Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Флотация (от англ. float — всплывать) — метод обогащения полезных ископаемых, основанный на избирательном прилипании минеральных частиц к поверхности раздела двух фаз. Из всех разновидностей флотационного обогащения наибольшее промышленное значение имеет пенная флотация, при которой гидрофобные (несмачиваемые водой) частицы минералов закрепляются на пузырьках воздуха, всплывают на поверхность пульпы и образуют минерализованную пену — концентрат. Гидрофильные (смачиваемые водой) частицы пустой породы остаются в объёме пульпы и удаляются в хвосты.
Флотацией перерабатывается свыше 90% руд цветных металлов, а также значительная часть руд чёрных и редких металлов, горно-химического сырья и углей. Метод позволяет эффективно перерабатывать бедные и тонковкрапленные руды, для которых гравитационные методы неприменимы.
Физико-химическая основа процесса — различие в смачиваемости поверхности разделяемых минералов. Количественной мерой смачиваемости является краевой угол смачивания θ: чем больше θ, тем более гидрофобна поверхность и тем выше склонность минерала к флотации. Природной гидрофобностью обладают немногие минералы (графит, молибденит, сера, тальк, уголь). Для большинства минералов гидрофобность создаётся искусственно — с помощью флотационных реагентов.
Перед флотацией руда измельчается в шаровых или стержневых мельницах до крупности, обеспечивающей раскрытие минеральных сростков: для руд тяжёлых металлов — до 0,1–0,2 мм (60–95% класса −0,074 мм), для лёгких минералов (уголь, сера, фосфаты) — до 0,5–1,0 мм. Измельчённая руда смешивается с водой, образуя пульпу с соотношением Т:Ж от 1:2,5 до 1:4.
Эффективность и селективность флотации определяются подбором реагентного режима. По функциональному назначению флотационные реагенты делятся на три основные группы: собиратели, пенообразователи и модификаторы (регуляторы).
Собиратели — основные реагенты флотации, обеспечивающие избирательную гидрофобизацию поверхности целевых минералов. По типу функциональной группы собиратели делятся на сульфгидрильные (для сульфидных минералов) и оксигидрильные (для несульфидных минералов).
Применяются для флотации сульфидных руд меди, свинца, цинка, никеля, золота, серебра.
На отечественных обогатительных фабриках основным собирателем при флотации сульфидных руд на протяжении десятилетий является бутиловый ксантогенат калия. Он обладает высокой собирательной способностью по отношению ко всем сульфидным минералам, включая пирит, что делает его мощным, но малоселективным реагентом. Для повышения селективности применяют сочетания ксантогенатов с дитиофосфатами.
Применяются для флотации несульфидных минералов: карбонатов, оксидов, сульфатов, фосфатов, фторидов. К ним относятся натриевые мыла жирных кислот (олеат натрия), алкилсульфаты и алкилсульфонаты, а также катионные собиратели — амины (для флотации кварца, полевых шпатов, слюд).
Пенообразователи (вспениватели) — слабые поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе жидкость–газ. Они обеспечивают диспергирование воздуха на мелкие пузырьки и стабилизацию минерализованной пены.
Флотационная машина — аппарат, в котором осуществляется процесс разделения минеральных частиц на основе различия их смачиваемости. Основные функции флотомашины: аэрация пульпы (насыщение воздухом), перемешивание для поддержания частиц во взвешенном состоянии, создание условий для контакта частиц с пузырьками и формирования минерализованной пены.
Механическая флотомашина состоит из ванны (камеры), внутри которой вращается импеллер на вертикальном валу. Импеллер создаёт разрежение, засасывая воздух через полый вал или патрубок, и диспергирует его на мелкие пузырьки диаметром 0,5–2 мм. Пульпа интенсивно перемешивается, обеспечивая равномерное распределение пузырьков и поддержание частиц во взвешенном состоянии. Минерализованная пена снимается с поверхности пеносъёмниками (скребками) в приёмный жёлоб. Камерный продукт (хвосты) выводится через разгрузочный порог.
Колонные флотомашины не имеют импеллера: воздух подаётся через пористые аэраторы или спаргеры в нижней части высокой колонны (высота до 10–15 м), а противоток пульпы и пузырьков обеспечивает высокую селективность разделения. Промывочная вода подаётся в верхнюю часть пенного слоя для повышения качества концентрата. Колонные машины особенно эффективны на перечистных операциях.
Технологическая схема флотации на обогатительной фабрике включает несколько последовательных и параллельных операций, объединённых в замкнутый цикл. Каждая операция выполняет определённую функцию в общей цепи обогащения.
По способу выделения полезных компонентов различают две принципиальные схемы флотации:
Коллективная флотация — все ценные минералы извлекаются в один (коллективный) концентрат, который затем направляется на селекцию. Применяется при обогащении полиметаллических руд (Cu-Zn, Cu-Pb-Zn), когда прямое селективное разделение из исходной руды затруднено.
Селективная (прямая) флотация — каждый ценный минерал последовательно выделяется в отдельный концентрат непосредственно из исходной руды. Требует точного подбора реагентного режима для подавления минералов, не подлежащих извлечению на данной стадии.
На практике часто применяют коллективно-селективную схему: сначала получают коллективный концентрат (например, медно-цинковый), затем разделяют его на индивидуальные продукты (медный и цинковый концентраты) с применением специфических депрессоров.
Медные руды обогащаются исключительно флотацией. Технологическая схема зависит от типа руды (вкрапленная или сплошная), минерального состава и содержания пирита.
1. Измельчение: I стадия до 45–60% класса −0,074 мм, II стадия (доизмельчение грубого концентрата) до 85–95% класса −0,074 мм
2. Основная флотация: собиратель — бутиловый ксантогенат (10–30 г/т), пенообразователь — Т-80 или МИБК (20–50 г/т), известь для регулирования pH до 8–9
3. Контрольная флотация: доизвлечение меди из хвостов основной операции с дополнительной подачей собирателя (5–10 г/т)
4. Перечистные операции (1–3 стадии): доизмельчение грубого концентрата, перечистка без подачи или с минимальной подачей реагентов
5. Обезвоживание: сгущение, фильтрация и сушка готового концентрата
Депрессия пирита при флотации медных руд осуществляется двумя основными способами:
Известковый режим: подача извести (CaO) до pH 12,0–12,5 (400–500 г/м3 свободной CaO). На поверхности пирита образуются гидрофильные плёнки гидроксидов железа, препятствующие сорбции ксантогената. Применяется на большинстве отечественных фабрик при обогащении сплошных сульфидных руд.
Цианидный режим: подача цианида натрия (NaCN) в слабощелочной среде (pH 9–10). Цианид десорбирует ксантогенат с поверхности пирита и образует растворимые цианидные комплексы железа. Режим более селективен, но требует меньших расходов собирателя.
Для оценки результатов флотационного обогащения используются следующие технологические показатели:
Извлечение (ε) — доля ценного компонента, перешедшего из исходной руды в концентрат:
ε = (γ × β) / α × 100%
где: γ — выход концентрата (доля массы концентрата от массы исходной руды); β — содержание ценного компонента в концентрате, %; α — содержание ценного компонента в исходной руде, %.
Степень концентрации (K) — отношение содержания ценного компонента в концентрате к его содержанию в руде:
K = β / α
Выход концентрата (γ) — отношение массы полученного концентрата к массе переработанной руды:
γ = Qк / Qр × 100%
Руда с содержанием меди α = 1,0%. Получен концентрат с содержанием β = 25% Cu при выходе γ = 3,6%.
Извлечение: ε = (3,6 × 25) / 1,0 × 100% = 90%
Степень концентрации: K = 25 / 1,0 = 25
Бутиловый ксантогенат калия (C4H9OCS2K) обладает высокой собирательной способностью по отношению ко всем сульфидным минералам цветных металлов. Он доступен, технологичен, растворим в воде и эффективен в широком диапазоне pH. Расход составляет от 10 до 150 г/т руды в зависимости от содержания сульфидов. Основным недостатком является невысокая селективность — ксантогенат извлекает в пену не только ценные минералы, но и пирит, поэтому требуется применение депрессоров (извести или цианида) для подавления флотации пирита.
При коллективной флотации все ценные минералы извлекаются одновременно в один коллективный концентрат, который затем разделяется на индивидуальные продукты в операции селекции. При селективной (прямой) флотации каждый минерал выделяется в отдельный концентрат непосредственно из исходной руды за счёт точного реагентного режима. Коллективная схема применяется, когда прямое разделение из руды затруднено (например, при тесном прорастании минералов), а селективная — для простых по составу руд с хорошо раскрытыми минеральными зёрнами.
Контрольная флотация обрабатывает хвосты основной операции для доизвлечения ценного компонента, который не успел перейти в пенный продукт на основной стадии. Пенный продукт контрольной флотации (промпродукт) возвращается в основную операцию, а камерный продукт направляется в отвальные хвосты. Без контрольной флотации потери ценного компонента с хвостами существенно возрастают. На большинстве фабрик проводят одну-две контрольные операции.
Медный купорос (CuSO4) служит активатором сфалерита (ZnS) при цинковой флотации. Ионы Cu2+ замещают Zn2+ на поверхности сфалерита, образуя тонкую плёнку сульфида меди (CuS). Эта плёнка обеспечивает эффективную сорбцию ксантогената на поверхности сфалерита, что делает его гидрофобным и позволяет извлечь в пенный продукт. Без активации медным купоросом сфалерит практически не флотируется сульфгидрильными собирателями.
При флотации вкрапленных медных руд извлечение меди в концентрат на уровне 85–93% считается хорошим промышленным показателем. Содержание меди в готовом концентрате при этом достигает 15–30%. Для сплошных (массивных) сульфидных руд извлечение обычно составляет 80–90% при содержании Cu в концентрате 15–25%. Конкретные показатели зависят от минерального состава руды, крупности вкрапленности, степени окисления и применяемого реагентного режима.
Колонные флотомашины обеспечивают более высокую селективность разделения за счёт противоточного движения пульпы и пузырьков воздуха, а также промывки пенного слоя чистой водой. Это позволяет получать концентраты более высокого качества. Колонные машины не имеют подвижных механических частей (импеллера), что снижает энергопотребление и износ. Они эффективны для тонких классов крупности и широко применяются на перечистных операциях, где требуется максимальное качество концентрата.
Измельчение руды перед флотацией необходимо для раскрытия минеральных сростков — разделения зёрен ценных минералов и пустой породы. Без достаточного измельчения значительная часть ценного минерала останется в сростках с породой, что приведёт к потерям. Крупность измельчения определяется размером вкрапленности: для тонковкрапленных руд требуется измельчение до 85–95% класса −0,074 мм, для крупновкрапленных — до 50–60%. Переизмельчение также нежелательно, поскольку шламы (частицы менее 10 мкм) ухудшают селективность флотации.
Водородный показатель (pH) пульпы — один из ключевых факторов, определяющих селективность флотации. Он влияет на электрический заряд поверхности минералов, устойчивость собирателей и активность ионов в растворе. Например, при повышении pH известью пирит переходит в депрессированное состояние из-за образования гидроксидных плёнок на его поверхности, в то время как халькопирит сохраняет способность к флотации. Оптимальные значения pH подбираются для каждой руды индивидуально: для медных руд обычно pH 8–12, для цинковых (после активации) — pH 11–12.
1. Абрамов А. А. Флотационные методы обогащения. Учебник для вузов. 3-е изд. М.: Издательство МГГУ, 2008.
2. Абрамов А. А. Технология переработки и обогащения руд цветных металлов. Том 1-3. М.: Издательство МГГУ.
3. Богданов О. С. и др. Справочник по обогащению руд. В 3-х т. 2-е изд. М.: Недра, 1983.
4. Wills B. A., Finch J. A. Wills' Mineral Processing Technology. 8th ed. Butterworth-Heinemann, 2016.
5. Fuerstenau M. C., Jameson G. J., Yoon R.-H. Froth Flotation: A Century of Innovation. SME, 2007.
6. Bulatovic S. M. Handbook of Flotation Reagents. Vol. 1-3. Elsevier, 2007-2015.
7. ГОСТ 25006-81. Оборудование обогатительное. Термины и определения (с Изменением N 1).
8. Митрофанов С. И. Селективная флотация. 2-е изд. М.: Недра, 1967.
9. Разумов К. А., Перов В. А. Проектирование обогатительных фабрик. Учебник для вузов. 4-е изд. М.: Недра, 1982.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.