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: 8 из 23

Вопрос 34

Смачивание минеральных поверхностей. Краевой угол смачивания, гидратные слои.

Смачивание минеральных поверхностей.

Наиболее важным проявлением взаимодействия минералов с водой является смачивание их поверхности, которое является результатом гидратации поверхности минерала. Конечные ре­зультаты взаимодействия минерала с водой зависят не только от величины свободной поверхностной энергии минерала, но и от энергии взаимодействия молекул воды между собой.

Взаимное притяжение молекул одного и того же вещества (например, жидкости), называемое когезией, характеризуется величиной работы когезии (в Дж/м2), которую необходимо произвести для разрыва столба жидкости сечением 1 м² на два столба того же сечения.

Взаимное притяжение молекул двух фаз (например, воды и минерала), проявляющееся на поверхности их раздела, называ­ется адгезией. Притяжение, оказываемое одной фазой на другую через поверхность их раздела, требует затраты энергии на раз­деление этих фаз. Эту работу, отнесенную к единице площади поверхности раздела, называют работой адгезии. Она выража­ется в Дж/м² и равна сумме поверхностных энергий обеих фаз минус межфазная поверхностная энергия на поверхности их раздела. Так, например, если речь идет об адгезии в среде газа между водой и поверхностью минерала, то работа адгезии W может быть выражена следующим образом: W = σ_ж – _г+ σ_{т – г} – σ_{ж –т} , где:

σ_ж – _г , σ_{т – г} и σ_{ж –т} - поверхностная энергия соответственно на разделе фаз Ж-Г, Т-Г, Ж-Т.

Необходимым условием растекания воды на поверхности минерала является превышение работы адгезии между водой и минералом над работой когезии для воды.

Первой стадией молекулярного взаимодействия воды с по­верхностью минерала является гидратация поверхности, обу­словливающая смачивание ее водой. Смачивание обычно на­блюдается на границе соприкосновения трех фаз, одна из кото­рых является твердым телом, а две другие представлены жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями. При смачивании капля жидкости полностью или частично растекается по твердой поверхности в зависимости от степени сма­чивания этой поверхности жидкостью.

Краевой угол смачивания.

Степень смачивания твердой поверхности жидкостью (при неполном смачивании) количественно выражается величиной краевого угла смачивания θ, который принято отсчи­тывать в сторону жидкой фазы или, если контактируют вода и жидкий углеводород, в сторону воды (т. е. в сторону более полярной жидкости) (рис. 2). Теоретически величина краевого угла может изменяться в широких пределах — от нулевого зна­чения (что соответствует для воды и минерала случаю его пол­ной гидрофильности, или полного смачивания водой) до 180°, когда капля воды совершенно не растекается по минералу при его полном несмачивании, или предельной гидрофобности. Однако если полное растекание практически может иметь ме­сто в отдельных случаях, то полная несмачиваемость никогда не наблюдается. Причиной этого является то, что некоторая адгезия между двумя любыми контактирующими фазами всегда имеет место. При флотации, когда взаимодействуют три фазы: воздух, вода и минерал, краевые углы могут измеряться как при нанесении на поверхность минерала капли воды в окруже­нии воздуха, так и при подведении под минерал воздушного пузырька в окружении воды. Равновесное значение краевого угла определяется уравнением Юнга, согласно которому: σ_ж – _г * cosθ = σ_{т – г} – σ_{ж –т} , где:

σ – поверхностные энергии на границе раздела фаз или численно равные им силы поверхностного натяжения, Дж/м² или Н/м.

При неполном смачивании водой поверхности минерала ука­занный периметр капли (или воздушного пузырька в водной, среде) является линией соприкосновения всех трех взаимодей­ствующих фаз — твердой, жидкой и газообразной (например; минерала, воды и воздуха). Такой периметр называют трех - фазным периметром смачивания (см. рис. 49).

Степень смачиваемости минерала количественно выражается величиной краевого угла лишь в области его конечных значений, т. е. в пределах 0—180° (так, если два минерала характеризуются одинаковым и нулевым значением краевого угла смачивания, то это не указывает на их одинаковую смачиваемость, т.к. последняя, достигнув определенной величины, соответствующей нулевому значению, при дальнейшем своем возрастании не может характеризоваться величиной краевого угла).

Чем хуже минерал смачивается водой, тем легче пузырек воздуха, вытесняя с поверхности минерала воду, закрепляется на минерале. Уменьшение смачиваемости минерала в интересах флотации (гидрофобизация), характеризуется увеличением краевого угла. Для ее осуществления в пульпу вводят фотореагенты.

Явление гистерезиса проявляется в том, что краевой угол смачивания обычно не принимает своего рав­новесного значения вследствие задержки в его достижении.

Гистерезис смачивания возрастает при увеличении микрошероховатости поверхности, проявляющейся особенно за­метно при плохо смачивающихся поверхностях и, в частности, для твердых поверхностей, покрытых ориентированными нор­мально к твердой поверхности углеводородными цепями гетерополярных соединений, адсорбированных химически. На жидких поверхностях гистерезис смачивания не наблюдается.

Основной причиной гистерезиса является проявление силы трения, действующей вдоль периметра смачивания. Гистерезис наблюдается при растекании капли жидкости или при ее перемещении по твер­дой поверхности, или при перемещении твердого тела, частью погруженного в жидкость, вообще при передвижении периметра смачивания под действием какой-либо силы (кинетического гистерезиса смачи­вания).

Кинетический гистерезис проявляется при вытеснении водой с сухой поверхности твердой частицы, ранее адсорбированного на ее поверхности воздуха и чем медленнее будет происходить это вытеснение, задерживающееся шероховатостью поверхности, тем выше вероятность закрепления такой частицы на воздуш­ном пузырьке, т.е. тем выше вероятность ее флотации. Чем менее смачиваема поверхность минеральной частицы, т.е. чем она гидрофобнее, тем сильнее выражен кинетический гистерезис смачивания.

В отличие от кинетического гистерезиса существует поня­тие о статическом (порядковом) гистерезисе смачивания, сущность которого состоит в том, что измеряе­мое значение краевого угла смачивания (или его косинуса) зависит от порядка смачивания. (например, угол, измеряемый при нанесении капли воды на сухую поверхность минерала в ок­ружении воздушной фазы, или угол при помещении воздушного пузырька на твердую поверхность в окружении водной фазы)

Гидратные слои. (рис.5.)

В результате взаимодействия твердой и жидкой фаз образуется гидратный слой, который представляет собой полимолекулярный адсорбционный слой молекул воды, прочно связанных с поверхностью и находящихся в равновесии с объемом жидкой фазы.

Гидратный слой представляет собой как бы самостоятельную фазу, имеет следующие свойства, отличные от свойств объема жидкой фазы:

1.повышенное сопротивление на сдвиг;

2.пониженная дифузирующая способность ионов в нем(молекулы трудно пробираются через слой)

3. повышенная вязкость. По мере приближения к поверхности устойчивость гидратного слоя повышается.

Вероятность флотации во втором случае больше.

Флотореагенты влияют на флотацию за счет воздействия на толщину гидратных слоев и их устойчивость.

Вопрос 35

Карбоксильные реагенты-собиратели. Состав, свойства, механизм действия и область применения.

Это органические кислоты (RCOOH) и их мыла (RCOONa). Имеют общую структурную формулу:

Так же могут быть и пенообразователями, но это не всегда является преимуществом, т.к. оптимальные концентрации для собирательного и пенообразующего действия могут быть различны, что затруднит регулирование процесса.

Механизм закрепления на минералах.

Молекулы и ионы этих собирателей могут закрепляться на минералах путем физической и химической адсорбции. Физическая адсорбция ионов происходит под действием сил кулоновского притяжения, а молекул -под влиянием сил дипольного взаимодействия и водородной связи. Химическое закрепление ионов осуществляется в результате электронных переходов от анионов собирателя к катионам кристаллической решетки минерала.

Т.к. карбонильная группа сильно гидротируется, то для проявления гидрофобизующего действия радикал должен создать более 12-14 атомов углерода. Но, при таком количестве углерода они находятся в твердом состоянии и для их применения температуру пульпы необходимо повышать до 40-60º.

Собирательные свойства зависят:

1. от жесткости воды, которая определяется концентрацией солей жесткости ( ионов Mg и Ca). Образование с этими ионами труднорастворимых мыл приводит к потерям собирателя и нарушению селективности процесса. Поэтому используют умягченную воду.

2. от щелочности пульпы. Эти собиратели в кислой и нейтральной среде представлены молекулярной формой. В ней растворимость жирных кислот мала, и в кислых пульпах основное количество реагента находится в нерастворенном виде (эмульсия). В достаточно щелочных пульпах органические кислоты омыляются и действуют как мыла. Их действие в виду более высокой растворимости и повышенной ионизации более эффективно.

3. от способности к мицеллообразованию. Образование мицелл связывает свободные молекулы или ионы и затрудняет их действие как флотационных реагентов. Одной из мер по снижению мицеллообразования является применение добавок поверхностно-активных соединений.

Область применения.

Широко применяются при флотации горно-химического сырья, окисленных минералов руд цветных и редких Ме, также являются собирателями для сульфидных руд цветных Ме.

Олеиновая кислота (C₁₇H₃₃COOH).

Не насыщенная кислота, имеет 1 двойную связь. Ей соответствует насыщенная кислота – Стеариновая (C₁₇H₃₅COOH). Промышленное значение имеют ее аналоги: Линолевая (C₁₇H₃₁COOH) – 2 двойные связи, Линоленовая (C₁₇H₂₉COOH) – 3 двойные связи. Олеат Na – растворимое в воде Na-ое мыло олеиновой кислоты (C₁₇H₃₃COOH+Na₂CO₃ =OL Na).

Ее получают в процессе омыления жиров; это бесцветная маслообразная жидкость, затвердевает при t=14º, на воздухе быстро окисляется и полимеризуется, приобретая желтую окраску, чувствительна к понижению температуры пульпы.

Это дорогой и дефицитный реагент, поэтому используют более дешевые ее заменители. Жирные кислоты и их заменители являются хорошими собирателями для солей щелочноземельных Ме не содержащих кремнезема ( кальцит CaCO₃ , флюорит CaF₂ , шеелит CaWO₄ , барит BaSO₄ ) и карбонатов черных Ме ( сидерит FeCO₃ , родохрозит MnCO₃ ) , хуже окислы Fe ( гематит Fe₂O₃ , магнетит Fe₃O₄ , бурые железняки Fe₂O₃nH₂O и др.) и Mn ( пиролюзит MnO₂ и др.). Силикатные минералы флотируются жирными кислотами, если на их поверхности есть катионы, способные образовывать с собирателем труднорастворимые поверхностные соединения.

Заменители олеиновой кислоты :

1. таловое масло

Побочный продукт при производстве целлюлозы. Состоит из высших жирных и канифольных кислот. Присутствие последних не желательно, т.к. приводит к образованию высокопрочной пены и снижает качество концентрата. Различают сырое и дистиллированное (дороже) таловое масло. Является эффективным собирателем для несульфидных минералов и окислов ( при флотации апатита, барита, железных и марганцевых руд, и др.).

2. синтетические жирные кислоты ( СЖК )

Смесь ненасыщенных нормальных монокарбоновых кислот, получаемых при каталитическом окислении твердых парафинов нефти О₂-ом воздуха. СЖК применяют в виде 1 -10% водных растворов Na-х мыл, получаемых омылением жирных кислот едким Na или содой.

3. кубовые остатки синтетических жирных спиртов

Содержат мыла, полученные при омылении щелочью сырых жирных спиртов С₂₀ и выше, с примесью вторичных высокомолекулярных спиртов.

4. окисленные углеводороды

Механизм окисления как у СЖК, но качество исходных парафинов хуже. Исходным сырьем служат продукты переработки нефти – Уайт-спирит, керосин, рисайкл.

5. отходы масло – жировых и химических производств

соапсток – отход рафинирования пищевых жиров, госсиполовая смола – отход производства хлопкового масла, продукты перегонки каменноугольной и сланцевой смолы и др.

Нафтеновые кислоты

От олеиновой кислоты отличаются структурой углеводородного радикала.

Получаются из малопарафинистых нефтей. Натриевые соли нафтеновых кислот, называемые мылонафтами, представляют мазеобразную массу с характерным запахом нефти, хорошо растворимую в воде. Нафтеновые кислоты и мылонафт заменяют олеиновую кислоту и олеат натрия, но при большем расходе. Они не так чувствительны к низким температурам пульпы и солям жесткости.

Вопрос 36

Сульфгидрильные реагенты – собиратели. Состав, свойства, механизм действия и область применения.

В состав их солидофильной группы входит остаток сероводорода – SH – ( сульфгидрил ).

К основным сульфгидрильным собирателям относят:

1. 
   органические производные 2. органические производные
   

дитиоугольной кислоты (Кх); дитиофосфорной кислоты (дитиофосфаты);

3.органические производные сероводорода

(меркаптаны и дитиофенолы).

Применение:

при флотации сульфидных и некоторых окисленных цветных металлов (Cu, Pb, Zn, Ni и др.)

Ксантогенаты.

Являются солями сильных ксантогеновых кислот ROCSSH. Наиболее широко применяются КхК и КхNа.

Получают их из щелочи, спирта и сероуглерода:

ROH+KOH+CS₂ROCSSK+H₂O

Основные свойства:

Твердые вещества кристаллического строения, различно окрашенные, (зависит от длины углеводородного радикала и от Ме, входящего в состав). Разлагаются при повышении температуры и в присутствии влаги.

Применяемые при флотации Кх щелочных Ме хорошо растворяются в воде, спирте и малорастворимы в эфире. Кх тяжелых Ме труднорастворимы в воде, спирте и эфире.

Если удлинить радикал, то увеличится прочность и гидрофобизующий эффект (при одинаковой плотности адсорбционного слоя ), но селективность действия уменьшится. Свертывание углеводородного радикала в кольцо ослабевает гидрофобизирующее действие.

В виде молекулы диссоциирует:

ROCSSKROCSS+ K

Механизм действия

Ион Kx образует с катионами поверхности водонерастворимое соединение. Kx закрепляется на частично окисленной поверхности. Прочность закрепления определяется растворимостью образующихся поверхностных соединений. Kx не обладает вспенивающими свойствами. Ион Kx может быть вытеснен с поверхности ионами OH; S; SH.

ROCSSK+H₂OROCSSH+KOH; ROCSSHROH+CS₂

Kx используется только в щелочной среде. В кислой среде и особенно pH<5 Kx разлагаются. Закрепление Kx происходит после частичного окисления поверхности.

Диксантогениды.

Это тяжелые маслянистые жидкости желтого цвета, нерастворимые в воде.

Образуются при окислении Kx.

2ROCSS – 2e(ROCSS)₂

Получают при окислении 1 – 2% раствора Kx гипохлоридом К, хлорной известью, электрическим током.

Диксантогенид образуется также при разложении Kx 2-х валентной Cu:

2Cu(ROCSS)₂2CuX+ X₂

Диксантогенид восстанавливаясь образует Кх Ме. Важнейшей особенностью является то, что превращаясь в Кх он закрепляется на свежеобнаженной поверхности сульфида, а Кх не могут закрепляться на свежеобнаженной поверхности.

Эффективность их действия зависит от степени дисперсности в пульпе. Она возрастает при подаче в виде тончайшей эмульсии, которая может быть получена эмульгированием самого диксантогенида или путем окисления Кх в пульпе, например, гипохлоритом Na.

Дитиофосфаты (аэрофлоты)

Масленичные темно-коричневые жидкости с запахом сероводорода.

По структуре и механизму действия аналогичны Кх и также образуют дисульфиды.

Применяют в виде свободных кислот (ароматические радикалы), либо в виде натриевых, калиевых или аммониевых солей дитиофосфорных кислот.

Получение:

обычный способ 4ROH+P₂S₅=

Жидкие – фенольные (также обладают пенообразующим действием), сухие – порошкообразные.

Фенольные применяются при флотации Pb – Zn и Cu руд как заменители Кх и одновременно пенообразователи. Сухие хорошо растворимы в воде без пенообразующих свойств. Их применяют для флотации медных минералов и цинковой обманки, когда желательно получить Cu и Zn концентраты, минимально загрязненные пиритом.

Флотоактивны в кислой среде, имеют два радикала, при его удлинении гидрофобизирующее действие повышается сильнее, чем у Kx;

Дитиофосфаты слабее Kx примерно в 300 раз, т.к. связь атома серы менее прочная, чем у Kx.