто-гената свинца по реакции [8]:
РЬХ 2 + 2Н 2О = НРЪО~+ X 2 + 3Н + + 2е, (2)
Рис. 1. Изменение силы отрыва воздушного пузырька от поверхности минерала в условиях электрохимической поляризации при использовании бутилового ксантогената:
1 - халькопирит, 2 - галенит, 3 - пирит, а также в отсутствие реагента: 4 - халькопирит, 5 - галенит, 6 - пирит
Рис. 2. Влияние длины углеводородного радикала ксантогената на величину силы отрыва
Однако в ходе проведенных экспериментов было обнаружено, что сила отрыва воздушного пузырька стремится к нулю при этом потенциале и без собирателя (см. рис. 1), т.е. нельзя утверждать определенно, какие соединения на поверхности галенита делают его гидрофобным.
Последние данные по составу поверхностного слоя и флотируемости галенита в условиях облучения его ускоренными электронами показали тесную взаимосвязь флотируе-мости с количеством элементарной серы на поверхности [9]; причем это количество в молях соизмеримо или превосходит количество ксантогената свинца.
В ходе проведенных экспериментов в нейтральной среде (рН=6,86) прилипания пузырька воздуха к свежеобнаженной необработанной собирателем поверхности пирита не установлено. При этом значении рН среды велика роль гидроксида железа II в гидролизации поверхности [4].
В представленной работе проведено изучение влияния длины углеводородного радикала ксантогената на изменение силы отрыва воздушного пузырька от поверхности сульфидов в условиях электрохимической поляризации (рис. 2).
В отличие от щелочной среды, где, как показали исследования [7], происходит монотонное увеличение силы отрыва с ростом длины углеводородного радикала, в условиях нейтральной среды подобного эффекта не наблюдалось. Среднее значение силы отрыва воздушного пузырька в области устойчивого прилипания для сульфидов свинца, меди и железа резко возрастает при переходе от этилового к бутиловому ксантогенату. Обработка минеральной поверхности растворами высших ксантоге-натов - амилового и гексилового - дальнейшего существенного роста силы отрыва не обеспечила.
Сопоставление результатов исследований по изучению гидрофобности поверхности сульфидов в условиях нейтральной и слабощелочной среды [6, 7] выявляет некоторый рост значений силы отрыва воздушного пузырька при увеличении щелочности водной фазы. Прирост силы отрыва в определенной степени характерен для всех рассмотренных сульфидов, и с увеличением длины углеводородного радикала используемого ксантогената прирост становится более ощутимым. В табл. 1 представлены величины прироста силы отрыва в соответствующей каждому сульфиду области преимущественного закрепления воздушного пузырька на минеральной подложке.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2001» СЕМИНАР № 23
Рис. 3. Катодные части кривых измерения силы отрыва воздушного пузырька в условиях электрохимической поляризации при рН=6,86 в присутствии бутилового (а) и амилового (б) ксантогенатов калия
Приемлемое объяснение этого факта вытекает при рассмотрении влияния рН на характер и закономерности действия собирателя при флотации сульфидов меди, железа и свинца. В исследованиях А.А. Абрамова [11] обнаружено, что с увеличением значения рН среды от 6 до 12 на фоне снижения общей сорбции собирателя (бутиловый ксантогенат калия) наблюдается рост доли химически закрепившегося ксанто-гената (0, % от общей плотности сорбции ксантогената). Так, с увеличением щелочности среды от рН=7 до рН=9 в случае халькопирита 0 возросла на 15 %, в случае галенита на 18 %, в случае пирита на 20 %. Эти данные коррелируют с изменением прироста значений силы отрыва при изменении величины рН: максимальный прирост наблюдается для сульфида железа, минимальный - для сульфида меди (см. табл. 1).
В ходе исследований установлены граничные значения по-Таблица 1
ЗНАЧЕНИЕ ПРИРОСТА СИЛЫ ОТРЫВА А Foтp, (дин)
ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ рН СРЕДЫ С 6,86 до 9,18
Минерал Ксантогенат
бутиловый амиловый гексиловый
Халькопирит 1,0 3,0 5,5
Галенит 5,5 7,0 10,5
Пирит 9,5 8,0 11,8
Таблица 2
ГРАНИЧНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ СМАЧИВАЕМОСТИ СУЛЬФИДОВ
тенциалов смачиваемости сульфидов в растворах различных ксантогенатов (табл. 2, рис. 3).
Использование бутилового ксантогената в сравнении с высшими позволяет вести более глубокую анодную поляризацию для халькопирита и пирита, и более глубокую катодную поляризацию для галенита.
Изменение абсолютных значений катодных граничных потенциалов галенита, халькопирита, пирита коррелирует с изменением величины бесточного потенциала этих сульфидов в классификации Аллисона [12].
Сопоставление полученных результатов с данными аналогичных исследований в условиях слабощелочной среды
[6, 7] показало, что с увеличением щелочности среды происходит расширение области потенциалов поляризации, где возможно прилипание воздушного пузырька к минеральной поверхности, для всех рассмотренных сульфидов в присутствии соответствующих ксантогенатов. Исключение составил случай использования для обработки поверхности сульфидных минералов бутилового ксантогената. В этом случае изменение рН водной фазы системы практически не повлияло на величину значений потенциалов смачиваемости (см. табл. 2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Young T. // Trans. R. Soc. - 1805. -
V. 95.
2. Folkers J.P., Laibimis P.E., Whitesides GM. Self-assembled monolayers of alkanthiols on gold: the adsorption and wetting properties of monolayers derived from components with alkane chains of different lengths // J. Adhesion Sci. Tech-nol. - 1992. - V. 6, N.12.
3. Мелик-Гайказян В.И., Абрамов А.А., Рубинштейн Ю.Б. и др. Методы исследования флотационного процесса. - М.: Недра, 1990.
4. Чантурия ВА., Вигдергауз В.Е. Электрохимия сульфидов: Теория и практика флотации. - М.: Наука, 1993.
5. Ребиндер ПА. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная
химия. Избранные труды. - М.: Наука, 1978.
6. Чантурия ВА., Вигдергауз В.Е., Недосекина Т.В., Панова М.В., Громова Н.К. Электрохимическое исследование смачиваемости сульфидных минералов в условиях флотации: пирит, пирротин, арсенопирит. // ФТПРПИ - 1997. - № 3.
7. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е., Недосекина Т.В. Электрохимическое исследование смачиваемости сульфидных минералов в условиях флотации. I: Галенит и сульфиды меди. // ФТПРПИ - 1996. - № 1.
8. Trahar W.J. The influence of pulp potential in sulphide flotation. // Principles of mineral flotation. - Parkville: AIMM, 1984.
9. Richardson P.E., Stout J.V., Proctor C.L. Electrochemical flotation of sulfides. Chal-
cocite -cthyl - xanthate interactions // Intern. J. Miner. Process. - 1984. - V.12.
10. Абрамов АА. Технология обогащения руд цветных металлов. М.: Недра, 1983.
11. Абрамов АА. Теоретические основы оптимизации селективной флотации сульфидных руд. -М.: Недра, 1978.
12. Allison SA., Goold LA., Nicol M.J., Granvill A., 1972, Metallurg Trans 3: 2613.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------
Вигдергауз В.Е. - доктор технических наук, ИПКОН РАН. Панова М.В. - младший научный сотрудник, ИПКОН РАН.
© В.Е. Вигдергауз, Э.А. Трофимова, Л.М. Саркисова, Б.А. Кутлин,
Н.Д. Щекотов, 2002
УДК 622.765
В.Е. Вигдергауз, Э.А. Трофимова, Л.М. Саркисова, Б.А. Кутлин, Н.Д. Щекотов НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ФЛОТАЦИЯ ФЛЮОРИТА ЭМУЛЬСИЕЙ КАРБОКСИЛЬНОГО СОБИРАТЕЛЯ
условиях флотации несульфидных руд температура пульпы является одним из важнейших факторов, определяющих дисперсность, а, следовательно, и эффективность флотационного действия карбоксильных собирателей. Вследствие малой растворимости в воде высшие жирные кислоты и их мыла находятся в пульпе в грубодисперсном состоянии (в виде крупных капель или мицелл). Это значительно снижает их флотационную активность, требует повышения расхода собирателя, что может
