ГОСы. Основные понятия и назначение грохочения

• Название: Основные понятия и назначение грохочения
• Анкор: ГОСы.doc
• Дата: 25.12.2017
• Размер: 6.74 Mb.
• Имя файла: ГОСы.doc
• Тип: Документы; #12911
• страница: 7 из 23

Вопрос 31

Вероятность и скорость процесса флотации.

Вероятность флотации минеральной частицы определяется вероятностью протекания отдельных этапов процесса. Основны­ми этапами процесса флотации являются взаимодействие реа­гентов с минеральной поверхностью, столкновение частиц с пу­зырьками, закрепление частиц на пузырьках, подъем закрепив­шихся частиц в пенный слой, сохранение минерализованных пузырьков и разрушение сложных аэрофлокул, съем пенного слоя и другие. На вероятность протекания каждого этапа влияет множество факторов, причем каждый фактор, в свою очередь, влияет на вероятность протекания этапов процесса флотации. Например, вероятность сохранения образовавшегося комплекса пузырек-частица зависит от процессов, происходящих в пенном слое, прочности закрепления частицы и действия отрывающих сил, величина которых, в свою очередь, зависит от плотности пульпы, интенсивности перемешивания, размера и плотности час­тиц и размера пузырьков. В то же время интенсивность перемеши­вания, плотность частиц и раз мер пузырьков и частиц определяют вероятность их столкновения. Таким образом, многообразие фак­торов, каждый из которых влияет на вероятность протекания одно­го или нескольких этапов флотационного процесса, и тесная их взаимосвязь определяют сложность количественного расчета влияния отдельных факторов на вероятность процесса флотации. Богданов О. С. с сотрудниками вероятность флотации φ_ФЛ рассчи­тывали по величине произведения вероятности столкновения час­тицы с пузырьком φ_СТ и вероятности ее закрепления на пузырьке φ_З, т.е. φ_ФЛ = φ_СТ * φ_З. Результаты расчетов показали, что вероят­ность столкновения частицы с пузырьком при уменьшении ее раз­мера снижается, а вероятность закрепления увеличивается. При­чем повышение концентрации собирателя приводит к некоторому увеличению вероятности закрепления частиц. В выполненных рас­четах не учитывалось влияние вихревых потоков, процессов, про­исходящих в пенном слое, и возможность образования аэрофлокул, полидисперсность частиц и пузырьков и другие факторы, имеющие место в реальных условиях, поэтому практическая дос­товерность полученных данных невелика. При оценке вероятности флотации исходят из качественных влияний главных факторов, устанавливаемых в каждом конкретном случае.

С увеличением раз­мера частиц увеличивается вероятность их столкновения с пу­зырьками воздуха, а вероятность закрепления уменьшается. Ве­роятность же, определяемая произведением вероятностей столк­новения и закрепления, имеет максимальное значение для сред­него размера флотируемых частиц, т.е. наилучшей флотаци­онной способностью обладают частицы средних размеров. Мелкие частицы плохо флотируются вследствие низкой вероятности столкновения их с пузырьками, а крупные — в результате низкой вероятности закрепления.

В случае вакуумной флотации влияние размера частиц на вероятность их флотации иное.

Так как с уменьшением размера частиц удельная поверх­ность их увеличивается, то вероятность возникновения на поверх­ности частиц пузырьков газов, выделяющихся из раствора, повы­шается. В связи с этим максимальной флотационной способно­стью при вакуумной флотации обладают мелкие частицы. Следо­вательно, вакуумная флотация весьма перспективна для флота­ции тонких частиц.

Скорость флотации является важной характеристикой фло­тационного процесса, определяя интенсивность перехода флоти­руемого минерала в пенный продукт. Поэтому практически ско­рость флотации можно характеризовать продолжительностью процесса флотации, необходимой для получения определенного извлечения. Чем выше скорость флотации, тем меньше потребное время флотации, и, следовательно, нужно меньшее количество камер флотационных машин.

Различают среднюю скорость флотации за время t-ε / t, где ε -извлечение флотируемого компонента за время t, и истинную dε / dt — скорость флотации в данный момент времени.

Для определения скорости флотации производят раздельный съем пенного продукта через равные небольшие отрез­ки времени. Отобранные пробы продуктов высушиваются, взвешиваются (в случае лабораторных исследований) и анализи­руются на содержание в них ценного компонента. Обработка полу­ченных данных может осуществляться различными способами.

Обычно строится зависимость суммарного извлечения от вре­мени флотации. При этом считается, что извлечение ценного компо­нента в каждый момент времени есть отношение количества, ценного компонента,, перешедшего в каждый момент времени в пенный про­дукт, к исходному его количеству, находящемуся в пульпе перед началом флотации. Скорость флотации количественно определяет­ся по величине тангенса угла наклона кривой и непрерывно умень­шается, т.к. количество ценного компонента, имеющееся в пуль­пе перед наступлением каждого последующего момента флотации, уменьшается, а при расчете по этому способу считается; что количе­ство ценного компонента перед каждым моментом флотации остает­ся постоянным, равным исходному его количеству.Поэтому по вели­чине тангенса угла наклона кривой ∑ε = f(t) нельзя судить о скорости флотации в каждый момент времени, т.к. она будет зависеть, в основном, от количества ценного компонента, перешедшего в пен­ный продукт до рассматриваемого момента времени.

Учет количества ценного компонента, находящегося в пульпе перед началом любого момента флотации, производится при опре­делении скорости флотации по методу, разработанному K.Ф Белоглазовым. При этом считается, что количество сфлотированных час­тиц пропорционально их количеству, находящемуся в пульпе, .в дан­ный момент, и количеству пузырьков, имеющихся а пульпе, а веро­ятность флотации определяется произведением вероятности столк­новения и вероятности закрепления частицы на пузырьке.

Пусть перед началом флотации в пульпе находится n частиц ценного компонента. За время флотации до рассматриваемого момента пусть сфлотировалось х частиц, тогда к рассматривае­мому моменту будет n-х частиц. Допустим, что через пульпу в еди­ницу времени проходит N пузырьков, тогда за время dt пройдет Ndt. Число столкновений частиц с пузырьками за время dt будет пропорционально Ndt(n-x). Количество же эффективных столкно­вений, то есть количество сфлотировавшихся частиц dx за время dt составит:

dx = Ndt(n – x) * φ₃ * k;

где: φ₃ - вероятность устойчивого закрепления частиц на пузырьках, φ₃<1;

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от конст­руктивных особенностей флотомашин, флотационной активности частиц, условий съема пенного продукта и дру­гих факторов, влияющих на процесс флотации, k< 1.

Разделим переменные и проинтегрируем полученные выражения:


(2.'1)
Разделим числитель и знаменатель полученного выражения на n и, заменяя х/n через ε (извлечение в долях единицы), получим:

Таким образом, получим уравнение скорости флотации: ln(1 / 1 – ε) = Kt

Величина ln(1 / 1 – ε) называется коэффициентом удельной скорости флотации.

Исследования по флотации мономинеральных пульп, образо­ванных узкими классами крупно­сти частиц, имеющих одинаковую флотационную способность, при условии постоянства концентра­ции собирателя показали, что при этих условиях dε / dt = k₁(1 – ε ), где k₁ - коэффициент, зависящий от условий флотации. Т.е., если флотационная способность частиц одинакова и условия флота­ции постоянны, скорость флота­ции прямо пропорциональна мас­се частиц, находящихся в пульпе. В реальных условиях флотацион­ная способность частиц различна, и в первую очередь флотируются

наиболее легко флотируемые. Поэтому по ходу процесса флотационная способность частиц, остающихся в пульпе, непрерывно понижается. Тогда, считая, что скорость флотации прямо пропор­циональна массе частиц и их флотационной способности, уравне­ние скорости флотации будет иметь вид:

dε / dt = k₁(1 – ε )k_Ф

где: k_Ф- переменная величина, равная отношению флотацион­ной способности частиц, флотирующихся в данный мо­мент, к флотационной способности частиц, сфлотировавшихся в начале процесса.

Величина k_Ф зависит от массы частиц, находящихся в пульпе в данный момент, которая пропорциональна величине (1 – ε ). Поэтому k_Ф = (1 – ε )n , где n -показатель, характеризующий изменение флотаци­онной способности частиц, остающихся в пульпе по мере уменьше­ния их массы. Чем быстрее понижается флотационная способность частиц, остающихся в пульпе, тем больше n и меньше k_Ф.
С учетом полученного выражения k_Ф уравнение скорости флотации будет:

dε / dt = k₁(1 – ε ) * (1 – ε )ⁿ = k₁(1 – ε )^р;

где p=l+n -показатель, характеризующий изменение флотационной способности частиц, оставшихся в пульпе, в зависимости от их массы. Уравнение скорости флотации показы­вает, что скорость флотации прямо- пропорциональна массе и флотационной способности частиц, находящих­ся в пульпе.
В начальный момент флотации, когда ε = 0,dε / dt = k₁ , т.е. k₁ - это скорость флотации в начальный момент.

Анализ многочисленных исследовании и практика флотации показывают, что основными факторами, влияющими на скорость флотации, являются расходы собирателя и вспенивателя, степень аэрированности пульпы, толщина пенного слоя и скорость его удаления, и плотность пульпы. Небольшие расходы собирателя и вспенивателя обеспечивают невысокую скорость флотации. Вы­сокая степень аэрированности пульпы, определяемая присутствием в пульпе значительного количества мелких, устойчивых пузырьков и равномерным их распределением в объеме, обеспечи­вает высокую скорость флотации. Влияние плотности пульпы на флотацию весьма разносторонне и максимальная скорость фло­тации имеет место при каком-то определенном значении. В каж­дом конкретном случае указанные параметры изучают и устанав­ливают оптимальные значения.

Вопрос 32

Характеристика жидкой и газовой фаз, участвующих во флотационных процессах.

Жидкая фаза.

Действие воды на минералы при флотации многообразно и имеет важное значение, т.к. флотация осуществляется в водной среде, при постоянном контакте минеральных частиц с водой.

Взаимодействие с водой приводит к гидратации поверхности минерала, в результате которой она покрывается гидратной оболочкой. Толщина этой оболочки и ее структура зависят от

физико-химических свойств минеральной поверхности, проявляющихся в ее смачиваемости. Гидратируемость поверхности минерала влияет на прилипание к нему воздушных пузырьков и чем она значительнее, тем в меньшей степени возможно прилипание, а, следовательно и флотация.

Действие воды на минералы вызывает их частичное растворение. Растворение минералов в воде происходит в том случае, если энергия гидратации превышает энергию кристаллической решетки. Энергия гидратации иона увеличивается с ростом его валентности и уменьшении ионного радиуса. Продукты растворения одних минералов могут воздействовать на поверхностные слои других минералов, а также могут взаимодействовать с применяющимися при флотации реагентами и друг с другом. Все это так или иначе будет влиять на ход и результаты флотации.

Важнейшей особенностью жидкостей является наличие в них сильного межмолекулярного взаимодействия. Эта особенность проявляется наиболее заметно у ассоциированных жидкостей (к ним относится вода). Для молекул подобных жидкостей характерно наличие значительных дипольных моментов, которые усиливают взаимодействие молекул и вызывает образование комплексов, состоящих из нескольких молекул, представляющих своеобразные агрегаты диполей.

Межмолекулярное притяжение у воды усиливается наличием водородной связи между ее молекулами. Некоторая часть молекул воды в каждый момент времени группируется в комплексы определенной величины и пространственной конфигурации на короткое время и по расположению в пространстве воспроизводит кристаллическую структуру льда. Эти образования постоянно возникают и разрушаются под влиянием беспорядочного теплового движения молекул.

Структурные изменения воды связаны с взаимодействием многих физических факторов (температура, давление, воздействие магнитного и ультразвукового поля и др.), и в значительной степени определяются не только разрывом водородных связей, но и возможностью их изгиба, который наступает при энергетических затратах, значительно меньших, чем энергия разрыва водородной связи.

Существенное влияние на структуру воды оказывают присутствующие в ней примеси – ионы (особенно ионы солей жесткости – Ca, Mg) и молекулы. Некоторые из солей (особенно Ca и Mg) вступают во взаимодействие с реагентами (например, с мылами и жирными кислотами), образуя нерастворимые осадки, которые отрицательно влияют на флотацию. Также эти ионы могут воздействовать на флотационные свойства некоторых минералов, повышая их (кварца) и тем, нарушая селективность процесса. Кроме ионов Ca, Mg, K в воде могут присутствовать ионы Cl, сульфат-ионы, силикат - и карбонат – ионы. В некоторых случаях воду перед процессом умягчают.

Нужно учитывать попадание в пульпу продуктов износа металлических деталей и др. аппаратуры и благоприятные условия для окисления этих продуктов с последующим переходом в раствор ионов Fe. Также вместе с рудой на О.Ф. могут поступать продукты разложения органических остатков, имеющихся в почве, их влияние на процесс почти всегда отрицательно.

Значительна роль и гидратации ионов. Растворенные газы сильно влияют на структуру воды. Особенно сильное влияние на физико-химические свойства воды оказывает кислород и углекислота. (см. ниже в газовой фазе.)

Химическая активность дождевой воды заметно повышена в сравнении с обычной, что вызвано более высоким содержанием О₂ и углекислоты.

Газовая фаза.

В воде количество кислорода резко увеличено:

в атмосферном (O₂ 21%, CO₂ 0,06%), воздух, растворенный 1 раз в воде (O₂ 35%, CO₂ 0,23%).

Воздух, растворенный в воде, резко обогащен по сравнению с атмосферным кислородом и углекислым газом. О₂, действуя химически, способен резко изменять химический состав поверхности сульфидов. В результате взаимодействия О₂ (особенно в присутствии воды) на сульфиды, они окисляются и превращаются в сульфаты или другие соединения.

Углекислый газ оказывает влияние на состав поверхности отдельных минералов и ионный состав пульпы: из сульфатов могут образовываться карбонаты. Также изменяет величину рН пульпы.

Газовая фаза в пульпе находится в виде пузырьков.

Газы играют при флотации двоякую роль, вынося подготовленные частицы минералов на поверхность и взаимодействуя с минералами и реагентами.

В объеме воздушных пузырьков кроме воздуха находятся еще и пары воды, которые в следствии их газообразного состояния следует также отнести к одному из компонентов газовой фазы и флотационного процесса. Большое значение для флотации имеет растворимость воздуха в воде, а также понижение растворимости от температуры и давления. Растворимость газов снижается с повышением температуры и повышением давления. В местах перепада давления во флотационных машинах активно выделяются воздушные пузырьки из раствора. На использовании данных пузырьков основано применение энжекторных пневматических флотомашин, методы вакуумной флотации; основанные на выделении растворенного воздуха в виде микропузырьков(весьма перспективны для флотации тонких шламов).

Вопрос 33

Характер связей в кристаллах, гидрофильность и гидрофобность поверхностей.

Атомы, молекулы, ионы или группы ионов, образующие кри­сталлическую решетку минерала, связаны друг с другом раз­личными видами связей. Для полярной поверхности минералов характерны ионная и ковалентная (атомная) связи, а также наиболее распространенная полярная (гибридная) связь, зани­мающая промежуточное положение между ионной и ковалентной.

Ионная связь характеризуется электростатическим взаимо­действием между узлами кристаллической решетки, занятыми ионами (например, Na и Cl в решетке поваренной соли) противоположного знака, образованными в результате практи­чески полного перехода электронов от атома одного элемента к атому другого (например, от атома Na к атому Cl). При переходе электронов в совместное владение атомами од­ного и того же элемента образуется ковалентная (атомная) связь, осуществляемая в простейшем случае парой электронов, причем эти электроны как бы располагаются по отношению к указанным атомам точно посередине. Во многих слу­чаях при осуществлении такого вида связи электроны, находящиеся в совместном владении взаимодействующих ато­мов, смещаются к одному из атомов. Эту связь между ними принято называть полярной (гибридной). Все эти виды связей отличаются большой прочностью (энергией), что обу­словливает значительную величину свободной поверхностной энергии минерала.

В противоположность полярной поверхности аполярная по­верхность минерала характеризуется молекулярными силами связи (силы Ван-дер-Ваальса – силы притяжения между молекулами относительно малы по сравнению с химическими), которые слабее ионных и ковалентных в десятки раз.

Если при разрушении кристаллов обнажаются слабые молекулярные силы, то поверхность слабо взаимодействует с молекулами воды, плохо смачивается и называется гидрофобной, а если поверхность интенсивно взаимодействует с молекулами воды, хорошо смачивается, то такая поверхность называется гидрофильной.

При разрушении кристалла образуется поверхность раскола с ненасыщенными связями, которые характерны для решетки данного минерала.

В случае ионных и полярных связей, существующих вокруг ионов или атомов минерала и обнажающихся при его разрушении, образуется сильное электрическое поле, в то время как в случае молекулярных связей поверхностные атомы (моле­кулы) образуют сравнительно слабые силовые поля.

Оценивая активность взаимодействия с водой поверхности минералов с преобладанием ионных и атомных связей (силь­ное поле) или молекулярных связей (слабое поле), необходимо учитывать, что вода является полярной жидкостью, молекулы которой имеют значительный дипольный момент и атомы водо­рода, способные к образованию водородной связи. Водородная связь обязана своим возникновением особен­ности атома водорода отдавать свой единственный электрон на об­разование химической связи. Водо­родная связь может быть довольно прочной и является как бы второй (побочной) валентностью водород­ного атома.

Гидрофильная поверхность ми­нерала характеризуется преоблада­нием на ней ненасыщенных ионных, атомных или полярных связей, бла­годаря которым она активно взаи­модействует с молекулами воды (или их комплексами), присоединяя их. Напротив, гидрофобная поверх­ность минерала отличается преоб­ладанием на ней ненасыщенных молекулярных связей, слабо взаимодействующих с водой.

В графите (рис. 3) атомы углерода расположены слоями, образующими гексагональную сетку. В плоскости этих слоев (заштрихованных) между атомами углерода имеются сильные атомные связи, однако связь между слоями осуществляется слабыми молекулярными силами. Этим объясняется легкая раскалываемость графита по плоскости спайности и гидрофобность его поверхности, совпадающей с плоскостью спайности.

В противоположность этому плоскость, перпендикулярная плоскости спайности (торец чешуйки графита), имеющая не­насыщенные атомные силы связи, активно взаимодействует с водой и является относительно гидрофильной. В связи с этим на поверхности торца чешуйки графита пузырек воздуха будет закрепляться с трудом, тогда как на поверхности, являющейся плоскостью спайности, пузырек будет закрепляться легко и прочно.

Аналогичная картина будет наблюдаться и для кристаллов серы: ее гидрофобность может быть объяснена тем, что при разрушении кристалла серы в первую очередь обнажаются слабые межмолекулярные силы, которые связывают между со­бой кольца из атомов серы, в то время как сильные атомные связи, действующие внутри колец, при этом не нарушаются.

Поверхность минералов способна взаимодействовать не только с водой, но и с газами, особенно с О₂, наиболее активным из них. Например, при разрушении кристал­лов сульфидных минералов (галенита) обнажаются сильные полярные связи, что хорошо объясняет нам относительную гидрофильность поверхности галенита в момент ее обнажения в течение короткого времени после этого. Однако спустя некоторое время на по­верхности галенита начинает сорбироваться ки­слород, всегда присутствующий в воде в растворенном виде. Первичное воздействие кислорода на поверхность сульфида вызывает его некоторую гидрофобизацию . Дальнейшее воздей­ствие кислорода (в случае сульфидов) приводит к их окислению и сопровождается гидрофилизацией.

Таким образом, естественная гидрофобность минералов, облегчающая их флотацию, или естественная гидрофильность, препятствующая последней, являются мерой активности поверх­ности минерала к взаимодействию с водой и газами, в особенности с О₂.