Гидрофобная флокуляция: ее связь с селективностью процесса в условиях несульфидной флотационной системы Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 622.725 А.В. Курков

ГИДРОФОБНАЯ ФЛОКУЛЯЦИЯ:

ЕЕ СВЯЗЬ С СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ ПРОЦЕССА В УСЛОВИЯХ НЕСУЛЬФИДНОЙ ФЛОТАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Семинар № 24

дним из направлений совершенствования селективной флотации комплексных руд является использование эффекта селективной флокуляции, исследование которого были начаты П. А. Ребиндером [1]. Позднее было показано, что, хотя флокуляция и не является обязательным условием флотации, она существенно влияет на скорость и селективность этого процесса, особенно в случае тонкодисперсных частиц [2, 3]. В последнее десятилетие возрастает интерес к процессу гидрофобной флокуляции, как методу разделения очень тонких минеральных частиц [4]. Такие процессы включают диспергирование, селективную гидрофоби-зацию и гидрофобную флокуляцию извлекаемых тонких частиц с последующим механическим отделением флокул от диспергированных частиц пустой породы.

На наш взгляд большой интерес для более глубокого понимания флотационного процесса и повышения его эффективности имеет гидрофобная флокуляция, возникающая под влиянием ге-терополярных и аполярных поверхностно-активных веществ в традиционной флотационной системе. Так, для повышения эффективности флотационных процессов самого широкого круга руд нами было предложено использовать в сочетании с основными собирателями

различных классов реагенты вторичного действия [5], в том числе высшие алифатические изоспирты. Высокая флотационная эффективность предложенных сочетаний и связь с флокуляционными явлениями для таких систем подтверждена работами ряда исследователей [6, 7]. Сравнивая результаты опытов по флотации и изменению агрегативной устойчивости, можно сделать вывод, о том, что между ними существует прямая зависимость - высокому извлечению минерала в условиях селективной флотации соответствует высокая степень его флокуляции. Это закономерно, поскольку и гидрофобная флокуляция, и флотация являются следствием снижения потенциального барьера на границе скольжения частица - жидкость. Прямыми измерениями показано, что гидрофобные силы, возникающие между гидрофобными поверхностями частиц в водных растворах, на 1-2 порядка выше сил ДЛФО [8, 9]. Это требует изучения влияния такого взаимодействия на флотационную систему. Для данных систем весьма важно установить связь условий селективного флотационного разделения минералов с флокуляционными явлениями в пульпе, возникающими под воздействием поверхностно-активных

веществ.

2. Методика измерений

Измерения проводили на приборе-анализаторе" Седиграф 5000 Б" фирмы М1сгошегШс8 (США) для определения гранулометрического состава порошкообразных продуктов. Анализатор измеряет скорость седиментации частиц, диспергированных в жидкости, и автоматически представляет эти данные в виде комулятивной кривой распределения по размерам (масс. %), выраженным в виде эквивалентного сферического диаметра (мкм).

Прибор определяет с помощью тонко коллимированного (0,05 мм) пучка рентгеновских лучей концентрацию частиц, оставшихся на определенной уменьшившейся глубине седиментации во времени. Чтобы снизить время, требуемое для проведения анализа, положение седиментационной ячейки объемом 2,35 см3 непрерывно меняется таким образом, что эффективная глубина седиментации сохраняется обратно пропорциональной времени, прошедшему с начала эксперимента. Движение ячейки синхронизировано с осью "х" "х-у"-регистратора. Таким образом, эквивалентный сферический диаметр соответствует времени, прошедшему с начала опыта, и мгновенной глубине седи-

ментации. Определяемый размер - от 0,1 до 100 мкм - представлен на шкале в логарифмическом масштабе.

Для создания гомогенной суспензии часто применяется встроенная в прибор магнитная мешалка. Перемешивание, приводящее к приложению к частице сильных сил сдвига, способствует диспергированию.

Ошибка измерения размеров частиц на приборе-анализаторе "Седиграф 5000 Б" минимальная, что обусловлено тщательной продуманностью конструкции прибора, и составляет менее 1,5 %. К прибору приложен эталонный порошок,

позволяющий регулярно проводить калибровку прибора.

3. Результаты исследований и обсуждение

3.1 Гранитный минеральный комплекс - сильнокислая среда

На этом этапе исследований использовали минералы гранитного комплекса: колумбит, касситерит, топаз, кварц, альбит и флотационные реагенты, применяемые в доводочном цикле флотации с целью получения коллективного Та-ЫЪ-Бп концентрата: комплексообразующие собиратели - реагент ИМ-50 (гидрокса-мовые кислоты) и аспарал-Ф (сульфо-сукцинамат), а также их сочетание при соотношении 4:1. Эта флотационная система представляется достаточно селективной для выделения минералов тантала и олова.

Данные распределения частиц по крупности в сильнокислой среде (рН

0,8) и концентрации собирателей, отвечающих условиям наиболее селективной флотации пирохлора, колумбита и касситерита из данного типа руд представлены на рис. 1 и 2. Из данных рис. 1 следует, что собиратели оказывают слабое воздействие на дисперсность колумбита в сильнокислой среде, в то время, как сочетание собирателей вызывает заметную флокуляцию частиц во всем диапазоне крупности (кривые 1-4).

Собиратели вызывают заметную флокуляцию относительно тонких частиц касситерита (-20 мкм) (рис. 2). При этом эффект максимальной флокуляции наблюдается после обработки касситерита сочетанием собирателей. Таким образом, в сильнокислой среде наибольший эффект гидрофобной флокуляции частиц колумбита и касситерита имеет место в случае использования сочетания реагента ИМ-50 и аспарала-Ф, обеспечивающего лучшие показатели

100

Рис. 1. Распределение частифОолумбита по крупности: 1- в дистиллированной воде при pH 0.8, 2 - то же после обработки минерала раствором ИМ-50 400 мг/л, 3 - при pH 0.8 после обработки минерала раствором АспаратаЗФ 100 мг/л, 4 - при pH 0.8 после последовательной обработки минерала растворами ИМ-50 я^спарала-Ф в соотношении 4:1 ,

ч 70

Рис. 2. Распределение чаащщ касситерита по крупности: обозначения по рис £ 60 “

флотации этих минсргшов из реальной руды (см. рис. 3). I 50

На рис. 4-7 представлю распределение частиц минерале^ пустой породы в выше названных услс^и^

Из данных рис. 4-7 следует, что все минералы пустой породйО находятся в агрегированном состоянии уже в дистиллированной воде при 0,8 (кривые 1). Собиратели в этих усх^рвиях в зависимости от их типа и сочсд^ни^ддетству ют на данные минералы либо как флокулянты, либо как диспергаторы.

Диспергирующее действие на частицы топаза наблюдается в наибольшей степени при небольшой концентрации аспарала-Ф и при использовании сочетания собирателей (рис. 4, кривые 3 и 4).

Отдельно взятый собиратель ИМ-50 вызывает флокулирующее действие на частицы топаза во всем диапазоне крупности.

Взятые отдельно собиратели вызывают едва заметную флокуляцию частиц альбита, а сочетанием собирателей - небольшое диспергирование (рис. 5). На частицы кварца аспарал-Ф оказывает заметное флокулирующее воздействие, в то время как ИМ-50 и сочетание соби-

рателеи в диапазоне крудности частиц тоньше 25 мкм - диспергирующее действие (рис. 6, кривая 4). 4

В соответствующих условиях флотации в сильнокислой среде минералы пустой породы, тонкие частицы которых (тоньше 20-30 мкм) испытывают диспергирующее действие, эффективно де-прессируются, а ценные минералы, испытывающие флокулирующее действие, эффективно (^лотдеукуся.-з Усиление этого различия должно способствовать

Ч|*(МЩии.

Так, введение в процесс доводки сильного диспергатора - полифосфата натрия после того, как гидрофобный слой на поверхности ценных минералов уже сформирован, существенно улучшает селективность флотационной доводки в сильнокислой среде (см. рис. 7).

3.2 . Пегматитовый минеральный комплекс - щелочная среда

На данном этапе исследований использовали минералы пегматитового комплекса: сподумен, берилл, микроклин, кварц и флотационные реагенты, применяемые для основной флотации сподумена и берилла: едкий натр, сода, бикарбонат натрия, талловое мас-

Рис. 3. Зависимость содерзшшиіМ№1 и извлечения (2) тантала в концентрат от расхода собирателя: исходные ус:іо/іиі&>і)ІІ (№, расход И&1-50 1,2 кг/т, полифосфат натрия (ПФ) после подачи собирателей 20 кг/т - 2

0) „р.

Рис. 4. Распределение част^ топаза по крупности: обозначения по рис. 1

к

\\\

V- I

\\\

\

0/ 0,2 0 ,3 0,4

Рис. 5. Распределение частиц альбита по крупности: обозна*1ё^э(25б©д аспарала-Рис. 6. Распределение частиц кварца по крупности: обозначения по рис. 1

ло лиственной древесины (ТМЛД) и алифатические изоспирты фракции С12 -С16 (ИС). Данная флотационная система не является высокоселективной. В этих условиях эффективно флотируются сподумен и берилл при умеренном депрессировании кварца и микроклина.

На рис. 8 приведены результаты распределения по крупности чаетад сподумена после обработки в различных ус-

373

90 80

сі 70 о

X £ 60

.а

X

о.

ш

50

ловиях при pH 9,5, близком к оптимуму сорбции ТМЛД на его поверхности. За исходное состояние принято распределение частиц по крупности при рН 9,5 в дистиллированной воде (кривая 1). Дальнейшая обработка поверхности сподумена собирателем (ТМЛД) приводит к сильному агрегированию частиц сподумена во всем диапазоне крупности, в том числе и самых крупных (крупнее 50 мкм) (рис. 8, кривая 2). По-

4

1

3

2

0,5 0,6 Ф, кг/т

/ —■

\

\

—

" / " < )П М Ш я

Рис. 7. Зависимость содержания (1) и извлечения (2) тантала в концентрат от расхода полифосфата натрия: исходные условия - рН 0.8, расход ИМ-50 1,2 кг/т, расход аспарала-Ф 0,3 кг/т, полифосфат натрия (ПФ) после подачи собирателей

Рис. Х1Швгщрдёешике>шшшц{сш^ц№(^1щ^шш№М1Я(елцв1штщ1е«Ьредёо'Щг^вишшщшш&1а

вода pH 9.5, 2 - обработка минерала ^01 натром и отмывка, обработка раствором соды и бикар-Вш&п1&\1{(рт1ШИ!лш1пв\ ЛМй\1Щ^ШщЬкй141а&шащщ111шшитмщеттт1рижр1е№:\1&а!№ш'£т\л по

рис. 8 О

Рис. 9. Распределение частиц берилЛкрупноспш в щелочной среде: обозначения по рис. 8.

видимому, это связано с в&йшиЗАенй-ем эффекта гидрофобной флокуляц^ в системе. Введение небольшого количества вспомогательного собирателя ИС усиливает этот эффект в области тонких и тончайших частиц (кривая 3). Последнее состояние системы ота©чает условиям оптимальной флотации сподумена (рис. 10, кривая 2). Гидродгооная флокуляция шламовых час^ц^^ ^тоньше 20 мкм) сподумена весьма желательное явление, так как сводит ё^рюшмуму флотационные потери с т(Щкими фракциями. .£60

Обработка берилла собирателем вызывает ярфу выражегрф^ффек^флощ^ 20 8Ц5

ляции частиц берилла во всемдиапазоне

гфупнос^тец^иртов, мг/л

шей степени в области тонких частиц, размером до 30 мкм. Введение изоспиртов усиливает этот эффект для данного диапазона крупности частиц с появлением диспергирующего эффекта для относительно крупных частиц (более 25 мкм). Последние условия отвечают условиям эффективной флотации' берилла (рис. 10, кривая 1)

1 2

Таким образом, флотации сподумена и берилла сопутствует явление гидрофобной флокуляции частиц, особенно тонких. Возникновение этого явления в присутствии собирателя может служить индикатором гидрофобизации поверхности, достаточной для эффективной флотации минерала.

На кварце под влиянием обработки его поверхности собирателями возникает эффект флокуляции во всем диапазоне крупности (рис. 11). Этому соответствует усиление его флотируемости (рис. 10, кривая 3).

Присутствие на поверхности микроклина основного собирателя в неболь-

шой степени усиливает флокуляцию Рис. 10. Зависимость извлечения чистых минералов талловым маслом лиственной древесины (300 мг/л) от концентрации изоспиртов частиц микроклина (рис. 12, кривая 2). Веление в систему изоспиртов, несколько ослабляет этот эффект (рис. 12, кривая 3). Это в целом соответствует характеру флотируемости данного минерала (рис. 10, кривая 4).

Для рассмотренной флотационной системы усиление флотационной активности минералов сопровождается усилениием гидрофобной флокуляции минералов, особенно для тонких частиц.

1 1 - колумбит

2 - кварц

Рис. 13. Зависимость извлечет^^шералов аспаралом-Ф (100мг/л) отрН ^ МИКрОКЛИН

Рис. 14. Распределение чаф^дщ колумбита по крупности в кислой среде: 1-

воде pH 3.5, 2 - то же после обработки раствором Аспарала-Ф 100 мг/л

ф 5 - сподумен

< и * эС

Т

и

с

'О

0

6

Рис. 15. Распределение частиц кварца по крупности в кислой среде: обозначения по рис. 14 Рис. 16. Распределение частиц сподумена по крупности в кислой среде: обозначения по рис. 14

О

3.3. Пегматитовый минеральный комплекс - кислая среда

На данном этапе исследований проверяли влияние условий селективной флотации колумбита из пегматитового минерального комплекса аспаралом-Ф в кислой среде на агрегирование в системе с использованием следующих минералов: колумбит, сподумен, кварц. Данная система обеспечивает условия высо-

кос2гективной Дотации ко.бмбита

(рис. Значение pH

Из данных рис. 14 и 15 следует, что для этой системы наблюдается четкое соответствие эффекта гидрофобной флокуляции и селективной флотации. Селективно флотирующиеся в этих условиях частицы колумбита (см. рис. 13) под воздействием аспарала-Ф слабо флокулируются во всем диапазоне крупности (рис. 14). Другие минералы в

376

Рис. 17. Соотношение поверхностных и объемныгх свойств твер-дыш частиц в технологических процессах

этих условиях практически не меняют своей дисперсности как ьЯарц 15). или испытывают слабоеНцйбпергирую-щее воздействие (сподГОмся. берилл, микроклин) (рис. 16). В ^р§>виях флотационного процесса эти“\1^4С0ады недостаточно гидрофобиз^оййны и де-прессируются (см. рис. 13^ ^

4 Заключение

о і ш

При всей трудности ийсОзндд^ачно-сти анализа данных по агрегированию частиц в различных флот^цщрнных системах следует выделит^ бдйн общий признак: в условиях зфф^тивід)^ селективной флотации минерала наблюдается гидрофобная флокуляция его наиболее тонких частиц (тоньше 30-20 мкм) при наличии или отсутствии та^рвой у более крупных частиц. Одновременно у депрессируемых минералов в значительном количестве тонкие частицы остаются в диспергированном состоянии, хотя эффект усиления флокуляции более крупных частиц может иметь место. Наиболее наглядно это проявляется в высокоселективных режимах флотации: флотация колумбита из пегматитового комплекса сульфосукцинаматом; флотация касситерита и минералов тантала в сильнокислой среде. Можно предположить, что в идеальных условиях флотационного разделения тонкие частицы минералов пустой породы должны на-

ходиться в максимально диспергированном состоянии при наличии эффекта гидрофобной флокуляции тонких частиц ценных минералов.

Следовательно, при всем многообразии и неоднозначности причин агрегирования минеральных частиц во флотационой системе, гидрофобную флокуляцию тонких частиц минерала, обладающих наиболее развитой поверхностью, можно рассматривать как макроэффект, который непосредственно связан с формированием гидрофобного слоя на поверхности минерала, достаточного для его успешной флотации.

Этот вывод согласуется с хорошо известным положением физической химии о преобладании поверхностных свойств у тонких частиц. При этом абсолютное п^Вобладаййе поверхностных! О свойств 102 наблюдается именноМКМ 30-20 мкм (рис. 17). м к м’

Таким образом, изучение процесса гидрофобной флокуляции для флотационных условий является ценнейшим источником новой информации для оптимизации реагентных режимов флотации с целью повышения селективности процесса, снижения потерь с тонкими шла-мами, а также поиска решения проблемы флотационного разделения тонких шламов.

1. Ребиндер П.А., Липец М.Е., Римская М.М. Физико-химия флотационных процессов, М, Металлургиздат, 1933, 23 с.

2. Бергер Г.С., Булатова Е.В., Лернер В.Н. О зависимости флотации от степени флокуляции минеральных зерен. - Цветные металлы, 1968, 8, с. 28-30.

3. Небера В.П. Селективная флокуляция, основы теории и практики.: Итоги науки и техники. Серия- Обогащение полезных ископаемых. Т.23. Техника и технология переработки минерального сырья. М.: ВИНИТИ, 1989.

4. Song S. and Lu S., Theory and applications of hydrophobic flocculation technology. Proceedings of XXI International Mineral Processing Congress, V.C, Elsevier, 2000, p. C5-31-38.

5. Kurkov A.V., Shatalov V.V., Pastukhova I.V. On certain aspects controlling selectivity of nonsulfide mineral flotation. Proceedings of XXI In-

ternational Mineral Processing Congress, V.C, Elsevier, 2000, p. C8b-71-78.

6. Полькин С.И. Обогащение руд и россыпей редких и благородных металлов. - М.: Недра, 1987, 428 с.

7. Filippov L.O., Houot R. Synergetic effects of a non ionic reagent with heteropolar collectors on the sulphide ores flotation. - Proceedings of XX International Mineral Processing Congress, V.3, GDMB, Clausthal-Zellerfeld, Germany, 1997, pp. 427-436.

8. Parker J.L., Jaminsky V.V., Claesson P.M. Surface forces between glass surfaces in cetylirimethylammonium bromide solution. J. Phys. Chem., 1993, 97, p. 7706-7710.

9. Pashley R.M., McGuiggan P.M., Ninham B.W. Attractive forces between uncharged hydrophobic surfaces: direct measurements in aqueous solution. Science, 1985, 229, p. 1088-1089.

— Коротко об авторах ----------------------------

Курков А.В. - ФГУП «ВНИИ химической технологии».

------------------------------------------------ РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

1. Жирков Е.И. Разработка методического подхода по формированию групп шахт с целью обоснования степени влияния производственно-экономических показателей (513/11-06 — 02.08.06) 12 с.