Теоретичні основи флотації

Флотаційна пульпа являє собою багатофазну систему. Вона складається з твердої фази Т - дрібних часток вугілля і породи; рідкої фази Ж - води; газоподібної фази Г - пухирців повітря. Крім того, у пульпу подають флотаційні реагенти для зміни властивостей поверхні твердої фази.

Процес флотації пов'язаний із фізико-хімічними явищами, що відбуваються на поверхні поділу фаз. Найбільше важливе значення для процесу флотації мають поверхневий натяг, змочуваність і адсорбція.

Рис. 14‑14 – Схема дії молекулярних сил

Поверхневий натяг (поверхнева енергія). У рідині (рис. 14-14) молекули знаходяться в рівновазі, тому що вони відчувають однакові в усіх напрямках сили тяжіння сусідніх молекул. Рівнодіючих сил, що діють на молекулу, дорівнює нулю.

На поверхні поділу фаз Ж-Г молекули рідини відчувають тяжіння молекул рідини і повітря. Проте сили тяжіння молекул повітря менше, чим молекул рідини. Тому неврівноважені сили ринуться втягти молекулу усередину рідини. Неврівноважені сили на поверхні поділу фаз спроможні чинити роботу, тобто молекули поверхневого прошарку рідини мають запас вільної поверхневої енергії.

Вільна поверхнева енергія, віднесена до площі поверхні поділу фаз, називається питомою поверхневою енергією.

Поверхневий натяг - сила, що діє уздовж поверхні поділу на одиницю її довжини. Поверхневий натяг і поверхнева енергія чисельно рівні.

Вільною поверхневою енергією володіють і тверді тіла. Їхній поверхневий натяг значно більше, чим рідин.

При флотації поверхневий натяг води зменшують, додаючи флотаційні реагенти, що покращує піноутворення.

Змочуваність - явище взаємодії поверхні мінеральних часток із молекулами води під дією неврівноважених сил. Змочуваність залежить від вільної поверхневої енергії часток. При великому запасі вільної поверхневої енергії частки добре змочуються водою, при малому - погано.

Якщо помістити частку у воду, то під дією неврівноважених сил на поверхні поділу фаз утвориться тонкий прошарок молекул води. Цей процес називають гідратацією. При цьому полярні молекули води (диполі) під дією неврівноважених сил утворять прошарок орієнтованих молекул на поверхні частки.

Кількісно змочуваність визначається значенням крайового куту змочування.

Рис. 14‑15 – Схема дії сил поверхневого натяжіння

Крайовий кут змочування (рис. 14-15) - кут; утворений дотичною до поверхні краплі (або бульки повітря) і поверхнею мінералу, що відраховується з боку краплі. Крайовий кут змочування змінюється від 0 до 180 і складає для вугілля 60-90⁰ і породи 0-10⁰. Розтікання краплі води по поверхні мінералу припиняється при зрівноважуванні сил поверхневого натягу.

Частки, які погано змочуються водою, називають гідрофобними; частки, які добре змочуються водою, - гідрофільними. До гідрофобних відносяться частки вугілля, до гідрофільних - породи. З поверхні гідрофобних часток повітря легко витискує воду, а з поверхні гідрофільних часток вода легко витискує повітря.

Зменшення змочуваності водою часток, що флотуються, сприяє кращому їх прилипанню до бульок повітря. Введенням у пульпу флотаційних реагентів домагаються зміни змочуваності поверхні мінеральних часток і, отже, їх прилипання до повітряних бульок.

Адсорбція - поглинання речовини з газового або рідкого середовища поверхневим прошарком твердого тіла або рідини, називаних адсорбентом.

При адсорбції реагентів змінюються властивості поверхні часток. Явище адсорбції використовують при флотації для зміни змочуваності часток, що флотують.

Флотаційні реагенти, є одним із найважливіших засобів здійснення і регулювання процесу флотації, і призначені для підвищення гідрофобності або зниження гідратованості мінералів, що флотуються, а також надання стійкості (тривкості) булькам повітря в пульпі і зменшення їх крупності.

Всі речовини, що входять до складу реагентів, а також мінеральних часток, різняться будівлею молекул і розділяються на неполярні, полярні і гетерополярні.

До неполярних (аполярних) органічних реагентів відносять багато граничних вуглеводні (олії, жири й ін.) із симетричною будівлею молекул, у яких збігаються електричні центри ваги позитивних і негативних зарядів. Ці речовини слабко гідратуються і практично нерозчинні у воді.

Полярні речовини - з'єднання, у молекулах яких електричні центри ваги позитивних і негативних зарядів не збігаються: один кінець молекули має позитивний, а інший - негативний заряди. Полярні речовини у воді розпадаються на іони, хімічно активні, розчинних у воді.

Гетерополярні речовини - з'єднання, молекули яких складаються з полярної і неполярної груп атомів і володіють одночасно властивостями полярних і неполярних речовин.

По структурі флотаційні піни поділяють на плівкові, плівково-структурні, агрегатні.

Плівкова піна (рис. 14-16, а) складається з тонкого шару спливших на поверхню пульпи крупних мінеральних часток, поєднаних між собою мілкими бульками повітря.

Плівково-структурна піна (рис. 14-16, б) складається з крупних бульок повітря, які покриті тонкими частками вугілля. Проміж бульок знаходиться значна кількість води. Ця піна характерна для флотації вугілля.

Агрегатна піна (рис. 14-16, в) складається з більш крупніших часток вугілля і агрегатів, що заповнюють основну частину простору між бульками. Розміри бульок у агрегатної піни менше чим у плівково-структурної. Ця піна добре мінералізована і обводнена менш, чим плівково-структурна.

Рис. 14‑16 – Структура флотаційних пін