Pěna flotace - Froth flotation

Schéma válcové flotační cely s kamerou a světlem používané v obrazové analýze povrchu pěny.

Pěna flotace je proces pro selektivní oddělení hydrofobních materiálů od hydrofilních . Používá se v průmyslu zpracování nerostů, recyklaci papíru a čištění odpadních vod. Historicky to bylo poprvé použito v těžebním průmyslu, kde to byla jedna z největších technologií 20. století. Byl popsán jako „nejdůležitější operace používaná pro obnovu a modernizaci sulfidových rud “. Rozvoj flotace pěny zlepšil obnovu cenných minerálů , jako jsou minerály obsahující měď a olovo . Spolu s mechanizovanou těžbou umožnilo ekonomické zotavení cenných kovů z rudy mnohem nižší kvality než dříve.

Dějiny

19. století

Popisy použití procesu flotace byly nalezeny ve starověké řecké a perské literatuře, což naznačuje jeho starověk. Na konci 19. století byly základy procesu objeveny v pomalé evoluční fázi. Během prvního desetiletí 20. století vedlo rychlejší zkoumání olejů, pěny a míchání k osvědčeným aplikacím na pracovišti, zejména na Broken Hill v Austrálii, které přinesly technologickou inovaci známou jako „pěnová flotace“. Na počátku 20. století došlo k dramatické revoluci ve zpracování nerostů.

Zpočátku byly jako flotační činidla ve velkém množství používány přirozeně se vyskytující chemikálie, jako jsou mastné kyseliny a oleje, aby se zvýšila hydrofobicita cenných minerálů. Od té doby byl způsob přizpůsoben a aplikován na širokou škálu materiálů, které mají být separovány, a pro různé aplikace byla přijata další sběratelská činidla, včetně povrchově aktivních látek a syntetických sloučenin.

Angličan William Haynes si v roce 1860 nechal patentovat proces oddělování sulfidových a gangových minerálů pomocí ropy. Pozdější spisovatelé poukázali na Haynesův první patent na „hromadnou ropnou flotaci“, ačkoli neexistuje žádný důkaz o tom, že by byl testován v terénu nebo komerčně používán. V roce 1877 bratři Bessel (Adolph a August) z Drážďan, Německo, představili svůj komerčně úspěšný proces flotace oleje a pěny pro těžbu grafitu , který někteří považovali za kořen flotace pěny. Protože Besselův proces byl použit na grafitu, nikoli na zlato, stříbro, měď, olovo, zinek atd., Jejich práci většina historiků této technologie ignorovala.

Vynálezce Hezekiah Bradford z Philadelphie vynalezl „způsob úspory plovoucího materiálu při oddělování rudy“ a 20. července 1886 obdržel americký patent č. 345951. Svůj první patent obdržel v roce 1834, primárně vynalezl strojní zařízení na oddělení břidlice od uhlí během V letech 1850 až 1860 vynalezl Bradford Breaker, který v současné době používá uhelný průmysl. Jeho „Bradford Ore Separator“, patentovaný v roce 1853 a následně vylepšený, byl použit ke koncentraci rud železa, mědi a olova a zinku podle specifické hmotnosti, ale ztratil část kovu, jak odpluje z procesu koncentrace. Patent z roku 1886 měl zachytit tento „plovák“ pomocí povrchového napětí, prvního z patentů na proces flotace kůže, který byl zastíněn flotací pěny oleje. Není jisté, zda jeho „flotace patentovaná v roce 1886“ "Proces byl úspěšně zaveden."

24. srpna 1886 obdržela Carrie Eversonová patent na svůj postup, který požadoval ropu, ale také kyselinu nebo sůl, což je významný krok ve vývoji historie procesu. V roce 1890 byly testy procesu Everson provedeny v Georgetownu a Silver Cliffu v Coloradu a Baker v Oregonu. Opustila práci po smrti svého manžela a před zdokonalením komerčně úspěšného procesu. Později, když vrcholily právní spory o platnost různých patentů v průběhu 19. let 19. století, byl Eversonův často označován jako počáteční flotační patent - což by znamenalo, že proces nebyl později patentovatelný pozdějšími soutěžícími. Mnoho zmatků nedávno objasnil historik Dawn Bunyak.

První komerční flotační proces

Obecně uznávaný první úspěšný komerční proces flotace minerálních sulfidů vynalezl Frank Elmore, který na vývoji pracoval se svým bratrem Stanleym. Glasdirský měděný důl v Llanelltydu poblíž Dolgellau v severním Walesu koupili v roce 1896 bratři Elmore ve spojení se svým otcem Williamem. V roce 1897 nainstalovali bratři Elmoreovi v dole Glasdir světově první komerční flotační proces průmyslové velikosti pro těžbu nerostných surovin. Tento proces nebyl pěnová flotace, ale použitý olej shlukovat (make kuliček) práškového sulfidů a bóje je na povrch, a byl patentován v roce 1898 (revidováno 1901). Operace a postup byly popsány v transakcích Instituce těžební a hutnické Anglie z 25. dubna 1900 , které byly přetištěny s komentářem, 23. června 1900, v časopise Engineering and Mining Journal , New York City. Do této doby poznali důležitost vzduchových bublin, které pomáhají oleji odnášet minerální částice. Jak byly provedeny úpravy s cílem zlepšit tento proces, stal se úspěšným s rudami obecných kovů z Norska do Austrálie.

Elmores založili společnost známou jako Ore Concentration Syndicate Ltd na podporu komerčního využití procesu po celém světě. V roce 1900 získal Charles Butters z Berkeley v Kalifornii americká práva na proces Elmore poté, co viděl demonstraci v Llanelltyd ve Walesu. Butters, expert na kyanidový proces , postavil v suterénu budovy Dooley v Salt Lake City procesní závod Elmore a testoval proces ropy na zlatých rudách v celém regionu a testoval hlušinu zlatého mlýna Mammoth, okres Tintic, Utah, ale bez úspěchu. Kvůli pověsti Buttersa a zprávám o jeho selhání, stejně jako neúspěšnému pokusu o zlatý důl LeRoi v Rosslandu, BC, byl proces Elmore v Severní Americe téměř ignorován.

Vývoj jinde, zejména v Broken Hill v Austrálii společností Minerals Separation, Limited , vedl k desetiletím tvrdých bojů a soudních sporů o Elmores, kteří nakonec prohráli, protože proces Elmore byl nahrazen pokročilejšími technikami. Další flotační proces byl nezávisle vynalezen počátkem 20. století v Austrálii Charlesem Vincentem Potterem a přibližně ve stejnou dobu Guillaumem Danielem Delpratem . Tento proces (vyvinutý kolem roku 1902) nepoužíval olej, ale spoléhal na flotaci generováním plynu vytvořeného zavedením kyseliny do buničiny. V roce 1902 Froment kombinoval ropnou a plynnou flotaci pomocí modifikace procesu Potter-Delprat. Během prvního desetiletí dvacátého století se Broken Hill stal centrem inovací, které vedly k dokonalosti procesu flotace pěny tím, že si tam mnozí technologové navzájem půjčovali a stavěli na těchto prvních úspěších.

Ještě další proces vyvinul v roce 1902 Arthur C. Cattermole, který dužinu emulgoval malým množstvím oleje, podrobil prudkému míchání a poté pomalým mícháním, které sráželo cílové minerály do uzlin, které byly od dužiny odděleny gravitací. Společnost Minerals Separation Ltd., založená v Británii v roce 1903 k získání patentu Cattermole, zjistila, že se ukázala neúspěšná. Hutníci ve štábu pokračovali v testování a kombinování dalších objevů, aby si v roce 1905 nechali patentovat svůj proces, nazývaný proces Sulman-Picard-Ballot podle představitelů společnosti a patentovaných osob. Tento proces se osvědčil v jejich závodě v Central Block, Broken Hill toho roku. Významné v procesu flotace „míchací pěnou“ bylo použití méně než 1% oleje a míchací krok, který vytvořil malé bubliny, které poskytly více povrchu pro zachycení kovu a vznášení se v pěně na povrchu. Užitečnou práci odvedli Leslie Bradford v Port Pirie a William Piper , Sir Herbert Gepp a Auguste de Bavay .

Společnost Mineral Separation také koupila další patenty, aby upevnila vlastnictví všech potenciálních konfliktních práv na proces flotace - kromě patentů Elmore. V roce 1910, kdy společnost Zinc Corporation nahradila svůj proces Elmore procesem flotace pěny minerálů (Sulman-Picard-Ballot) v závodě Broken Hill, byla zajištěna přednost separace minerálů nad ostatními uchazeči o proces. Henry Livingston Sulman byl později uznán svými vrstevníky při jeho zvolení prezidentem (britského) ústavu těžby a metalurgie , který mu také udělil zlatou medaili.

20. století

Vývoj ve Spojených státech byl méně než velkolepý. Po Buttersově selhání, stejně jako po dalších, následoval po roce 1904 proces Skot Stanley MacQuisten (metoda založená na povrchovém napětí), který byl vyvinut s minimálním úspěchem v Nevadě a Idahu, ale to by nefungovalo, pokud by byly přítomny slizy. hlavní chyba. Henry E. Wood z Denveru vyvinul svůj flotační proces ve stejném duchu v roce 1907, patentovaný v roce 1911, s určitým úspěchem na molybdenových rudách. Většinou se však jednalo o izolované pokusy bez fanfár o to, co lze nazvat pouze okrajovými úspěchy.

V roce 1911 James M. Hyde , bývalý zaměstnanec společnosti Minerals Separation, Ltd., upravil proces separace minerálů a nainstaloval testovací závod v Butte a Superior Mill v Basin, Montana , první takové zařízení v USA. V roce 1912 navrhl zinkovny Butte & Superior, Butte, Montana, první velkou flotační továrnu v Americe. Minerals Separation, Ltd., která zřídila kancelář v San Francisku, žalovala společnost Hyde za porušení předpisů a také společnost Butte & Superior, oba případy nakonec firma vyhrála u Nejvyššího soudu USA. Daniel Cowan Jackling a partneři, kteří ovládali Butte & Superior, také vyvrátili patent na separaci minerálů a financovali následné právní bitvy, které trvaly přes deset let. Oni - Utah Copper (Kennecott), Nevada Consolidated, Chino Copper, Ray Con a další firmy z Jacklingu - se nakonec v roce 1922 usadili a zaplatili značný poplatek za licence k používání procesu separace minerálů. Jedním z neblahých důsledků sporu byla profesionální rozkol mezi těžební inženýrskou komunitou po generace.

V roce 1913 společnost Minerals Separation zaplatila za testovací závod pro společnost Inspiration Copper Company v Miami v Arizoně. Postaven pod ředitelem kanceláře v San Francisku Edwardem Nutterem se osvědčil. Inspirační inženýr LD Ricketts vytrhl gravitační koncentrační mlýn a nahradil jej procesem separace minerálů, což je první hlavní použití tohoto postupu v americkém měděném dole. Hlavním držitelem zásoby Inspirace byli muži, kteří ovládali velký důl Anaconda v Butte. Bezprostředně následovali úspěch Inspirace vybudovat licencovaný závod na separaci minerálů v Butte v letech 1915-1916, hlavní prohlášení o konečném přijetí patentovaného procesu separace minerálů.

John M. Callow, z General Engineering of Salt Lake City , následoval flotaci z technických dokumentů a úvod v Butte a Superior Mill a v Inspiration Copper v Arizoně a určil, že mechanické míchání je nevýhodou stávající technologie. Představením porézní cihly se stlačeným vzduchem a mechanického míchacího mechanismu Callow požádal o patent v roce 1914 (někteří říkají, že Callow, partyzán z Jacklinga, vynalezl svou buňku jako prostředek, jak se vyhnout placení licenčních poplatků společnosti Minerals Separation, která firmy využívá svoji buňku nakonec k tomu byly donuceny soudy). Tato metoda, známá jako pneumatická flotace, byla uznána jako alternativa k procesu separace minerálů při flotační koncentraci. American Institute of Mining Engineers představil Callow James Douglas zlatou medaili v roce 1926 pro jeho příspěvky k oblasti flotace. V té době se technologie flotace měnila, zejména s objevem používání xanthátů a dalších reagencií, což způsobilo, že Callowova buňka a jeho proces jsou zastaralé.

Profesor Montana Tech Antoine Marc Gaudin definoval rané období flotace jako mechanickou fázi, zatímco koncem roku 1910 vstoupil do chemické fáze. Objevy v činidlech, zejména použití xanthátů patentovaných chemikem Minerals Separations, chemikem Corneliusem H. Kellerem, ani tak nezvyšovalo zachycování minerálů během procesu, ale učinilo jej daleko lépe zvládnutelným v každodenních operacích. Počáteční flotační patenty společnosti Minerals Separation skončily v roce 1923 a nové pro chemické procesy jí poskytly významné postavení ve třicátých letech minulého století. Během tohoto období společnost také vyvinula a patentovala flotační procesy železa ze své laboratoře Hibbing a fosfátů ve své floridské laboratoři. K další rychlé fázi inovace flotačního procesu došlo až po roce 1960.

V šedesátých letech minulého století byla technika flotace pěny upravena pro odbarvování recyklovaného papíru .

Úspěch tohoto procesu dokládá počet žadatelů o „objevitele“ flotace. V roce 1961 oslavili američtí inženýři „50 let flotace“ a zakotvili Jamese Hyda a jeho mlýn Butte & Superior. V roce 1977 oslavili němečtí inženýři „sté výročí flotace“ na základě patentu bratrů Besselů z roku 1877. Historické naleziště měděného dolu v Glasdiru propaguje své prohlídky ve Walesu jako místo „objevu flotace“ na základě práce bratrů Elmoreových. Nedávné spisovatelky, kvůli zájmu oslavovat ženy ve vědě, prosazovaly Carrie Everson z Denveru jako matku procesu založeného na jejím patentu z roku 1885. Z tohoto seznamu jsou vynecháni inženýři, metalurgové a chemici společnosti Minerals Separation, Ltd., která přinejmenším u amerických a australských soudů získala kontrolu nad patenty na flotaci pěny a také jako nárokovatel jako objevitelé pěnového flotace. Ale, jak píše historik Martin Lynch, „Minerální separace by nakonec zvítězila poté, co se případ dostane k Nejvyššímu soudu USA [a Sněmovně lordů], a tím si sám vydělal srdečnou nenávist mnoha v těžebním světě.“

Průmyslová odvětví

Zpracování nerostů

Pěna flotace k oddělení plastů, Národní laboratoř Argonne
Pěnové flotační buňky pro koncentraci minerálů sulfidu mědi a niklu, Falconbridge, Ontario.

Pěnová flotace je proces oddělování minerálů z gangu využíváním rozdílů v jejich hydrofobicitě . Rozdíly hydrofobicity mezi cennými minerály a odpadním gangem se zvyšují používáním povrchově aktivních látek a smáčedel. Selektivní separace minerálů činí zpracování komplexních (tj. Smíšených) rud ekonomicky proveditelnými. Flotační proces se používá k separaci velkého rozsahu sulfidů , uhličitanů a oxidů před dalším zjemněním. Fosfáty a uhlí jsou také modernizovány (čištěny) technologií flotace.

Před rokem 1907 pocházela téměř veškerá měď těžená v USA z ložisek podzemních žil, v průměru 2,5 procenta mědi. Do roku 1991 klesl průměrný stupeň měděné rudy těžené v USA na pouhých 0,6 procenta.

Čištění odpadních vod

Proces flotace je také široce používán v průmyslových odpadních vod, kde se odstraňuje tuky, oleje, tuky a suspendovaných pevných látek z odpadní vody. Tyto jednotky se nazývají jednotky flotace rozpuštěného vzduchu (DAF). Jednotky flotace rozpuštěného vzduchu se používají zejména k odstraňování oleje z odpadních vod z ropných rafinérií , petrochemických a chemických závodů , závodů na zpracování zemního plynu a podobných průmyslových zařízení.

Recyklace papíru

Pěna flotace je jedním z procesů používaných k regeneraci recyklovaného papíru . V papírenském průmyslu se tomuto kroku říká deinking nebo jen flotace. Cílem je uvolnit a odstranit hydrofobní nečistoty z recyklovaného papíru. Kontaminujícími látkami jsou většinou tiskařský inkoust a lepkavé materiály . Normálně je instalace dvoustupňový systém s 3,4 nebo 5 flotačními články v sérii.

Princip činnosti

Předtím, než pěnová flotace může fungovat, ruda se má léčit je snížena na malé částice rozmělněním tak, že různé minerální látky existují jako fyzicky oddělené zrna. Tento proces je známý jako úplné osvobození . Velikost částic je obvykle menší než 0,1 mm (100 µm), ale někdy jsou požadovány velikosti menší než 7–10 µm. Existuje tendence, aby se uvolňovací velikost minerálů v průběhu času zmenšovala, protože rudná tělesa s hrubými minerálními zrny, která lze oddělit ve větších velikostech, jsou vyčerpána a nahrazena rudnými těly, která byla dříve považována za příliš obtížná.

V těžebním průmyslu jsou závody, kde se flotací provádí koncentrování rudy, obecně známé jako koncentrátory nebo mlýny .

Pro flotaci pěny je vodná suspenze mleté ​​rudy ošetřena napěňovacím činidlem. Příkladem je ethyl xanthát sodný jako kolektor při flotaci galenitu (sulfid olovnatý) k jeho oddělení od sfaleritu (sulfid zinečnatý). Polární část xanthátového aniontu se váže na částice rudy a nepolární uhlovodíková část tvoří hydrofobní vrstvu. Částice jsou přiváděny na vodní hladinu vzduchovými bublinami. K účinné separaci je zapotřebí asi 300 g/t rudy. Účinnost hydrofobního působení se zvyšuje, ale selektivita na typ rudy klesá s rostoucí délkou uhlovodíkového řetězce v xanthátech. Řetěz je nejkratší v ethyl xanthátu sodném, díky čemuž je vysoce selektivní vůči rudám mědi, niklu, olova, zlata a zinku. Obvykle se při tomto postupu používají vodné roztoky (10%) s pH = 7–11. Tato kaše (přesněji řečeno buničina ) hydrofobních částic a hydrofilních částic se poté zavede do nádrží známých jako flotační buňky, které jsou provzdušňovány za vzniku bublin. Hydrofobní částice se přichytí ke vzduchovým bublinám, které vystoupají na povrch a vytvoří pěnu. Pěna se odstraní z cely a vytvoří koncentrát („conc“) cílového minerálu.

Do buničiny mohou být zavedena napěňovací činidla, známá jako napěňovače , aby se podpořila tvorba stabilní pěny v horní části flotační buňky.

Minerály, které neplují do pěny, se označují jako flotační hlušiny nebo flotační ocasy . Tyto hlušiny mohou být také podrobeny dalším fázím flotace, aby se získaly cenné částice, které neplavaly poprvé. Toto je známé jako úklid . Konečné hlušiny po úklidu jsou obvykle čerpány k likvidaci jako důlní náplň nebo do zařízení na likvidaci hlušiny pro dlouhodobé skladování.

Účinnost flotace pěny je dána řadou pravděpodobností: pravděpodobností kontaktu částice -bublina, připojení částice -bublina, transportu mezi dužinou a pěnou a shromažďování pěny do pračky. V konvenční mechanicky míchané cele je prázdná frakce (tj. Objem obsazený vzduchovými bublinami) nízká (5 až 10 procent) a velikost bublin je obvykle větší než 1 mm. To má za následek relativně nízkou mezifázovou oblast a nízkou pravděpodobnost kontaktu částice s bublinou. V důsledku toho je zapotřebí několik buněk v sérii, aby se prodloužila doba setrvání částic, čímž se zvyšuje pravděpodobnost kontaktu částice s bublinou.

Flotace se obvykle provádí v několika fázích, aby se maximalizovala regenerace cílového minerálu nebo minerálů a koncentrace těchto minerálů v koncentrátu, přičemž se minimalizuje vstup energie.

Flotační fáze

Hrubování

První stupeň se nazývá hrubování , které produkuje hrubší koncentrát . Cílem je odstranit maximální množství cenného minerálu při co nejhrubších částicích. Čím jemnější je ruda mletá, tím větší je potřebná energie, takže má smysl jemně brousit pouze ty částice, které potřebují jemné mletí. Úplné osvobození není vyžadováno pro hrubší flotaci, pouze dostatečné uvolnění k uvolnění dostatečného množství gangu z cenného minerálu k dosažení vysokého zotavení.

Primárním cílem hrubování je získat co nejvíce cenných minerálů s menším důrazem na kvalitu vyráběného koncentrátu.

V některých koncentrátorech může existovat preflotační krok, který předchází hrubování. To se provádí, když existují nějaké nežádoucí materiály, jako je organický uhlík, které snadno plavou. Nejprve se odstraní, aby se během hrubování (a tedy kontaminaci drsnějšího koncentrátu) vznášely.

Čištění

Drsnější koncentrát se normálně podrobí dalším fázím flotace, aby se odstranilo více nežádoucích minerálů, které se také hlásily do pěny, v procesu známém jako čištění . Produkt čištění je známý jako čisticí koncentrát nebo konečný koncentrát .

Cílem čištění je vyrobit co nejvyšší koncentrát.

Drsnější koncentrát je často podroben dalšímu mletí (obvykle se mu říká přebroušení ), aby došlo k úplnějšímu uvolnění cenných minerálů. Protože se jedná o menší hmotu, než je hmotnost původní rudy, je zapotřebí méně energie, než by bylo nutné, kdyby byla celá ruda přebroušena. Přebroušení je často prováděna ve specializovaných přebrousit mlýnech , například IsaMill , určených k dalšímu snížení energie spotřebované při přebroušení na jemnější velikostí.

Úklid

Po kroku hrubší flotace často následuje krok zachycovače flotace, který se aplikuje na hrubší hlušinu. Cílem je obnovit všechny cílové minerály, které nebyly získány během počáteční fáze hrubování. Toho lze dosáhnout změnou podmínek flotace, aby byly přísnější než počáteční hrubování, nebo může dojít k sekundárnímu broušení, které poskytne další osvobození.

Koncentrát drsnějších čističů mohl být vrácen do hrubšího krmiva pro opětovné vyplavení nebo odeslán do speciálních čistších buněk.

Podobně po čisticím kroku může také následovat úklidový krok provedený na čističích hlušinách.

Věda o flotaci

Aby byly účinné na danou rudnou suspenzi, jsou kolektory vybírány na základě jejich selektivního smáčení typů částic, které mají být separovány. Dobrý kolektor bude adsorbovat , fyzicky nebo chemicky, s jedním z typů částic. To poskytuje termodynamický požadavek na navázání částic na povrch bubliny. Aktivitu smáčení povrchově aktivní látky na částici lze kvantifikovat měřením kontaktních úhlů, které s ní vytváří rozhraní kapalina/bublina. Dalším důležitým opatřením pro připojení bublin k částicím je indukční čas. Indukční čas je čas potřebný k roztržení tenké částice a bubliny částice a bubliny. Tohoto prasknutí je dosaženo povrchovými silami mezi částicí a bublinou.

Mechanismy pro připojení bublinových částic jsou velmi složité a skládají se ze tří kroků, srážky, připojení a odpojení. Srážky je dosaženo tím, že částice jsou v kolizní trubici bubliny, což je ovlivněno rychlostí bubliny a poloměrem bubliny. Srážková trubice odpovídá oblasti, ve které se částice srazí s bublinou, přičemž obvod srážkové trubice odpovídá trajektorii pastvy.

Připojení částice k bublině je řízeno indukčním časem částice a bubliny. Částice a bublina se musí vázat a k tomu dochází, pokud je doba, ve které jsou částice a bublina ve vzájemném kontaktu, větší než požadovaný indukční čas. Tento indukční čas je ovlivněn viskozitou tekutiny, velikostí částic a bublin a silami mezi částicemi a bublinami.

K oddělení částice a bubliny dochází, když je síla vyvíjená povrchovým napětím překročena smykovými silami a gravitačními silami. Tyto síly jsou složité a v buňce se liší. Vysoký střih zažijete v blízkosti oběžného kola mechanického flotačního článku a většinou gravitační síly ve sběrné a čisticí zóně flotační kolony.

Dochází k významným problémům strhávání jemných částic, protože tyto částice zažívají nízkou účinnost kolize a také zeštíhlování a degradaci povrchů částic. Hrubé částice vykazují nízkou výtěžnost cenného minerálu díky nízkému uvolňování a vysoké účinnosti odlučování.

Teorie

Selektivní adheze

Flotace pěny závisí na selektivní adhezi vzduchových bublin na minerální povrchy v suspenzi minerál/voda. Vzduchové bubliny se přichytí k více hydrofobním částicím. Připojení bublin k povrchu je určeno mezifázovými energiemi mezi pevnou, kapalnou a plynnou fází. To určuje rovnice Young-Dupré :


kde:

  • γ lv je povrchová energie rozhraní kapalina/pára
  • γ sv je povrchová energie rozhraní pevná látka/pára
  • γ sl je povrchová energie rozhraní pevná látka/kapalina,
  • θ je kontaktní úhel , úhel svíraný na spojnici mezi parní, pevnou a kapalnou fází.

Minerály cílené k separaci mohou být chemicky povrchově upraveny pomocí kolektorů tak, aby byly více hydrofobní. Kolektory jsou typem povrchově aktivní látky, která zvyšuje přirozenou hydrofobicitu povrchu a zvyšuje oddělitelnost hydrofobních a hydrofilních částic. Kolektory se buď chemicky vážou chemisorpcí na minerál, nebo se adsorbují na povrch fyzisorpcí .

Různé typy kolektorů nebo povrchově aktivních látek používaných v pěnové flotaci.

MMF a povrchové síly v interakcích bublina-částice

Kolize

Srážkové rychlosti pro jemné částice (50 - 80 μm) lze přesně modelovat, ale neexistuje žádná současná teorie, která by přesně modelovala kolizi bublinových částic pro částice o velikosti až 300 μm, které se běžně používají ve flotačních procesech.

U jemných částic Stokesův zákon podhodnocuje pravděpodobnost kolize, zatímco potenciální rovnice na základě povrchového náboje nadhodnocuje pravděpodobnost kolize, takže se používá mezilehlá rovnice.

Je důležité znát míru kolize v systému, protože tento krok předchází adsorpci, kde se tvoří třífázový systém.

Adsorpce (příloha)

Účinnost média na adsorpci na částici je ovlivněna vztahem mezi povrchy obou materiálů. Účinnost adsorpce v chemických, termodynamických a fyzikálních oblastech ovlivňuje několik faktorů. Tyto faktory se mohou pohybovat od povrchové energie a polarity až po tvar, velikost a drsnost částice. Při flotaci pěny je adsorpce silným důsledkem povrchové energie, protože malé částice mají vysoký poměr povrchové plochy k velikosti, což vede k tomu, že povrchy s vyšší energií vytvářejí atrakce s adsorbáty. Vzduchové bubliny musí selektivně přilnout k požadovaným minerálům, aby je povýšily na povrch kalu, zatímco zvlhčují ostatní minerály a nechávají je ve vodném suspenzním médiu.

Částice, které lze snadno smáčet vodou, se nazývají hydrofilní, zatímco částice, které nelze snadno smáčet vodou, se nazývají hydrofobní. Hydrofobní částice mají tendenci tvořit oddělenou fázi ve vodném prostředí. Při flotaci pěny je účinnost vzduchové bubliny přilnout k částici založena na tom, jak je částice hydrofobní. Hydrofobní částice mají afinitu ke vzduchovým bublinám, což vede k adsorpci. Kombinace bublin a částic jsou vyvýšeny do zóny pěny poháněné vztlakovými silami.

Připojení bublin k částicím je určeno mezifázovými energiemi mezi pevnou, kapalnou a parní fází, jak je modelováno Youngovou/Dupreovou rovnicí. Mezifázové energie mohou být založeny na přirozené struktuře materiálů nebo přidání chemických úprav může zlepšit energetickou kompatibilitu.

Kolektory jsou hlavními přísadami používanými ke zlepšení povrchů částic. Fungují jako povrchově aktivní látky, které selektivně izolují a napomáhají adsorpci mezi požadovanými částicemi a bublinami stoupajícími v suspenzi. Běžné kolektory používané při flotaci jsou aniontové sirné ligandy, které mají bifunkční strukturu s iontovou částí, která sdílí přitažlivost s kovy, a hydrofobní část, jako je dlouhý uhlovodíkový ocas. Tyto kolektory potahují povrch částic monovrstvou nepolární látky, aby napomohly separaci z vodné fáze snížením rozpustnosti adsorbovaných částic ve vodě. Adsorbované ligandy mohou kolem částic vytvářet micely a vytvářet koloidy s malými částicemi, což dále zlepšuje stabilitu a separaci fází.

Desorpce (odtržení)

Adsorpce částic do bublin je nezbytná pro separaci minerálů z kejdy, ale minerály musí být čištěny od aditiv použitých při separaci, jako jsou sběrače, napěňovače a modifikátory. Produkt čisticího nebo desorpčního procesu je známý jako čisticí koncentrát. Oddělení částice a bubliny vyžaduje štěpení adsorpčního vazby poháněné smykovými silami. V závislosti na typu flotačního článku jsou smykové síly aplikovány různými mechanickými systémy. Mezi nejběžnější patří oběžná kola a míchadla. Některé systémy kombinují funkce těchto komponent tím, že je umísťují na klíčová místa, kde se mohou účastnit mechanismů flotace s více pěnami. Čisticí buňky také využívají gravitační síly ke zlepšení účinnosti separace. Desorpce sama o sobě je chemický jev, kdy jsou sloučeniny k sobě jen fyzicky připojeny bez chemické vazby.

Výpočty výkonu

Relevantní rovnice

Běžnou veličinou používanou k popisu účinnosti sběru procesu flotace pěny je obnova flotace ( ). Toto množství zahrnuje pravděpodobnost kolize a připojení částic k bublinám plynové flotace. kde:

  • , což je součin pravděpodobnosti shromažďování částic ( ) a počtu možných srážek částic ( )
  • je průměr částic
  • je průměr bubliny
  • je specifikovaná výška v rámci flotace, pro kterou bylo počítáno zotavení
  • je koncentrace částic


Následuje několik dalších matematických metod, které se často používají k vyhodnocení účinnosti pěnacích procesů. Tyto rovnice jsou jednodušší než výpočet pro obnovu flotace , protože jsou založeny pouze na množství vstupů a výstupů procesů.

Pro následující rovnice:

  • je hmotnostní procento krmiva
  • je koncentrát hmotnostních procent
  • je hmotnostní procento hlušiny
  • , a jsou metalurgické testy koncentrátu, hlušiny a krmiva


Poměr hmotnosti krmiva k hmotnosti koncentrátu (bez jednotky)

Procento vytěženého kovu ( ) v % hmotn.

Procento ztráty kovu ( ) v % hmotn.

Procento hmotnosti získané zpět v % hmotn.

Příklad vztahů mezi stupněm zotavení a plovoucí flotací. Posuny v křivkách představují změny účinnosti flotace.
Křivky zotavení

Křivky regenerace stupně jsou užitečnými nástroji při vážení kompromisu při výrobě vysoce kvalitního koncentrátu při zachování co nejnižší rychlosti obnovy, což jsou dva důležité aspekty flotace pěny. Tyto křivky jsou vyvinuty empiricky na základě procesu flotace jednotlivé pěny konkrétní rostliny. Jak jsou křivky posunuty v kladném směru x (doprava) a kladném směru y (nahoru), je výkon procesu flotace pěny považován za zlepšující se. Nevýhodou těchto křivek je, že mohou porovnávat pouze vztahy mezi stupněm zotavení pro konkrétní stupeň krmiva a rychlost posuvu. Pokud má společnost ve svém procesu flotace pěny rozptyl krmných tříd a dávek (což je extrémně běžný jev), musely by být vytvořeny křivky zotavení stupně pro každé párování stupně krmiva a míry výtěžnosti, aby poskytly smysluplné informace rostlina.

Flotační zařízení

Schéma flotační buňky pěny. Číslované trojúhelníky ukazují směr toku proudu. Směs rudy a vody nazývaná buničina [1] vstupuje do buňky z kondicionéru a proudí na dno buňky. Vzduch [2] nebo dusík je veden svislým oběžným kolem, kde střihové síly rozbíjí proud vzduchu do malých bublin. Pěna minerálního koncentrátu se shromažďuje z horní části buňky [3], zatímco buničina [4] proudí do jiné buňky.

Flotaci lze provádět v obdélníkových nebo válcových mechanicky míchaných buňkách nebo nádržích, flotačních kolonách, Jamesonových buňkách nebo deinkinujících flotačních strojích. Podle metody absorpce vzduchu je spravedlivé konstatovat, že vznikly dvě odlišné skupiny flotačních zařízení: pneumatické a mechanické stroje. Pneumatické stroje obecně poskytují koncentrát nízké kvality a malé provozní potíže.

Porovnání velikostí flotačních sloupců a Jamesonových buněk s podobnými kapacitami.

Mechanické články používají velký mixér a difuzorový mechanismus na dně směšovací nádrže k přivádění vzduchu a zajištění míchacího účinku. Flotační kolony používají vzduchové spreje k přivádění vzduchu ve spodní části vysokého sloupce a zavádění kalu výše. Protiproudý pohyb kalu stékajícího dolů a proudícího vzduchu nahoru zajišťuje míchání. Mechanické články mají obecně vyšší průchodnost, ale produkují materiál nižší kvality, zatímco flotační kolony mají obecně nízkou průchodnost, ale produkují materiál vyšší kvality.

Jamesonův článek nepoužívá ani oběžná kola, ani rozstřikovače, místo toho kombinuje suspenzi se vzduchem ve svodovém potrubí, kde vysoký střih vytváří turbulentní podmínky potřebné pro kontakt bublinových částic.

Mechanika flotace

FlCirc.PNG

Po mletí se uvolní minerální částice a následují následující kroky:

  1. Kondicionování reagencií k dosažení hydrofobních povrchových nábojů na požadovaných částicích
  2. Sběr a transport nahoru bublinami v těsném kontaktu se vzduchem nebo dusíkem
  3. Vytvoření stabilní pěny na povrchu flotační buňky
  4. Oddělení minerální naložené pěny z lázně (flotační komora)

Jednoduchý flotační obvod pro koncentraci minerálů. Číslované trojúhelníky ukazují směr toku proudu. Různá flotační činidla se přidávají do směsi rudy a vody (nazývané buničina) v kondicionační nádrži. Průtok a velikost nádrže jsou navrženy tak, aby poskytovaly minerálům dostatek času k aktivaci. Buničina kondicionéru [1] je přiváděna do banky drsnějších buněk, které jako koncentrát odstraňují většinu požadovaných minerálů. Drsnější dužina [2] přechází do banky čisticích buněk, kde lze přidat další činidla. Pěna zachycovacích buněk [3] se obvykle vrací do hrubších buněk k dalšímu zpracování, ale v některých případech může být odeslána do speciálních čistších buněk. Dužina mrchožroutů je obvykle natolik neplodná, že může být zlikvidována jako ocasy. Složitější flotační obvody mají několik sad čistších a znovu čisticích buněk a mezilehlé opětovné mletí buničiny nebo koncentrátu.

Chemické látky flotace

Pěna sulfid měďnatý v cele pěnové flotace

Sběratelé

Pro mnoho rud (např. Cu, Mo, W, Ni) jsou kolektory aniontové sirné ligandy. Obzvláště populární jsou xanthátové soli, včetně amyl xanthátu draselného (PAX), isobutyl xanthátu draselného (PIBX), ethyl xanthátu draselného (KEX), isobutyl xanthátu sodného (SIBX), isopropyl xanthátu sodného (SIPX), ethyl xanthátu sodného (SEX). Mezi další kolektory patří příbuzné ligandy na bázi síry: dithiofosfáty , dithiokarbamáty . Ještě další třídy kolektorů zahrnují thiomočovinový thiokarbanilid . Byly také použity mastné kyseliny .

U některých minerálů (např. Sylvinit pro KCl) se jako sběrače používají mastné aminy .

Bratři

Ke stabilizaci pěn se přidává řada sloučenin. Mezi tyto přísady patří borovicový olej , různé alkoholy ( methylisobutylkarbinol (MIBC) ), polyglykoly , xylenol (kyselina kresylová).

Modifikátory

K optimalizaci procesu separace se přidává řada dalších sloučenin, těmto přísadám se říká modifikátory. Modifikační činidla reagují buď s minerálními povrchy, nebo s kolektory a jinými ionty ve flotační buničině, což má za následek upravenou a kontrolovanou flotační reakci.

Chemické sloučeniny pro odbarvování recyklovaného papíru

Specifické aplikace rudy

Ilustrativně se flotační proces používá k čištění chloridu draselného z chloridu sodného a jílových minerálů. Drcený minerál se suspenduje v solance v přítomnosti mastných amonných solí. Protože skupina amoniaku a K + mají velmi podobné iontové poloměry (přibližně 0,135, respektive 0,143 nm), centra amoniaku se vyměňují za povrchová místa draslíku na částicích KCl, ale ne na částicích NaCl. Dlouhé alkylové řetězce pak propůjčují částicím hydrofobicitu, která jim umožňuje vytvářet pěny.

Sulfidové rudy
  • Olovo-zinek-železo  
  • Měď-olovo-zinek-železo  
  • Zlato-stříbro  
  • Oxidová měď a olovo  
  • Nikl-měď  
Nesulfidové rudy

Viz také

Reference

Další čtení