книги / Органические реагенты во флотации

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

1. ФЛОТАЦИЯ. ФЛОТАЦИОННЫЕ РЕАГЕНТЫ

Среди известных методов обогащения калийных и полиметаллических руд, углей и горнохимического сырья широкое распространение получил метод флотации.

Руда – природное ископаемое, представляющее собой сложные и разнообразные по составу смеси минеральных веществ. Сырьем для калийной промышленности в основном являются сильвинитовые руды, минералогическую основу которых составляют сильвинит KCl и галит NaCl, в качестве примесей присутствуют карналит

икарбонатно-глинистые породы. Основной компонент соляных пород – галит NaCl, его содержание достигает 65–75 %. Продуктом обогащения сильвинитовых руд является хлорид калия.

Обогащением руд называется процесс переработки минерального сырья с целью отделения полезных минералов от пустой породы или разделения полезных минералов.

Результаты обогащения оцениваются прежде всего полнотой извлечения ценных компонентов. Продукт обогащения, называемый концентратом, содержит ценного компонента в десятки, а иногда

ив сотни раз больше по сравнению с рудой.

Метод флотации позволяет вовлечь в переработку бедные руды, дополнительно получать десятки тысяч тонн металлов и минеральных продуктов, комплексно использовать сырье без существенных капитальных затрат.

Основную роль в процессе флотации играют химические реагенты. От их эффективности и экономически целесообразного применения зависит результат флотации.

Флотационный метод обогащения состоит в разделении смеси минералов на основе их различной способности удерживаться на границе раздела фаз в жидкой среде.

4

Обычно флотацию проводят в воде, где диспергируют измельченные частицы минерала, пульпу насыщают пузырьками воздуха. Флотирующиеся частицы с гидрофобной поверхностью закрепляются на воздушных пузырьках и выносятся ими на поверхность пульпы, образуя слой минерализованной пены. Гидрофильные частицы остаются в пульпе или оседают.

Флотационные реагенты по их назначению делят на собиратели (коллекторы), пенообразователи и модификаторы (регуляторы).

Собирателями являются органические соединения, которые, избирательно закрепившись на поверхности гидрофильных минералов, понижают их смачиваемость водой и способствуют прилипанию частиц к воздушному пузырьку.

Пенообразователи – это поверхностно-активные вещества, которые, адсорбируясь на межфазной границе воздух–вода, понижают поверхностное натяжение, обеспечивают устойчивость флотационной пены и препятствуют коалесценции пузырьков.

Регуляторы, или модификаторы, – это неорганические и органические соединения, которые в соответствии с назначением делятся на классы: подавители, активаторы, реагенты среды, изменяющие pH, и флокулянты. Последние представляют собой органические высокомолекулярные соединения, которые, закрепившись на поверхности тонкодисперсных частиц, способствуют их слипанию с образованием хлопьев и осаждению пустой породы.

Наряду с флокулянтами для этой цели применяют коагулянты, представляющие собой неорганические электролиты. Эффективность действия полимерных флокулянтов значительно выше, чем коагулянтов, что позволяет уменьшить их расход.

Применяемые во флотации реагенты относятся к различным классам органических и неорганических веществ. Глубокое понимание физико-химических процессов, протекающих на поверхности минералов и в объеме пульпы, является условием совершенствования и оптимизации технологии флотационного обогащения.

5

Знание строения и свойств флотационных реагентов позволяет решать вопросы теории их взаимодействия с минералами в процессе флотации, аспекты выбора и испытания реагентов, условий их получения, хранения и правил безопасного обращения при работе с ними.

Контрольные вопросы

1.Какой процесс называется обогащением руд?

2.Какие руды являются сырьем для калийной промышленности?

3.Назовите методы, применяемые для обогащения смесей минеральных веществ.

4.Какой процесс называется флотацией?

5.Каковы преимущества флотационного метода обогащения минералов?

6.Как осуществляется флотация минерального сырья?

7.Какую роль играют химические реагенты при флотации? Классифицируйте флотационные реагенты по их назначению. Предложитеосновыклассификации потипухимической связи.

6

2. СОБИРАТЕЛИ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Флотационные реагенты-собиратели предназначены для повышения гидрофобности поверхности полезных минералов, чтобы обеспечить закрепление минеральных частиц на воздушном пузырьке. К ним относятся органические соединения двух типов: полярные (ионогенные) и аполярные (неионогенные).

Молекулы полярных собирателей имеют полярные группы и углеводородный радикал R. По типу полярных групп ионогенные собиратели делятся на анионные, катионные и комплексообразующие.

Канионным можно отнести жирные кислоты RCOOH, алкил-

сульфаты ROSO3H, сульфокислоты RSO3H, ксантогенаты ROCSSMe (где Ме – K+, Na+, Са2+ и т.п.), дитиофосфаты (RO)2PSSMe и другие соединения, имеющие отрицательно поляризованную группу.

Ккатионным собирателям относятся амины R-NH2 и их соли RNH3Cl, к комплексообразующим – гидроксамовые кислоты RCONHOH, содержащие С7-С9 (ИМ-50), тетранатриевая соль N-октадецил-N-сульфосукциноиласпарагиновой кислоты (аспарал-Ф), фосфоновые кислоты, например стиролфосфоновая кислота

С6H5-CH=CHPO(OH)2, производные ацетилена.

Представителями неионогенных собирателей являются углеводороды и высшие спирты.

2.1. НЕИОНОГЕННЫЕ СОБИРАТЕЛИ

Неионогенными собирателями называются соединения, которые не содержат полярных или ионизирующихся групп. К ним относятся углеводороды и высшие жирные спирты. Неионогенные собиратели применяют для флотации минералов, обладающих естественной флотируемостью, поверхность которых гидрофобна (уголь,

7

сера, алмазы, графит, молибденит), или в сочетании с анионными собирателями для улучшения их собирательной способности.

Углеводороды во флотации применяют в виде технических смесей, содержащих в основном алканы, циклоалканы (нафтены) и арены (ароматические углеводороды).

При флотации руд цветных металлов широко используют керосин, трансформаторное масло, индустриальное и смазочные масла, получаемые при разгонке нефти.

Наиболее ценными компонентами в топливах и маслах являются нафтеновые углеводороды. Они имеют сложное строение, различаются величиной цикла, числом циклов, длиной и строением боковой цепи, например:

Нафтеновые углеводороды повышают октановое число бензинов, а маслам придают низкую температуру застывания и необходимую вязкость. Маловязкие масла гасят пену и являются слабыми собирателями. Собирательная способность вязких масел снижается при низких температурах пульпы.

Лучшие результаты при флотации дают алканы и циклоалканы (нафтеновые углеводороды). Однако алканы с числом атомов углерода более 15 представляют собой кристаллические вещества. Содержание таких углеводородов в маслах нежелательно, так как они

8

повышают температуру застывания масла. Поэтому для производства масел применяют низкопарафинистые нефти и полученные масла подвергают депарафинизации.

Нежелательными примесями к топливам и маслам являются нафтеновые кислоты, алкены, образующиеся при крекинге нефти, азот- и серосодержащие соединения. От этих примесей очищают практически все масла (машинное, трансформаторное, индустриальные) и керосин, применяемые при флотации руд. Для этого нефтяные фракции подвергают кислотно-щелочной обработке.

После очистки к маслам добавляют 2–3 % различных присадок для улучшения их эксплуатационных свойств. Это – антиоксиданты (нафтиламин, n-оксидифениламин), антикоррозионные (октадецилмеркаптан, органические дисульфиды), диспергирующие (ароматические полисульфиды), присадки для понижения температуры застывания (полиметакрилаты, алкилнафталины), противопенные (алкилсилоксаны) и многие другие, которые могут влиять на процесс флотации.

В качестве аполярного собирателя используют керосин двух марок – осветительный и тракторный. Осветительный керосин более очищенный, светлый, не имеет специфического запаха, дешев. Он содержит 30–80 % нафтеновых углеводородов и 20–50 % алканов (С11-С12). Тракторный керосин – сырой, неочищенный, желтоватого цвета. В его состав входят 10–30 % непредельных и ароматических углеводородов, и 1–2 % нафтеновых кислот.

Добавка керосина к анионным собирателям (олеиновой кислоте) усиливает их собирательное действие и понижает температуру застывания смеси. В этом случае масла играют роль растворителя легко застывающих зимой жирных кислот. Помимо технологического эффекта применение керосина позволяет избежать излишнего пенообразования и улучшает структуру пены.

Трансформаторное масло – композиционное масло высокой степени очистки. Для его получения используют тяжелые соляровые дистилляты непарафинистых нефтей (С18-С25) после отгонки легких нефтепродуктов: бензина, керосина, легкого газойля. В составе

9

трансформаторного масла преобладают нафтеновые углеводороды, содержание ароматических углеводородов составляет 10–12 %.

Трансформаторное масло имеет температуру застывания не выше –35…–45 °С, кинематическую вязкость при 20 °С не более 3.10–6 м2/с и плотность 0,9 г/см3.

Рассмотрим свойства углеводородов, играющие роль в процессе флотации.

Алканы, молекулы которых содержат только σ-связи, достаточно инертны при нормальных условиях к действию концентрированных кислот и сильных окислителей. Реакции замещения и расщепления, идущие в алканах с разрывом связей С-С (350 кДж/моль) и С-Н (420 кДж/моль), требуют большой энергии активации и протекают на свету, при высокой температуре или в присутствии катализаторов.

Циклоалканы, содержащие устойчивые пяти- и шестичленные циклы, по той же причине малореакционноспособны в условиях флотации. Энергия С-С связи в этих циклах 280–320 кДж/моль, поэтому она менее прочная, чем С-С связь в алканах.

Ароматические углеводороды содержат в молекуле бензольное кольцо с секстетом делокализованных р-электоронов. Сопряжение π-связей в молекуле бензола дает выигрыш энергии 150 кДж/моль, что объясняет его высокую термостабильность, устойчивость к окислению, склонность к реакциям замещения.

Углеводородные собиратели вследствие низкой реакционной способности в условиях флотации химически не реагируют с минеральной поверхностью, воздухом, либо компонентами жидкой фазы пульпы. Связь собирателя с минеральными частицами и воздушными пузырьками осуществляется за счёт межмолекулярного дисперсионного взаимодействия.

При движении электронов в неполярной молекуле углеводорода возникает кратковременный наведенный диполь, который индуцирует противоположно ориентированный диполь в соседней молекуле. Эти мгновенные и наведенные диполи постоянно меняют ориентацию, и между молекулами возникает дисперсионное притя-

10