Теоретические основы процесса флотации

Процесс флотации состоит из взаимодействия флотируемых частиц с реагентами, прилипания частиц к пузырькам воздуха и образования флотационной пены.

Взаимодействие частиц угля с реагентами осуществляется в виде пленочных или поверхностных соединений и концентрации реагента в диффузном пространстве двойного электрического слоя, окружающего частицу.

Пленка на поверхности частицы образуется из реагента, не подвергшегося химическому изменению, или представляет собой продукт химического взаимодействия реагента с веществом самой частицы.

Уголь хорошо сорбирует из водных растворов реагенты, состоящие из аполярных и полярно-аполярных соединений.

Аполярные реагенты, находящиеся в пульпе в виде эмульсионных капель, прилипают к поверхности угольных частиц (рис. 132) и, растекаясь, образуют на них тонкие пленки масла. Образование такой пленки обусловливает быстрое и прочное прилипание частицы к пузырьку воздуха. При этом вдоль трехфазного контакта появляется каемка реагента (рис. 133), способствующая повышению прочности закрепления частицы на пузырьке воздуха.

Полярно-аполярные реагенты, адсорбируясь на поверхности частиц. угля, оказывают влияние на их гидратированность. Это происходит при ориентированной сорбции молекул реагента, обусловленной наличием окислов на поверхности частицы угля и включений породы. Так, при флотации выветрелых углей молекулы реагента закрепляются на поверхности частиц полярной группой, а углеводородная аполярная ветвь молекул ориентируется в сторону воды (рис. 134, а).

Вследствие ориентированной сорбции молекул гидрофильность окисленной поверхности частиц угля уменьшается. При наличии в пульпе аполярного реагента последний образует на поверхности частиц масляные пленки (рис. 134, б).

Способность прилипания частиц угля к пузырькам воздуха зависит от степени смачиваемости водой (гидратации) их поверхности. Низкая способность к смачиванию поверхности угля еще больше уменьшается под действием адсорбированных на поверхности частиц реагентов. В связи с этим устойчивость гидратных оболочек, образуемых молекулами воды вокруг находящихся в пульпе частиц угля, незначительна. При столкновении их с пузырьками воздуха гидратные оболочки разрываются и частицы прилипают к пузырькам.

Гидратные оболочки вокруг хорошо смачиваемых частиц породы весьма устойчивы, что препятствует прилипанию их к пузырькам воздуха.

Мерой смачиваемости частиц угля (породы) является краевой угол смачивания 0 (рис. 135), образуемый поверхностью растекающейся капли воды с поверхностью частицы или пузырьком воздуха, прилипшим к поверхности частицы в воде. Оба угла измеряются в сторону жидкости. Величина краевого угла — от 0 до 180°. Чем. больше краевой угол, тем выше флотационная активность поверхности частицы.

Прилипание частицы к пузырьку воздуха сопровождается уменьшением количества поверхностной энергии.

Условия для прилипания выражаются следующим соотношением (рис. 136):

где а — поверхностное натяжение на границах раздела (жидкость — газ, твердое — жидкость, твердое — газ), дин/см.

Уменьшение поверхностной энергии при прилипании малых пузырьков к твердой частице выражается уравнением

где ож.г — поверхностное натяжение на границе жидкость — газ, дин/см;

S1 и S2 — площади поверхностей раздела жидкость — газ соответственно до и после прилипания пузырька воздуха к частице, см2;

S2' — площадь контакта пузырька с поверхностью частицы, см2;

O — равновесный краевой угол, град.

При S1 — S1' = S2'.

Уравнение (3) справедливо для условий прилипания пузырька воздуха к твердой частице при бесконечно плоских поверхностях раздела фаз. Величина Д W называется показателем флотируемости.

Работа прилипания пузырьков к твердой частице ориентировочно может быть определена по формуле

Ошибка при пользовании формулой (4) для пузырьков диаметром менее 2 мм и краевых углов 0 < 3 < 105° меньше 10%.

Закрепление частицы на пузырьке воздуха осуществляется по периметру их слипания.

Сила, удерживающая пузырек воздуха на поверхности частицы, равна произведению вертикальной составляющей поверхностного натяжения в пограничном слое вода — воздух на периметр площадки контакта. Она уравновешивается (в статических условиях) гидростатическим давлением и давлением воздуха внутри пузырька.

Равновесие характеризуется уравнением

где r — радиус площадки прилипания пузырька, см;

ож.г — поверхностное натяжение на границе раздела жидкость — газ, дин/см;

O — краевой угол смачивания, град.;

V — объем пузырька, см3;

g — ускорение силы тяжести, см/сек2;

р — плотность воды, г/см3;

R — радиус кривизны пузырька в его вершине, см;

H — высота пузырька, см.

Из уравнения следует, что прочность прилипания возрастает с увеличением краевого угла смачивания.

Теория флотации устанавливает наличие соотношения между размерами воздушных пузырьков и минеральных частиц, при котором создаются лучшие условия для флотации последних. В общем случае небольшие пузырьки минерализуются лучше мелкими частицами, большие — более крупными. При флотации углей высокий коэффициент минерализации пузырьков требует наличия относительно больших поверхностей их, что достигается уменьшением размера пузырьков. Вследствие малого удельного веса угольных частиц флотация их может осуществляться мелкими пузырьками.

Флотационная пена — ячеисто-пленочная трехфазная дисперсная система, состоящая из минерализованных пузырьков воздуха, разделенных тонкими пленками воды.

В чистой воде пузырьки воздуха неустойчивы: сталкиваясь, они коалесцируют (сливаются), а поднявшись на поверхность, лопаются. Для стабилизации пузырьков воздуха и повышения их дисперсности в пульпу вводят специальные реагенты-пенообразователи.

Молекулы пенообразователя ориентированы своей полярной группой в сторону воды (рис. 137), а неполярной ветвью — внутрь пузырька воздуха. Полярные группы молекул, взаимодействуя с водой, окружают пузырек устойчивой гидратной оболочкой, препятствуя его коалесценции и разрушению. Наиболее эффективными пенообразователями являются органические поверхностно-активные вещества, обладающие молекулами с длинной углеводородной ветвью, самопроизвольно концентрирующиеся на границе раздела вода — воздух и понижающие поверхностное натяжение воды.

Устойчивость пены повышается при уменьшении размеров частиц угля и пузырьков воздуха.

Для трехфазной пены характерны следующие особенности: крупность пузырьков в верхних слоях пены больше, чем в нижних; толщина прослоек воды, разграничивающих пузырьки пенного слоя, в его нижних зонах больше, чем в верхних; крупные частицы угля удерживаются преимущественно в нижнем слое пены максимальное пенообразование наблюдается в области ненасыщенных мономолекулярных слоев пенообразователя на пузырьках; как правило, избыток реагента приводит к снижению устойчивости пены.