CC BY
84
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ФЛОТАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ МЕТОДОМ ОПТИМИЗАЦИИ СВОЙСТВ ФИЗИЧЕСКИ СОРБИРУЕМОГО РЕАГЕНТА
Сергей Александрович Кондратьев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий отделом комбинированных способов добычи и переработки горнорудного сырья, тел. (383)217-07-65, e-mail: [email protected]
Обсуждаются закономерности флотации несульфидных минералов оксигидрильными и катионными реагентами. Показано, что собирательная способность физической формы сорбции реагента проявляется на границе раздела «газ-жидкость» и не является селективной по отношению к разделяемым минералам. Для повышения качества разделения минералов с близкими поверхностными свойствами предложено использовать реагент, физическая форма сорбции которого формирует на поверхности воды пленку с малой величиной поверхностного давления.
Ключевые слова: флотация, физически и химически сорбируемые флотационные реагенты, поверхностное давление, извлечение, селективность.
IMPROVEMENT OF MINERAL SEPARATION IN FLOTATION DUE TO THE OPTIMIZED PROPERTIES OF PHYSICALLY ADSORBED REAGENT
Sergey A. Kondratiev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Department for Mineral Mining and Processing Combination Methods, tel. (383)217-07-65, e-mail: [email protected]
The article analyzes mechanisms of nonsulfide mineral flotation using oxyhydryl and cation reagents. It is shown that collecting ability of the physically adsorbed reagent shows itself at the particle-bubble interface and is unselective toward any of the minerals under separation. In order to improve separation of minerals having close surface properties, the author offers to use a reagent the physical sorption of which results in formation of low surface pressure film on the surface of the water.
Key words: flotation, physical sorption and chemical sorption of flotation agents, surface pressure, recovery, selectivity.
Цель настоящей работы показать, что одним из методов регулирования селективности флотационного процесса является изменение поверхностного давления пленки активных по отношению к границе раздела «газ-жидкость» форм реагента. Основные закономерности флотации катионными реагентами и олеиновой кислотой принципиально не отличаются. Для указанных реагентов требуются физическая и химическая формы его сорбции на минеральной поверхности, а максимальная собирательная способность реагента проявится, если физически сорбированный реагент обладает высокой активностью по отношению к границе раздела «газ-жидкость».
Олеиновая кислота и алифатические амины находятся в водных растворах в виде ионов, молекул, ионно-молекулярных ассоциатов. В зависимости от pH олеиновая кислота может существовать в растворе в различных формах: RCOOH, RCOO”, (RCOO)2H , (RCOO)^-. Активными по отношению к границе раздела «газ - жидкость» являются RCOO)2H- и
ЯСООИ. Заметная концентрация наиболее активной формы (КСОО)2И-находится в диапазоне pH 6 ^ 10, а наибольшее ее содержание приходится на область pH 7 ^ 8 (рис. 1, а) [1].
Рис. 1. Активность (концентрация) различных форм олеата - а и додециламина б - в растворе в зависимости от pH раствора при общей концентрации олеата 3• 10-5 и додециламина 540-5 М
Характер изменения концентраций ионных и молекулярных компонентов додециламина (5*10-5 моль/л) в зависимости от pH представлен на рис. 1, б [2]. Растворимый реагент преимущественно находится в ионной ЯЫНз форме до pH 10. Количество молекулярной формы амина ИЫН2 , незначительное в кислой и нейтральной областях, существенно увеличивается в области pH близкой к 10. С увеличением содержания в растворе молекулярной формы формируются ионно-молекулярные ассоциаты [3]. В области pH 10 и более образуются коллоидные соединения ямн2{5), которые выделяются в первую очередь на гидрофобизированных минералах. Смешанная пленка из ионов, молекул и ионно-молекулярных ассоциатов формируется при рН> 9.
Удаление жидкости из прослойки обусловлено двумя основными факторами: гидрофобностью поверхности, характеризуемой величиной
отступающего краевого угла, и наличием поверхностно-активной формы физически закрепившегося собирателя. Гидрофобные поверхности, имеющие большую величину отступающего краевого угла, способны освобождаться от жидкости в прослойке при отсутствии физической формы сорбции реагента. Отступление жидкости от места локального прорыва происходит самопроизвольно в результате гидрофобного вытеснения воды. Высота образовавшегося в момент прорыва мениска в этом случае соответствует толщине жидкой прослойки, находящейся между объектами взаимодействия, а его контактный угол находится в диапазоне динамических отступающих краевых углов. Влияние физической формы сорбции отсутствует. Концентрация реагента, требуемая для извлечения минерала, в этом случае в -10 раз превосходит концентрацию, обычно применяемую в практике флотации.
При наличии на минеральной поверхности физически закрепившегося реагента требование высокой плотности его сорбции снимается. Жидкость удаляется в результате растекания указанной формы реагента по границе раздела «газ-жидкость» в момент локального прорыва прослойки. Утончение жидкой прослойки до толщины, при которой контактный угол будет равен отступающему динамическому углу, приведет к осушению минеральной частицы под пузырьком. Собирательная активность реагента определится его способностью к увлечению в совместное движение и удалению жидкости из прослойки.
Влияние активной формы олеиновой кислоты на флотируемость оценим на примере флюорита. На рис. 2 даются извлечение и сорбция карбоксильного собирателя С17Н33СООН флюоритом при различных значениях pH . Имеется выраженный максимум флотации флюорита в нейтральной среде, где концентрация (КСОО)2Н- максимальна.
Рис. 2. Флотация флюорита (1) (исходная концентрация
собирателя 3,240-5 моль/л) и плотность сорбции реагента (2) (исходная концентрация 5,0*10-5 моль/л) в зависимости от рН [4]
Электрокинетический потенциал флюорита в кислой среде отрицательный. Повышение pH до 7 приводит к уменьшению его отрицательного значения до - 2.62 мВ, которое сохраняется практически без изменения до pH 12. Увеличение pH свыше 8 приводит к снижению флотируемости флюорита несмотря на высокую концентрацию ионной формы и высокую плотность сорбции реагента. Падение флотируемости при pH более 8 связано с уменьшением концентрации (ЯСОО)2Н- и отсутствием эффекта физической формы сорбции.
Достаточно низкие концентрации Са+2 (10-4 ^ 10-3 М) увеличивают диапазон pH флотируемости флюорита в основном за счет щелочной области. Увеличение флотируемости может быть связано с адсорбцией ионов кальция
минеральной поверхностью и увеличением положительного значения
+2 —2
электрокинетического потенциала. Увеличение концентрации Са до 10 ^
10-1 М приведет к образованию в нейтральной и щелочной среде карбоксилата и подавлению флотации.
Влияние активной формы додециламина на флотируемость минералов оценим на примере кварца. Если pH превышает 8 формируются ионно -молекулярные ассоциаты *(ДЛГЯ3+) • у(КЛШ2) , которые совместно с катионами ИЫН^ сорбируются на отрицательно заряженной минеральной поверхности. Создаются благоприятные условия для реализации эффекта физической формы сорбции катионным реагентом. Высокое поверхностное натяжение пузырьков и сорбция минеральной поверхностью активных по отношению к границе раздела «газ-жидкость» ионно-молекулярных ассоциатов создают предпосылки для развития высокого поверхностного давления щ = оь_у — аМ1П , где аМ1П - минимальное поверхностное натяжение раствора додециламина. В момент локального прорыва прослойки ассоциаты, находящиеся на минеральной поверхности, под действием силы, обусловленной поверхностным давлением, растекаются по границе раздела «газ-жидкость» и увлекают последнюю в свое движение. В результате увлечения жидкости растекающейся пленкой ассоциатов х(ЯЛЩ^) • у(КЛГЯ2) происходит осушение минеральной поверхности под пузырьком. Реагент, формирующий пленку с большим поверхностным давлением, активнее проявляет свои собирательные свойства, то есть поверхностная активность физической формы сорбции реагента коррелирует с его флотационно-собирательными качествами. На рис. 3 показано, что максимальное извлечение кварца приходится на область pH где поверхностное натяжение раствора додециамина минимально, а п0 максимально. В виду малой исходной концентрации реагента осушение минеральной поверхности происходит при сравнительно небольшой ее гидрофобности.
100 5° 90 § 80 ш 70 | 60 8 50
к
О* 20 10
_I___I___I____I___I__I__
7 8 9 10 п 12 pH
Рис. 3. Флотация кварца додециламином в зависимости от р Я: 1 - извлечение; 2 - поверхностное натяжение [5]
В [6] приводятся сведения по флотации корунда (А1203) хлоридом додециламмония. Величина pH точки нулевого заряда минерала составляет 9,1 (рис. 4). Максимальное извлечение корунда наблюдается в районе pH ~ 10,5 [6]. Для указанного значения pH величина потенциала минеральной поверхности относительно изоэлектрического состояния составляет ~ - 50 мВ [6], что создает благоприятные условия для ионно-электростатического взаимодействия положительно заряженных форм собирателя с минеральной поверхностью. В этой же области pH наблюдается максимальная концентрация наиболее активной на границе раздела «газ - жидкость» формы реагента ИЫН3 • 11ЫН2 , а также ионов ЯЫН3 , необходимых для предварительной гидрофобизации минерала. Снижение pH раствора до величины 9 и менее приводит к перезарядке поверхности минерала и созданию условий не благоприятных для ионно-электростатического взаимодействия, что приводит к резкому падению фотируемости. Повышение pH раствора до величины более 11 сохраняет условия благоприятные для ионно-электростатического взаимодействия, но концентрация наиболее активной формы реагента ИЫН3 • ЯЫН2, а также ионов ИЫН} снижается, что приводит к падению флотируемости корунда.
10 12 14
pH
Рис. 4. ^-потенциал (а)и извлечение (б) и корунда в зависимости от pH раствора; концентрация хлорида додециламмония 4-10-5 М [6]
Во всех рассмотренных случаях флотация минералов реализуется, если на минеральной поверхности имеются активные по отношению к границе раздела «газ-жидкость» формы реагента. В основном это физически сорбированный реагент способный переходить на указанную границу раздела в момент локального прорыва жидкой прослойки.
Принято считать, что разделение двух минералов, например с близкими поверхностными свойствами, может быть достигнуто только выбором реагента способного селективно гидрофобизировать требуемую минеральную поверхность. Такой подход не учитывает кинетические особенности формирования флотационного комплекса. Физическая форма сорбции реагента, обладающая активностью по отношению к границе «газ-жидкость», может оказать влияние на селекцию разделения минералов. Физически сорбированный реагент проявляет свои собирательные свойства
на указанной границе раздела и вне зависимости от особенностей минеральной поверхности. Селективность разделения минералов реагентом с высокой активностью по отношению к границе раздела «газ-жидкость» будет уступать качеству разделения, достигаемому при использовании реагентов с низкой активностью. Эффект физической формы сорбции в удалении воды из прослойки будет значителен. Но по этой же причине качество концентрата будет невысокое, что является следствием проявления эффекта физической формы сорбции на границе раздела «газ-жидкость», а не на границе «минерал-раствор». Высокая флотационная активность физической формы сорбции увеличит извлечение минералов с малой гидрофобностью, сростков и вмещающих пород. Например, синтетические жирные кислоты с короткой углеводородной цепью являются более слабыми собирателями по сравнению с олеиновой кислотой, но обладают большим эффектом селективности. Избирательность действия реагента определится соотношением объемов жидкости, удаленных из прослойки за счет эффекта гидрофобизации минеральной поверхности и эффекта физической формы сорбции [7].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kulkami R. D., Somasundaran P. Flotation chemistry of hematite/oleat system // Colloids and Surfaces. - 1980. - Vol. 1. - No. 3 - 4.
2. Somasundaran P., Wang Dianzuo. Solution Chemistry: Minerals and Reagents. - 2006. - Amsterdam: Elsevier. - P. 218.
3. Smith R. W., Akhtar S. Cationic flotation of Oxide and silicates / Flotation, M. C., Fuerstenau (Ed.), A. M. Gaudin Memorial Volume, 1976. - Vol. 1, AIME Inc., New York, P. 87 -116.
4. Marinakis K. I., Shergold H. L. The mechanism of fatty acid adsorption in the presence of fluorite, calcite and barite // International Journal of Mineral Processing. - 1985. - Vol. 14. -Issue 3.
5. Finch J. A., Smith G. W. Dynamic surface tension of alkaline dodecylamine solutions // Journal of Colloid and Interface Science. - 1973. - Vol. 45. - No.1. - P. 81 - 91.
6. Fuerstenau D.W., Pradip. Zeta potentials in the flotation of oxide and silicate minerals // Advances in colloid and interface science. - 2005. - V. 114 - 115. - P. 9 - 26.
7. Кондратьев С. А. Активность и селективность действия карбоновых кислот, используемых в качестве флотационных реагентов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. - № 6. - С. 116 - 125.
© С. А. Кондратьев, 2014
