Флотационный метод получения хлористого калия из сильвинита

|+0,28 |8,7 |9 |

|+0,074 |8,7 |9,6 |

|-0,074 |5,3 |4,1 |

5.Элементарный акт флотации

Поверхность раздела двух фаз обладает свободной поверхностной энергией.

Величина этой энергии зависит от площади межфазновой поверхности и величины

удельной поверхностной энергии, которая является специфической константой,

определяемой свойствами соприкасающихся фаз. Поверхностная энергия

возникает в том случае, когда силы, действующие на молекулы поверхностного

слоя со стороны молекул первой фазы, не равны силам, действующим со стороны

молекул второй фазы

Равнодействующие сил на поверхностную молекулу со стороны воды равны

R1, со стороны молекул воздуха - R2, cуммарная равнодействующая RC = R1?R2

(RC > 0). Для молекулы, показанной на рис. в объеме жидкости RC = 0.

В этом случае для "подъема" молекулы из внутренней части фазы на

поверхность надо совершить работу против молекулярных сил. Количественным

эквивалентом работы, затраченной на "подъем" всех молекул, находящихся в

поверхностном слое на площади 1 см2, будет удельная поверхностная энергия

?? Эрг/cм2. Свободная энергия молекулы, "поднятой" в поверхностный слой,

аналогичная потенциальной энергии тела, поднятого на известную высоту: если

при подъеме тела затрачивается работа против сил земного притяжения, то при

"подъеме" в поверхностный слой - работа против равнодействующей силы

молекулярного притяжения.

Так как молекулярные силы имеют небольшой радиус действия, то

поверхностной энергией обладают молекулы, находящиеся в очень тонком

поверхностном слое, толщина которого лишь немного превышает размеры одной-

двух молекул. На перемещение молекулы в объеме ниже этого слоя уже не

требуется затраты работы против сил молекулярного притяжения, так как

равнодействующая всех сил равна нулю.

Величина удельной поверхности зависит от величины различия между

полярностями соприкасающихся фаз: чем больше это различие, тем больше

удельная поверхностная энергия на границе фаз. Например, поверхностная

энергия на границе раздела двух полярных фаз и на границе раздела двух

неполярных фаз будет малой величиной, а на границе раздела полярной и

неполярной фаз - большой.

Мерой полярности фазы могут служить такие ее свойства, как

диэлектрическая постоянная, дипольный момент молекул, внутреннее давление и

другие так называемые молекулярные свойства фазы.

Газы, и в частности воздух, имеют низкую диэлектрическую постоянную на

границе, поэтому на границе раздела воздуха с разными жидкостями удельная

поверхностная энергия будет более высокой для жидкости с большими

диэлектрическими постоянными (табл. 6)

таблица 6

Зависимость удельной поверхностной энергии от диэлектрических

постоянных соприкасающихся фаз.

|Соприкасающиеся |Диэлектрическая |Разность |Удельная поверхностная|

|фазы |постоянная фазы |диэлектрически|энергия между фазами |

| | |х постоянных | |

| |Воздух |Жидкость| | |

|Воздух - вода |1 |80,4 |79,4 |72,8 |

|Воздух - |1 |36 |35 |43,9 |

|нитробензол | | | | |

|Воздух - гексан |1 |1,8 |0,8 |18,5 |

Эта закономерность справедлива также для поверхностей раздела жидкость

- твердое и газ -твердое. Например, удельная поверхностная энергия на

границе раздела полярный минерал -вода будет малой величиной, так как обе

фазы полярны и поэтому разницы в полярности фаз невелика.

Взаимная растворимость жидкостей также связана с различием в их

полярности: если разница в полярности большая, то взаимная растворимость

мала, и наоборот. Поэтому между взаимной расторимостью жидкостей и удельной

поверхностной энергией должна существовать качественная зависимость: чем

больше взаимная растворимость жидкостей, тем меньше удельная поверхностная

энергия на границе раздела этих жидкостей и наборот (табл. 7)

таблица 7

Зависимость поверхностной энергии на границе двух жидкостей от их

взаимной растворимости

|Соприкасающиеся |Растворимость в |Удельная поверхностная |

|жидкости |воде, % |энергия на границе |

| | |раздела |

|Вода - ненасыщенные |0 |40-50 |

|углероды | | |

|Вода - бензол |0,6 |35 |

|Вода - анилин |3,3 |8 |

|Вода - изобутиловый |10 |1,8 |

|спирт | | |

|Вода - метиловый |- |0 |

|спирт | | |

Всякая поверхность двух фаз стремится к самопроизвольному сокращению и

внешне это проявляется так, как будто на поверхности раздела фаз существует

упругая растянутая пленка, стремящаяся сократиться. Отсюда возникли понятия

"поверхностное натяжение" и "сила поверхностного натяжения".

Численно удельная поверхностная энергия, выраженная в эрг/см2, всегда

равна удельному поверхностному натяжению, выраженному в динах на один

сантиметр. Водные растворы солей увеличивают поверхностное натяжение (табл.

8)

таблица 8

Поверхностное натяжение водных растворов KCl и NaCl при 18С, 10-3 Н/м.

|Концентрация соли в растворе, |Поверхностное натяжение |

|% | |

| |KCl |NaCl |

|1 |72,4 |72,7 |

|5 |73,6 |73,95 |

|10 |74,75 |75,51 |

|20 |77,25 |- |

Поверхностное натяжение водных растворов KCl – NaCl в присутствии

флотореагентов уменьшается. Причем, чем выше концентрация флотореагентов,

тем ниже поверхностное натяжение раствора.

Поверхностное натяжение на границе жидкость – газ зависит также от

состава газа. Так, поверхностное натяжение расплавленного хлорида калия при

800 градусах Цельсия на границе с различными газами изменяется следующим

образом:

|газ |D*10^-3 |

| |Н/м |

|CO2 |96,9 |

|N2 |95,5 |

|CO |93,4 |

|O2 |91,1 |

5.1.Обзор гипотез элементарного акта флотации

Для объяснения причин избирательного закрепления разных минералов на

межфазовой поверхности было высказано несколько гипотез:

5.1.1.Гипотеза избирательной адсорбции кислорода воздуха

В начальный период развития пенного флотационного процесса флотировали

только сульфидные минералы. Закрепление сульфидов на пузырьках воздуха

объясняли сродством серы к кислороду. Предполагалось, что растворенный в

воде кислород воздуха адсорбируется на поверхности сульфидов, образуя

газовую пленку и частица оказывается закрепленной на пузырьке. Позднее эта

гипотеза была опровергнута, так как оказалось, что сульфиды могут

флотироваться инертными газами, а минералы, не содержащие серы, также могут

закрепляться на пузырьках воздуха. Тем не менее кислород воздуха имеет

очень важное значение для флотации сульфидов, но основная его роль

заключается в окислении поверхностного слоя сульфидов.

5.1.2.Гипотеза электростатическая

В этом случае закрепление объясняли тем, что пузырек и флотирующая

частица имеют электрические заряды разного знака. При экспериментальной

проверке оказалось, что частицы графита и пустой породы имели заряды одного

знака, однако флотировался только графит. Позднее несостоятельность этой

гипотезы была доказана и теоретически. Заряд поверхности частиц играет

важную роль при флотации, но не ту, которую приписывали ему сторонники этой

гипотезы.

5.1.3.Гипотеза смачивания, или гипотеза краевого угла.

Способность минералов закрепляться на поверхности раздела газ –

жидкость зависит от смачиваемости их жидкостью. Чем сильнее минералы

смачиваются водой, тем хуже они флотируются, и наоборот. Так как

смачиваемость характеризуется величиной краевого угла, то эту гипотезу

называют также гипотезой краевого угла. Гипотеза смачивания включает в себя

две трактовки элементарного акта флотации. Первая исходит из представления

о силах поверхностного натяжения и рассматривает силы, действующие на

частицу. Такую трактовку называют еще "силовой". Вторая трактовка

основывается только на представлении о существовании поверхностных энергий

на границах фаз. Возможность закрепления частицы при этом оценивается на

основе второго закона термодинамики, т.е. как показано выше, по величине

свободной энергии системы до и после закрепления частицы. Вторая трактовка

является наиболее правильной (строгой) и называется термодинамической.

Выводы и формулы обеих трактовок идентичны.

5.1.4.Адсорбционная гипотеза К.Ф. Белоглазова

Гетерополярные молекулы коллектора закрепляются на поверхности

флотируемых частиц, причем углеводородные концы молекул обращены в водную

фазу. Такое ориентированное закрепление происходит вследствие возникновения

сильных связей между полярной частью молекулы коллектора и полярным

минералом.

Закрепление покрытых коллектором частиц на поверхности пузырька

объясняется уменьшением поверхностной энергии, так как в этом случае

поверхность раздела воздух – вода, обладающая большой удельной

поверхностной энергией, как бы заменяется поверхностью раздела воздух –

углеводород с низкой поверхностной энергией. Закрепление частицы на

междуфазовой поверхности по гипотезе Белоглазова в энергетическом отношении

эквивалентно адсорбции того числа молекул гетерополярного вещества, которое

находится на грани минерала, контактирующей с газообразной фазой. Поэтому

элементарный акт флотации рассматривается как адсорбция гетерополярных

молекул и на него распространяются закономерности, установленные для

процесса адсорбции. Вследствие этого, гипотеза Белоглазова может быть

названа адсорбционной. Основные исходные ее предпосылки, как признавал и

сам автор, не вполне точны. Адсорбционную гипотезу можно рассматривать как

частный случай гипотезы смачивания.

6.Флотационная сила

Флотационной силой называется проекция сил поверхностного натяжения

[pic], приложенных к частице по периметру смачивания, на направление, по

которому действует сила, отрывающая частицу от поверхности раздела газ –

жидкость.

Если отрывающей силой является сила тяжести, то флотационной силой

будет вертикальная составляющая сил [pic], приложенных по периметру

смачивания.

Так как флотационная сила пропорциональна периметру смачивания или

диаметру частицы, а сила тяжести – объему частицы или диаметру в третьей

степени, то при уменьшении размера частицы флотационная сила будет

уменьшаться медленнее, чем сила тяжести. Например, при уменьшении диаметра

частиц в 10 раз флотационная сила уменьшится в 10 раз, а сила тяжести – в

1000 раз. Поэтому, если удельная флотационная сила, т.е. сила, действующая

на единицу длины периметра, не равна нулю, то всегда можно выбрать частицу

столь малых размеров, для которой флотационная сила будет больше силы

тяжести. Это важное положение нужно помнить при рассмотрении сил,

действующих на частицу.

Возможны три положения частицы малых размеров на поверхности раздела

воздух – вода в соответствии с тремя краевыми углами смачивания: тупым,

острым и равным нулю.

7.Максимальный размер частицы, флотирующейся на поверхности пузырьков

при пенной флотации.

Для осуществления пенной флотации необходимо турбулентное движение

пульпы, так как при ламинарном ее движении частицы минералов осаждаются на

дно машины.

При вихревом движении пульпа вместе с увлекаемыми частицами и

пузырьками перемещается по криволинейным траекториям. Это вызывает

появление центробежных сил, под влиянием которых пузырьки воздуха, имеющие

меньшую плотность, чем жидкость, начинают двигаться в пульпе от центра

вихря к периферии и одновремено тонут под действием силы тяжести. Таким

образом, скорости пузырька и частицы до ее закрепления на пузырьке

складываются из скорости их переносного движения в пульпе. Так как

центробежные силы, возникающие при вихревом движении пульпы, намного больше

сил тяжести, то вертикальные составляющие относительных скоростей движения

пузырьков и частиц малы по сравнению с радиальными составляющими этих

скоростей. Поэтому скоростями всплывания пузырьков и падения частиц можно

пренебречь по сравнению со скоростью радиального движения пузырьков к

центру вихря.

Вследствие относительного движения пузырька пульпа обтекает его

поверхность (рис. 1). Частица после столкновения с пузырьком начинает

скользить по его поверхности к кормовой части пузырька, проходя положения 2-

6. Вектор абсолютной скорости скользящей частицы будет равен геометрической

сумме трех векторов: скорости переносного движения (т.е. скорости движения

пульпы), скорости относительного (радиального) движения пузырька в пульпе,

скорости относительного движения частицы по пузырьку. Вектор абсолютного

ускорения чатицы также равен геометрической сумме трех векторов: ускорения

переносного движения пульпы, ускорения относительного движения (скольжения)

частицы по поверхности пузырька и кориолисова ускорения (преполагается, что

скорость радиального перемещения пузырька VR постоянна, поэтому ускорение

относительного движения пузырька в пульпе равно нулю). Подсчеты показывают,

что при работе механической флотационной машины ускорение относительного

движения частицы по пузырьку во много раз больше переносного движения и

кориолисова ускорения. Поэтому в первом приближении можно считать, что

абсолютное ускорение частицы равно ускорению скольжения частицы по пузырьку

и направлено от центра тяжести к центру пузырька.

рис.1. Закрепление частицы на пузырьке (R – радиус вращения пульпы и

пузырька)

Грань частицы, контактирующую с пузырьком, принято называть верхней

гранью, а противоположную – нижней гранью.

На частицу будут действовать следующие силы:

1. Центробежная

2. Сила давления воздуха на верхнюю грань частицы

Удельное давление воздуха сложится из гидростатического давления пульпы

на уровне точик А, дополнительного движения пульпы на пузырьке в точке А,

возникающее вследствие движения пузырька в пульпе (давление лобового

сопротивления), дополнительного капиллярного давления, обусловленного

поверхностным натяжением и кривизной пузырька.

Отрыву частиц препятствуют следующие силы::

1. Флотационная

[pic],

где [pic]периметр площади контакта газ – твердое;

[pic]гистерезисный краевой угол в момент отрыва частицы.

Так как при отрыве частицы в условиях пенной флотации периметр

смачивания быстро передвигается в сторону газообразной фазы, то

гистерезисный угол отрыва может быть больше равновесного. Однако в первом

приближении его можно считать равным равновесному, так как ошибка от такого

допущения невелика.

2. Сила давления пульпы на нижнюю грань частицы

[pic]

где [pic]площадь нижней грани частицы, принимаемая равной площади

сечения частицы;

[pic]удельное давление пульпы на нижнюю грань.

Удельное давление пульпы на нижнюю грань будет равно разности между

гидростатическим давлением на уровне нижней границы частицы и величиной

понижения давления, обусловленной движением пузырька и частицы пульпы.

Если плотность частицы значительно отличается от плотности жидкой фазы,

то из всех силы, действующих на частицу в условиях пенной флотации,

решающее значение имеют две – флотационная и центробежная силы.

При пенной флотации вследствие появления центробежных сил скорости

относительного движения пузырьков по направлению к центру вихря и частиц от

центра вихря значительно больше, чем скорости подъема пузырьков и падения

частиц в спокойной пульпе. Поэтому в зоне перемешивания имеют место большие

скорости скольжения частиц по пузырькам. Ускорения, вызываемые такими

скольжениями, по данным приближенной оценки превышают ускорение силы

тяжести в 30 – 50 раз.

8. Флотационные машины

Исходный сильвинит подвергается флотации в аппаратах, называемых

флотационными машинами, в которых происходит минерализация пузырьков

воздуха и образование пеноконцентрационного слоя, который самотеком или

пеносъемниками направляется в желоб пенного продукта (концентрата).

Гидрофильные минералы пустой породы остаются в камере и удаляются через

хвостовое отверстие машины.

Применяемые в практике флотационные машины классифицируют в зависимости

от способа аэрации пульпы и подразделяют на три большие группы:

1) механические;

2) пневмомеханические;

3) пневматические.

В механических флотомашинах воздух засасывается в пульпу импеллером

через полую трубу. Распределение воздуха по всему объему пульпы и

перемешивание ее осуществляется тем же импеллером.

В пневмомеханических флотомашинах воздух засасывается вращающимся

импеллером и, кроме того, дополнительно подается в пульпу под давлением по

специальным воздуховодным трубам.

В пневматических флотомашинах аэрация пульпы осуществляется только

сжатым воздухом, подаваемым от воздуходувок.

Работа всех флотационных машин характеризуется степенью аэрации,

которая определяет скорость флотации и ее эффективность.

Размер пузырьков воздуха изменяется в широких пределах и зависит

главным образом от типа флотомашины. Так, в механических флотомашинах при

оптимальном расходе пенообразователя средний размер пузырьков составляет

0.8-1 мм, а в пневматических – 2.5-4.0 мм. Объемное содержание воздуха в

хорошо аэрированной пульпе составляет 20-30%.

Механические флотомашины конструкции института Механобр получили

наиболее широкое распространение. Для флотации сильвинита используют

усовершенствованную машину механического типа ФКМ-63, снабженную решеткой и

циркуляционным желобом (рис. 2). Частицы минералов в такой флотомашине

выносятся из зоны импеллера на решетку 1, над которой образуется "кипящий"

слой из классифицированного материала и взвешенный слой из

неклассифицированного материала.

9. Флотационные реагенты

Процесс флотации происходит при участии реагентов, которые условно

подразделяются на пять классов:

а) собиратели; б) вспениватели; в) депрессоры; г) активаторы; д)

регуляторы среды.

Собиратели – это реагенты, которые образуют на поверхности минерала

гидрофобную пленку и делают поверхность несмачиваемой. К собирателям

относятся органические соединения – природные жиры, содержащие олеиновые и

другие кислоты, ксантогенат калия или натрия и другие. Для флотации

сильвинитовых руд применяют амины.

Вспениватели добавляются для получения устойчивых пузырьков воздуха,

вспениватели как правило, пропускаются через воду. Представителями класса

вспенивателей являются спирты, фенол, крезол и другие.

При наличии в руде нескольких минералов и необходимости выделения в

пенный продукт только некоторых применяют депрессоры, которые уменьшают

адсорбцию собирателей на поверхности минералов, предотвращая тем самым его

флотацию. В качестве депрессоров применяются соли, щелочи и кислоты.

Наиболее употребимы цианистый калий, цинковый купорос, известь.

Некоторые минералы флотируются только после того, как на их поверхности

образовалась активная пленка. Эту пленку образуют реагенты активаторы.

Активаторы также способны нейтрализовать действие депрессоровю Наиболее

распространенными являются медный купорос, серная кислота и сернистый

натрий.

Для улучшения факторов, способствующих флотации, применяются реагенты –

регуляторы процесса.

Регуляторы вводятся в пульпу, изменяя среду, делая ее щелочной или

кислотной, что способствует более эффективному воздействию активаторов или

депрессоров на поверхности минералов.

10.Технологическая схема процесса флотации

Применяемые в калийной промышленности СНГ схемы флотационного способа

переработки сильвинита основаны на переводе в пенный продукт хлорида калия

с помощью коллекторов катионного типа и принципиально не отличаются друг от

друга. Некоторые различия обусловлены методами выделения глинистых шламов и

раздельной флотацией мелко- и крупнокристаллического хлорида калия. Полная

технологическая схема процесса флотации представлена на рис.2

Выбор способа удаления шламов зависит от содержания нерастворимого

остатка, его состава и распределения по классам крупности. В зависимости от

этого применяют один из следующих трех способов (или их комбинацию):

1) Флотационное выделение шламов;

2) Депрессию глинистых шламов;

3) Механическое выделение шламов;

Поскольку два первых метода связаны с использованием реагентов, то их

расход определяется пропорционально содержанию нерастворимого остатка

(глинистых примесей) в исходном сильвините. Поэтому для удаления шламов с

большим его содержанием в исходной руде (свыше 6%) рекомендуется

использовать механический способ, который реализуется на гидроциклонах на

стадиях измельчения и классификации сильвинитовой руды. Наибольшее

распространение получила схема с предварительной флотацией глинистого

шлама, поскольку сильвинит наиболее крупного месторождения – Верхнекамского

– содержит меньше глинистых примесей. На некоторых предприятиях этого

месторождения используется также механическое удаление части шламов перед

флотационным удалением.

рис.2. Схема флотации сильвинита с предварительной флотацией глинистых

шламов: 1- бункер для руды, 2- стержневая мельница; 3- мешалка; 4 –дуговое

сито P=1500; 5 – дуговое сито P=550; 6 – флотомашины шламовой флотации; 7 –

флотомашины для перечистки шламов; 8 – флотомашины для перечистки

концентрата; 10 – центрифуга; 11 – сгуститель; 12 – сгуститель хвостов; 13

– вакуум-фильтр; 14 – ловушка; 16 – сборник оборотного раствора.

Страницы: 1, 2, 3