CC BY
15
УДК 622.23.05:622.7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФЛОТАЦИОННОЙ СИЛЫ РЯДА НАСЫЩЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Сергей Александрович Кондратьев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, зав. отделом комбинированных способов добычи и переработки горнорудного сырья, тел. (383)205-30-30, доп. 120, e-mail: [email protected]
Дина Владимировна Семьянова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, лаборатория обогащения полезных ископаемых и технологической экологии, тел. (383)205-30-30 доп. 166, e-mail: [email protected]
Рассмотрена собирательная способность десорбируемых форм (ДС формы) насыщенных карбоновых кислот. Под ДС формами реагента понимаются формы, способные перейти с минеральной поверхности на пузырек, то есть на границу раздела «газ-жидкость» в момент прорыва прослойки, разделяющей указанные объекты взаимодействия. Определена величина сил, действующих на жидкость в прослойке со стороны растекающейся пленки ДС форм реагента, и расход воды из прослойки.
Ключевые слова: флотация, сила флотационного реагента собирателя, насыщенные карбоновые кислоты, поверхностное давление.
DETERMINATION OF FLOTATION FORCE OF A SATURATED FATTY ACIDS RANGE
Sergey A. Kondratyev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Head of Complex Mineral Mining and Processing Department, tel. (383)205-30-30, extension 120, e-mail: [email protected]
Dina V. Sem'yanova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate, Complex Mineral Mining and Processing Department, tel. (383)205-30-30, extension 166, e-mail: [email protected]
This paper examines collecting properties of desorption forms (DS forms) of saturated car-boxylic acids. The DS forms of reagent are forms that can transfer from mineral surface to bubble, i.e. to «gas-liquid» interface in the moment of breaking layer between mentioned object of interaction. The value of force acting on liquid in layer by spreading film of DS forms of reagent and water flow rate by layer are determined.
Key words: flotation, collecting force of flotation reagent, surface pressure, saturated fatty
acids.
Численно определена собирательная сила десорбируемых форм (ДС форм) ряда насыщенных карбоновых кислот. Расчет флотационной силы ДС форм для ряда насыщенных карбоновых кислот выполнялся в предположении, что основным ограничением, препятствующим образованию флотационного контакта, является прослойка жидкости, оставшаяся между минеральной частицей и пузырьком газа после ее локального прорыва. Нахождение ДС форм карбоновых кислот подтверждается
наличием многослойного покрытия на извлекаемых частицах. Нижний слой закрепляется химически. Возможна и физическая форма сорбции в результате взаимодействия сорбированных противоионов №+ с анионом реагента [1]. Указанный слой хорошо организован и плотно упакован благодаря гидрофобному взаимодействию углеводородный цепей. Он придает минеральной поверхности сильную гидрофобность
[2]. Верхний слой формируется только на минеральной поверхности, покрытой химически или физически сорбированным реагентом, и представлен олеатом кальция, натрия и нейтральными молекулами карбоновой кислоты. Верхний слой не придает дополнительной гидрофобности минералу. Он слабо связан с минералом и легко де-сорбируется органическим растворителем или ультразвуковой обработкой суспензии
[3].
Для определения силы использовалось решение задачи удаления жидкости из прослойки при возникновении градиента поверхностного натяжения на границе раздела «газ-жидкость» [4]. Для этого предполагали, что на минеральной грани, обращенной к пузырьку, находятся физически сорбированные ДС формы реагента. Раствор ДС форм реагента обладает низким поверхностным натяжением. После локального прорыва прослойки указанная форма сорбции реагента получает доступ к границе раздела «газ-жидкость», величина поверхностного натяжения которой практически равна поверхностному натяжению воды («свежие» пузырьки). При наличии неоднородности поверхностного натяжения возникают капиллярные силы, действующие на пленку реагента тангенциально к свободной поверхности жидкости и заставляющие ее растекаться [5]. Пленка реагента захватывает в свое движение прилегающие к ней слои жидкости и генерирует конвективное течение, получившее название конвекции Марангони.
{дуг дуг ЭтлЛ др [1 д ( ЭтлЛ
+
д2и.
дг2
1
1 дп>г
г дг
^ = 0. дг
(1) (2) (3)
Здесь л - коэффициент кинематической вязкости; р - плотность жидкости; р -давление; g - гравитационное ускорение, направленное в отрицательном направлении оси г; вектор скорости имеет компоненты (уг,0, Уг). Уравнения (1) -(3) были упрощены до уравнений теории смазки. Упрощение выполнялось в предположении, что отношение характерного вертикального размера (толщины слоя жидкости на минерале в начальный момент- Но) к характерному горизонтальному размеру (например, начальный радиус пятна поверхностно-активного вещества - Яо) значительно меньше единицы.
Расчеты проводились для следующих значений параметров: ¡л = 1.052 10-3, Пас; р = 103, кг/м3; g =10.0, м/с2; Б = 10-8, м2/с; ож = 72.310-3, Н/м; От менялось в зависимости от длины углеводородного фрагмента молекул карбоновых кислот и оценивались по данным работы [6] и экспериментально; 3 = Ом> - От разность поверхностных натяжений, или сила, приходящаяся на единицу длины периметра, растекающегося пятна в начальный момент времени.
На рис. 1 приведен профиль поверхности прослойки к(г, I), поверхностная концентрация реагента Г(г, I) и объемный расход как функции радиального расстояния на момент времени /=4.010-5 с. Сравнение толщин к прослоек за фронтом растекающейся пленки реагента и расходов жидкости показывает, что скорость ее удаления из прослойки возрастает в следующей последовательности: гексановая, октановая, доде-
кановая, декановая (таблица). В этой же последовательности увеличивается и собирательная способность указанных карбоновых кислот. Расчетные значения собирательной силы ^ десорбируемых форм карбоновых кислот, найденные в предположении, что указанные силы реализуются при удалении жидкости из прослойки, адекватно характеризуют их собирательную способность, оцененную в [6].
Рис. 1. Результаты расчета истечения жидкости из прослойки, обусловленного
растеканием декановой кислоты:
а) форма свободной поверхности; б) концентрация реагента; в) расход жидкости как функции радиальной координаты в момент времени ^ = 4,0 • 10-5 с; От = 40,3 х 10-3 Н/м
Область рН высокого поверхностного давления £ = о^, - От тетрадекановой кислоты не совпадает с областью максимальной флотируемости гематита [6]. В связи с этим расчетные значения силы тетрадекановой кислоты также не будут отражать ее собирательную способность. Для формирования флотационного агрегата важна локальная величина поверхностного давления, кратковременно образовавшегося в момент прорыва прослойки, и скорость растекания производных форм реагента [7, 8]. Поэтому для длинноцепочечных реагентов необходимо учитывать снижение скорости растекания, связанное с когезией их углеводородных фрагментов. Параметр £ для длинноцепочечных реагентов должен быть дополнен параметром, учитывающим скорость растекания карбоновых кислот по поверхности раздела «газ-жидкость». Скорость растекания тетрадекановой кислоты уступает скорости растекания короткоце-почечных кислот. Вследствие низкой скорости растекания кислоты, сокращается расход жидкости из прослойки и увеличивается время индукции. Поэтому собирательная способность тетрадекановой кислоты меньше собирательной способности, например, декановой кислоты.
Автор [6] делает вывод, что величина поверхностного давления пленки реагента не всегда адекватно характеризует собирательную способность карбоновой кислоты. Согласно предложенному механизму осаждение ДС форм тетрадекановой кислоты (ионно-молекулярных комплексов) приводит к увеличению плотности ее сорбции на минеральной поверхности, а после прорыва прослойки появлению высокого градиента поверхностного натяжения. Способность производных форм рассматриваемой кислоты увле-
кать в свое движение прилегающие слои жидкости незначительна вследствие низкой скорости ее растекания. Таким образом предложенный в [7, 8] механизм работы ДС форм реагента подтверждается результатами работы [6].
Таблица
Поверхностное давление .V, сила флотационного реагента /*', толщина прослойки к и максимальный расход жидкости () при г = 0,2 • 10"5 м для ряда насыщенных
карбоновых кислот
Parameters Насыщенные карбоновые кислоты
Гексановая Октановая Декановая Додекановая
S = Ow - Om (мН/м) 3.0 15 32.0 28.0
h (м) 2.68-10-8 1.62-10-8 1.26-10-8 1.3219-10-8
F (Н) 7.57-10-6 4.57-10-5 9.78-10-5 8.6896-10-5
^max^3/^ 1.610-14 6.8-10-14 1.2-10-13 1.097-10-13
tm (с) 4.0-10-5
Предложенный в [7, 8] механизм подтверждает выводы работы [9] о необходимости использования во флотации «свежих» пузырьков. Высокое поверхностное натяжение «свежих» пузырьков и низкое поверхностное натяжение раствора ионно-молекулярных комплексов или ДС форм реагентов способствуют созданию высокого локального поверхностного давления в момент прорыва прослойки жидкости. Высокая скорость растекания ДС форм реагента приводит к быстрому удалению жидкости из прослойки и формированию флотационного агрегата.
Работа выполнена за счет средств гранта РНФ No. 15-17-10017.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Sivamohan R., de Donato P., Cases J. M. Adsorption of oleate species at the fluorite-aqueous solution interface / Langmuir, 1990, vol. 6, pp. 637 - 644.
2. Mielczarski J. A., Cases J. M., Bouquet E., Barres O., Delon J.F. Nature and structure of adsorption layer on apatite contacted with oleate solutions 1. Adsorption and fourier transform infrared reflection studies / Langmuir, 1993, vol. 9, pp. 2370-2382.
3. Hu J.S, Misra M., Miller J.D. Effect of temperature and oxygen on oleate adsorption by fluorite / International Journal of Mineral Processing, 18 (1986) 57—72
4. Kondratyev S. A., Moshkin N. P. Estimate of collecting force of flotation reagent / Journal of Mining Science, 2015, vol. 51, pp. 150-156.
5. Levich V.G. Physicochemical Hydrodynamics, 2nd Ed., Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, 1962, p. 700.
6. Quast K. Flotation of hematite using C6-C18 saturated fatty acids / Minerals Engineering, 2006, vol. 19, pp. 582-597.
7. Kondratyev S. A. Estimation of reagents-collectors flotation activity / Ore Dressing Treatment, 2010, vol. 4, pp. 24-30.
8. Kondratyev S. A. Activity and Selectivity of Carboxylic Acids as Flotation Agents , Journal of Mining Science, 2012, vol. 48, pp. 1039-1046.
9. Finch J. A., Smith G. W. Dynamic superficial tension of alkaline dodecylamine solutions / Journal of Colloid and Interface Science, 1973, vol. 45, pp. 81-91.
© С. А. Кондратьев, Д. В. Семьянова, 2017
