CC BY
19
УЛК 622.765. 4
© Е.Г. Коваленко, Г.П. Двойченкова, В.В. Поливанская, 2014
Е.Г. Коваленко, Г.П. Двойченкова, В.В. Поливанская
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПЕННОЙ СЕПАРАЦИИ АЛМАЗОВ
Причиной значительных потерь алмазов является снижение природных гидрофобных свойства вследствие образования на их поверхности гидрофильных минеральных образований. Для гидрофобизании поверхности алмазов целесообразно применить тепловую обработку пульпы. Для определения рациональных условий процесса тепловой обработки было исследовано влияние нагрева на поверхностные пленки на алмазах. Химическое действие тепловой обработки неоднозначно и, в зависимости от условий, может приводить как к растворению пленок, так и к их образованию. Эффективный механизм очистки поверхности алмазов заключается в отслаивании пленок минеральных образований. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований обоснована и подтверждена эффективность применения теплового кондиционирования пульпы перед подачей в процесс пенной сепарации для повышения извлечения алмазов, подверженных интенсивным поверхностным изменениям.
Ключевые слова: алмазосодержащие руды, мелкие классы алмазов, пенная сепарация, тепловое кондиционирование, гидрофилизующие пленки.
В условиях снижения общемировых разведанных запасов алмазов и стабильного, долгосрочного роста цен на алмазную продукцию перед предприятиями алмазодобывающей отрасли встает проблема поддержания достигнутого уровня алмазодобычи. Помимо восполнения минерально-сырьевой базы, весьма актуально увеличение глубины переработки минерального сырья. Одним из перспективных путей решения поставленной задачи на предприятиях АК «АЛРОСА» является интенсификация извлечения мелких (технических) алмазов методом пенной сепарации.
В классе крупности -2 + 0,5мм концентрируется до 40-45% общего количества алмазов в руде, что составляет около 15% от стоимости товарной продукции. Потери алмазов в этом классе крупности достигают 20%. Причиной столь значительных потерь в первую очередь является
снижение природных гидрофобных свойства алмазов вследствие образования на их поверхности гидрофильных минеральных образований [1].
Поиск метода активации гидрофобных свойств поверхности алмазов за счет удаления с нее гидрофильных минеральных примесей является актуальной научной задачей.Исследовани-ями ИрГТУ, ИПКОН РАН, выполненными с участием автора, установлено, что используемые на алмазообогати-тельных фабриках оборотные воды склонны к протеканию процессов кар-бонатизации, что может быть причиной зарастания поверхности алмазов непосредственно в подготовительных и обогатительных процессах [1].
Согласно результатам электронно-микроскопических исследований основными примесями на поверхности алмазов являются карбонаты (4060 отн.%) и гидроксиды (10-20 отн.%) кальция, магния и железа, кремнезем
и
§5 и
Я 4
^ 3
Ы"6 Л 1-8 т о М -9 У ш ¡¿■-10 ш Х.1 1 м 11 -12
1
20 40
60 80
Температура,°С
1-4-3
100
20
40
60
80 100
Температура, ОС
Рис. 1. Зависимости констант аиссоциации угольной кислоты по первой ступени К1 (1), второй ступени К2 (2) и произвеаения растворимости ЬСаСО (3) от температуры в обычных (а) и логарифмических (б) коораинатах
и алюмосиликаты (15-25 отн.%). Достаточно высока массовая доля натрия (5-7 отн.%) и хлора (4-6 отн.%).
Одним из перспективных способов регулирования растворимости минералов является применение метода их тепловой обработки.
Температурный фактор существенно влияет на растворимость солео-бразных химических соединений. Для карбонатов кальция и магния характерна обратная растворимость, означающая уменьшение термодинамической растворимости с повышением температуры. Характер этой зависимости приведен на рис. 1 а, б, из которого видно, что в интервале температуры от 9 до 75 °С растворимость СаС03 снижается с 5,5х10-9 мольл до 1,2х10-9 моль л [3].
Расчетные значения констант диссоциации угольной кислоты и константы ^СаС0 для различных температур приведен3 ы на рис. 1 а, б.
Другой особенностью карбонатных систем является резкое снижение растворимости в растворе двуокиси углерода (табл. 1) [4]. Двуокись углерода прямым образом не участвует в реакции образования карбонатных минералов, однако является источником образования карбонатных ионов при смещении рН среды в щелочную область и пропорционально увеличивает их концентрацию в соответствии с уравнениями для констант диссоциации.
Совокупность этих процессов (изменения растворимости и концентрации углекислоты в жидкой фазе) опре-
Таблица 1
Растворимость (мг/л) в воае некоторых газов при различных температурах (Р = 1 атм)
Газ Температура,0 С
0 10 20 30 40 50 60 70 80
С02 3350 2310 1690 1260 970 760 580 360 245
02 69,5 53,7 43,4 35,9 30,8 26,6 22,8 19,5 13,8
И2Б 7070 5110 3550 2980 2360 1780 1480 960 765
деляет поведение карбонатов кальция при нагреве среды. При низкой концентрации растворенных карбонатных соединений рост температуры не изменит концентрацию ионов и приведет к дополнительному осаждению карбонатов кальция. При высокой концентрации растворенных карбонатных соединений рост температуры приведет к снижению концентрации карбонатных ионов и, соответственно, к уменьшению интенсивности осаждения карбонатов кальция или даже к их растворению.
Анализ температурного режима основных операций алмазоизвлекающих фабрики указывает на постепенный подогрев жидкой фазы от 4 до 11 °С от операций измельчения до операций пенной и липкостной сепарации. Такой температурный режим является неизбежным и обусловлен условиями протекания обогатительных и вспомогательных процессов. Одновременное увеличение температуры и интенсивная абсорбция углекислоты из воздуха в щелочной среде создает условия для образования карбонатных пленок на межфазных поверхностях, включая поверхность алмазов. Вследствие этого, склонные к зарастанию поверхности алмазы подходят к физико-химическим обогатительным операциям (флотации и липкостной сепарации) с существенно измененными поверхностными свойствами.
Одним из приемов, используемых в теплоэнергетике и в нефтехимии для удаления карбонатных отложений, является применение тепловой обработки рабочих поверхностей перегретым паром [5]. Химическое действие тепловой обработки заключается в следующем. Резкое снижение концентрации углекислоты ведет к подщела-чиванию среды вследствие смещения влево равновесия реакции:
2НСО3о- + С02 + ОН- (1)
Уменьшение концентрации бикарбонат иона ведет к снижению концентрации карбонат иона и растворению карбоната кальция. В жидкой фазе также протекает реакция диссоциации бикарбонат иона:
НСО3- о С032- + Н+ (2)
Переход бикарбоната в форму карбонат-иона ведет к протеканию реакции образования карбоната кальция. Суммарное уравнение реакции имеет классический вид:
Са(НСО3)2 о СаС03 + С02 + Н20 (3)
Поскольку концентрация гидрок-сила увеличивается, достигается произведение растворимости и начинает образовываться накипь из основного карбоната магния Мд2СО3(0Н)2 и гидроокиси магния Мд(0Н)2. При этом образование карбонатов и гидрокси-дов происходит в объеме электролита и на межфазных поверхностях.
Таким образом, химическое действие тепловой обработки неоднозначно и, в зависимости от условий, может приводить как к растворению пленок, так и к их образованию.
Другой механизм очистки межфазных поверхностей заключается в отслаивании пленок минеральных образований, отложенные на межфазных поверхностях. В тепловых процессах вследствие температурного расширения минеральные пленки интенсивно отслаиваются от рабочих поверхностей и переходит в виде шлама в раствор.
Важным аспектом, определяющим возможность термоудаления загрязнений является механическая стойкость связей поверхностных пленок с алмазом при существенном изменении температуры. Известно, что алмаз характеризуется крайне низким значением коэффициента теплового расширения (1,1-1,2х10-6 м/(м°С)), существенно отличающимся от коэффициентов теплового расширения большинст-
ва породных минералов (известняков, мрамора, доломита, кварцитов, песчаников), составляющих от 6 до 12х10-6 м/(м°С) [6]. Подобное явление может дать эффект и в обогатительных технологиях как средство борьбы с зарастанием поверхности алмазов кар-бонатно-оксидными пленками.
Важным условием отслаивания является нарушения соответствия кристаллических решеток кристалла и пленки [6]. Поверхность алмаза служит матрицей, формирующей фазу кристаллизующейся соли. В качестве критерия активности поверхности (подложки) используется значение величины кристаллографического несоответствия:
У
от 'д !
_ £
0.2
0,4
0,6
0,8
1,2
Линейный размер пленки, мкм
5 = I а,- а I/а
Рис. 2. Зависимости относительного линейного смешения узлов решеток алмаза и пленки алмаза от линейного размера пленочного образования:
1 - при нагреве до 65 °С; 2 - при нагреве до 45 °С
ки (ЛЬп) относительно решетки алмаза (ЛЬА) можно получить с использованием уравнения:
ЛЬЛ = X (а, - а,) (6)
(4)
ЛЬ /А = ЛЬ
п/А
где ав{ - величина параметра кристаллической решетки подложки, асг - величина параметра кристаллической решетки кристаллизующегося вещества.
Образование пленок на кристаллических подложках происходит, если параметры их кристаллических решеток не отличаются более чем на 20% (5 = 0,2). Используя этот критерий, можно определить линейный размер пленочных образований, теряющих контакт с подложкой при нагреве алмаза.
Тепловое расширение ведет к смещению узлов (Л,) кристаллической решетки:
ЛЬ = X х а,
(5)
где X - линейный размер пленки, а, -линейный коэффициент теплового расширения.
Количественную оценку смещения узлов кристаллической решетки плен-
А » Ьп Ьр'
Условием отторжения пленки будет смещение узлов решеток ЛЬ на величину, превышающую 20% от постоянной решетки примеси:
льп/а / аА * 0,2 (7)
Анализ данных на рис. 2 показывает, что при температуре 80 °С, величина разности линейного расширения алмаза и пленки превысит выбранный критерий при линейном размере пленочного образования (СаС03, а0 = 5,72А°) 0,4 - 0,6 мкм и более.
Результаты расчетов показывают, что уже при нагреве до 45-60 °С появляются усилия на разрыв связей между кристаллами подложки (алмаза) и поверхностного образования (кальцита) размером 0,4-0,6 мкм и более.
С целью экспериментальной проверки гипотезы эффективного применения тепловой обработки для активации гидрофобных свойств алмазов и, соответственно, их флотационных
свойств, были проведены экспериментальные лабораторные исследования. В лабораторных экспериментах были использованы семь природно гидрофильных алмазов трубки «Интернациональная». Алмазы обрабатывались горячим паром (100-120 °С) при рабочей температуре среды 70-80 °С. Перед тепловой обработкой и после ее окончания проводился анализ поверхности алмазов на сканирующем электронном микроскопе.
Усредненные по семи образцам результаты спектрального анализа показывают, что при обработке паром поверхность алмазов существенно очищается от поверхностных минеральных образований (табл. 2). Существенно уменьшается концентрация кальция, магния, кремния, серы, и железа. Под воздействием повышенной температуры практически полностью удаляются растворимые соединения, связанные с На и С1. Характерно, что алмазы, имеющие гладкую поверхность, практически полностью очищаются от пленок уже при обработке в течение 60 с. В алмазах, имеющих неровную поверхность (трещины,
углубления и т.п.), степень очистки несколько ниже.
Таким образом, результаты данного эксперимента показывают, что, при обработке паром поверхность алмазов весьма быстро и в значительной мере очищается от минеральных компонентов, что может приводить к восстановлению ее гидрофобности и флотационных свойств. Необходимо отметить, что высокая скорость очистки дает основания к выбору в качестве основной причины именно процесс механического разрушения пленок.
При постановке технологических исследований с использованием ким-берлитовой руды исходный материал крупностью - 2 мм отбирался из схемы обогащения фабрики № 3 до точки подачи флотационных реагентов. Для моделирования влияния ионного состава на состояние поверхности исходную пульпу, приготовленную смешиванием пробы и оборотной воды в соотношении 0,5:1, барботировали в механическом аппарате в течение 30 мин.
Были испытаны четыре схемы подготовки пробы к флотации. По первой
Таблица 2
Изменение состава поверхности исследуемых алмазов после тепловой обработки
Элемент Массовые лоли элементов,%
До обработки Через 30 с Через 60 с Через 120 с
С 88,08 90,9 92,70 94,50
02 7,10 5,95 4,33 2,33
На 0,49 0,29 0,16 0,07
Са 0,42 0,36 0,19 0,09
С1 0,34 0,13 0,09 0,04
Ре 0,30 0,22 0,11 0,07
а 0,28 0,23 0,13 0,08
Мд 0,24 0,21 0,13 0,07
А1 0,20 0,17 0,09 0,05
N 0,22 0,22 0,23 0,24
Таблица 3
Показатели стендовых испытаний обогащения пробы кимберлитовой руды при использовании различных режимов предварительной подготовки
№ Применяемая схема Температура пробы, °С Время тепл. кондиционирования, мин Извлечение алмазов в конц-т, %
0 С последовательным сгущением и реа-гентным кодиционированием пульпы _ _ 90,4
1 С тепловым кондиционированием, сгущением и реагентным кондиционированием пульпы 70 5 96,7
2 С последовательным сгущением, тепловым и реагентным кондиционированием пульпы 80 3 96,3
3 Со сгущением и совмещенным тепловым и реагентным кондиционированием пульпы 85 5 95,5
4 С последовательным сгущением, реагентным и тепловым кондиционированием пульпы 81 3 92,3
схеме отобранная проба обрабатывалась острым паром, после теплового кондиционирования обесшламлива-лась и смешивалась с реагентами. После реагентного кондиционирования проба подавалась на аппарат пенной сепарации, где проводилась флотация алмазов. По второй схеме проводилось сгущение и обесшламливание пробы перед подачей в кондиционер, где последовательно проводилась ее тепловая и реагентная обработка. Обработанная проба подавалась в аппарат пенной сепарации.
По третьей схеме проводилось сгущение и совмещенное тепловое - ре-агентное кондиционирование исходного питания с последующей подачей в аппарат пенной сепарации. По четвертой схеме операция реагентной обработки предшествовала операции тепловой обработки.
Особенностью проведенных лабораторных исследований являлось использование специальной методики, предполагающей предварительное приготовление «безалмазной» пробы руды, добавление в пробу фиксиро-
ванной смеси алмазов (55 шт.), проведение эксперимента, извлечение алмазов из продуктов флотации, расчет показателей разделения (по весу алмазов), восстановление свойств алмазов, загрузку алмазов в новую «безалмазную» пробу и проведение нового эксперимента.
Результаты флотационных опытов, представленные в табл. 3. показали целесообразность применения разработанной технологии теплового кондиционирования. Сравнение результатов испытаний показали большую эффективность схемы, предполагающей последовательное тепловое кондиционирование, обесшламливание и реагентное кондиционирование исходного питания.
Таким образом, в результате проведенных исследований обоснована и подтверждена эффективность применения теплового кондиционирования с целью восстановления гидрофобных свойств поверхности извлекаемых кристаллов для предварительной подготовки алмазосодердащих кимберлитов к процессу пенной сепарации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Куренков И. И. О свойствах поверхности алмаза в связи с извлечением из руд / Труды Института горного дела им. A.A. Ско-чинского. - М.: Изд. АН СССР, 1957. -т. IV. - С. 241-251.
2. Чантурия В.А., Трофимова Э.А., Диков Ю.П., Двойченкова Г.П., Богачев В.И., Зуев А.А. Связь поверхностных и технологических свойств алмазов при обогащении кимберлитов // Горный журнал. - 1998. -№ 11-12.- С. 52-56.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
3. Гамер П.Н. Очистка воды для промышленных предприятий. - М.: Стройиздат, 1968. - 416 с.
4. Намиот А.Ю. Растворимость газов в воде: Справочное пособие. - М.: Недра, 1991. - 177 с.
5. Петрунин Г.И., Попов В.Г. Теплофи-зические свойства вещества земли. Учебное пособие. Т. 1. - М.: МГУ, 2011. - 68 с.
6. Стрикленд-Констэбл Р.Ф. Кинетика и механизм кристаллизации. Пер. с англ. -Л.: Недра, 1971. - 310 с. ЕИЗ
Коваленко Евгений Геннадьевич - главный обогатитель Мирнинского ГОКа АК «АЛРОСА», аспирант ИПКОН РАН, e-mail: kovalenkoeg@alrosa.ru;
Двойченкова Галина Петровна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник ИПКОН РАН, e-mail: dvoigp@mail.ru; Поливанская В.В. - аспирант, старший преподаватель, e-mail: valeriapolyvanska@mail, Московский государственный горный университет.
UDC 622.765. 4
RATIONALE FOR APPLICATION OF HEAT TREATMENT TO IMPROVE THE PROCESS OF FOAM SEPARATION OF DIAMONDS
Kovalenko E.G., Chief Dresser, Mirninsky Mining-and-Processing Integrated Works, ALROSA Co., Graduate Student of Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources, RAS, e-mail: kovalenkoeg@alrosa.ru,
Dvojchenkova G.P., Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, Leading Researcher of Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources, RAS, e-mail: dvoigp@mail.ru, Polivanskaya V.V., Graduate Student, Senior Lecturer, e-mail: valeriapolyvanska@mail.ru, Moscow State Mining University.
Cause significant loss of natural diamonds is to reduce hydrophobic properties due to the formation on the surface of hydrophilic mineral formations. For hydrophobic diamond surface is advisable to apply a heat treatment of the pulp. To determine the rational conditions of thermal treatment was studied the effect of heating on the surface film on diamonds. Chemical action of the heat treatment is different and, depending on conditions, may lead to the dissolution of the films as well as to their formation. Effective mechanism for cleaning the surface of the diamond film is peeled mineral formations. As a result of theoretical and experimental research is justified and confirmed the effectiveness of the thermal conditioning of the pulp and electrochemical conditioning circulating water to increase the recovery of diamonds subject to heavy surface changes .
Key words: diamond ores, small classes diamonds, foam separation, thermal conditioning, mineral formations.
REFERENCES
1. Kurenkov I.I. Trudy ¡nstituta gornogo dela im. A.A. Skochinskogo (Proceedings of the Institute of Mining of the A.A. Skochinskiy), Moscow, Izd. AN SSSR, 1957, vol. IV, pp. 241-251.
2. Chanturija V.A., Trofimova Je.A., Dikov Ju.P., Dvojchenkova G.P., Bogachev V.I., Zuev A.A. Gornyj zhurnal, 1998, no 11-12, pp. 52-56.
3. Gamer P.N. Ochistka vody dlja promyshlennyh predprijatij (Water treatment for industrial enterprises), Moscow, Strojizdat, 1968, 416 p.
4. Namiot A.Ju. Rastvorimost' gazov v vode: Spravochnoe posobie (Solubility of gases in water: A Reference Guide), Moscow, Nedra, 1991, 177 p.
5. Petrunin G.I., Popov V.G. Teplofizicheskie svojstva veshhestva zemli. Uchebnoe posobie (Thermo-physical properties of the substance of the earth. Textbook), vol. 1, Moscow, MGU, 2011, 68 p.
6. Striklend-Konstjebl R.F. Kinetika i mehanizm kristallizacii (Kinetics and mechanism of crystallization. Translated from English), Leningrad, Nedra, 1971, 310 p.
