Пенная флотация

Процесс селективного отделения гидрофобных материалов от гидрофильных.

Схема цилиндрической флотационной камеры с камерой и освещением, используемой для анализа изображений поверхности пены.

Пенная флотация — это процесс избирательного отделения гидрофобных материалов от гидрофильных . Он используется в переработке полезных ископаемых, переработке бумаги и очистке сточных вод. Исторически это было впервые использовано в горнодобывающей промышленности, где это была одна из величайших технологий 20-го века. Его описывают как «самую важную операцию, используемую для добычи и обогащения сульфидных руд ». ^[1] Развитие пенной флотации позволило улучшить извлечение ценных полезных ископаемых , таких как медь- и свинцовосодержащие минералы. Наряду с механизированной добычей это позволило экономически эффективно извлекать ценные металлы из руды гораздо более низкого качества, чем раньше.

Отрасли

Пенная флотация применяется в широком спектре процессов разделения. Ежегодно таким способом перерабатывается около 1 млрд тонн материалов. ^[2]

Переработка полезных ископаемых

Пенная флотация для отделения пластмасс, Аргоннская национальная лаборатория

Камеры пенной флотации для концентрирования сульфидных минералов меди и никеля, Фалконбридж, Онтарио.

Пенная флотация — это процесс отделения минералов от пустой породы путем использования различий в их гидрофобности . Разница в гидрофобности между ценными минералами и пустой породой увеличивается за счет использования поверхностно-активных веществ и смачивающих агентов. Процесс флотации используется для разделения большого количества сульфидов , карбонатов и оксидов перед дальнейшей очисткой. Фосфаты и уголь также обогащаются (очищаются) по технологии флотации. «Кривые извлечения содержания» — это инструменты для взвешивания соотношения между производством концентрата высокого содержания и себестоимостью. Эти кривые сравнивают только соотношение содержания и извлечения конкретного сорта корма и его скорости. ^[3]

Очистки сточных вод

Процесс флотации также широко используется на очистных сооружениях промышленных сточных вод, где из сточных вод удаляются жиры, масла и взвешенные вещества. Эти установки называются установками флотации растворенным воздухом (DAF). ^[4] В частности, установки флотации растворенным воздухом используются при удалении нефти из сточных вод нефтеперерабатывающих заводов , нефтехимических и химических заводов , заводов по переработке природного газа и аналогичных промышленных объектов. ^{[ нужна цитата ]}

Принцип действия

Руда, подлежащая обработке, измельчается на частицы ( измельчение ). В идеализированном случае отдельные минералы физически разделяются, и этот процесс известен как полное освобождение . Размеры частиц обычно находятся в диапазоне 2–500 микрометров в диаметре. ^[2] При пенной флотации водную суспензию измельченной руды обрабатывают пенообразователем. Примером может служить этилксантогенат натрия в качестве собирателя при флотации галенита (сульфида свинца) для отделения его от сфалерита (сульфида цинка). Полярная часть ксантогенат-аниона прикрепляется к частицам руды, а неполярная углеводородная часть образует гидрофобный слой. Частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха. Для эффективного разделения требуется около 300  г / т руды. С увеличением длины углеводородной цепи в ксантогенатах эффективность гидрофобного действия возрастает, но селективность по типу руды снижается. Самая короткая цепь у этилксантогената натрия , что делает его очень селективным к медным, никелевым, свинцовым, золотым и цинковым рудам. Обычно в процессе используют водные растворы (10%) с pH = 7–11. ^[5] Эту суспензию (более правильно называемую пульпой ) гидрофобных и гидрофильных частиц затем вводят в резервуары, известные как флотационные камеры , которые аэрируются для образования пузырьков. Гидрофобные частицы прикрепляются к пузырькам воздуха, которые поднимаются на поверхность, образуя пену. Пена снимается из ячейки, образуя концентрат («концентрацию») целевого минерала. ^[2]

Минералы, которые не всплывают в пену, называются отходами флотации или хвостами флотации . Эти хвосты также могут быть подвергнуты дальнейшим стадиям флотации для извлечения ценных частиц, которые не всплыли в первый раз. Это известно как очистка . Окончательные хвосты после очистки обычно перекачиваются для захоронения в виде засыпки шахты или в хвостохранилище для долгосрочного хранения. ^[2]

Флотация обычно проводится в несколько стадий, чтобы максимизировать извлечение целевого минерала или минералов и концентрацию этих минералов в концентрате при минимизации затрат энергии. ^[6]

Стадии флотации

Первая стадия называется черновой , в результате которой получается более черновой концентрат . Цель состоит в том, чтобы удалить максимальное количество ценного минерала при максимально крупном размере частиц. ^[6] Измельчение требует затрат энергии. ^[6] Цель состоит в том, чтобы освободить достаточное количество пустой породы из ценного минерала, чтобы обеспечить высокую степень извлечения. ^[6] Некоторые обогатительные фабрики используют стадию предварительной флотации для удаления примесей низкой плотности, таких как углеродистая пыль. ^[7] Черновой концентрат обычно подвергается дальнейшим стадиям флотации, чтобы удалить больше нежелательных минералов, которые также попали в пену, в процессе, известном как очистка . Полученный материал часто подвергают дальнейшему измельчению (обычно называемому переизмельчением ). Переизмельчение часто осуществляется на специализированных мельницах , таких как IsaMill . ^[6] За этапом грубой флотации часто следует этап поглотительной флотации, который применяется к хвостам грубой очистки для дальнейшего извлечения любого из целевых минералов.

Наука флотации

Чтобы быть эффективными в отношении конкретного рудного раствора, коллекторы выбираются на основе их селективного смачивания типов частиц, которые необходимо отделить. Хороший коллектор физически или химически адсорбирует один из типов частиц. Смачивающую активность поверхностно-активного вещества на частице в принципе можно определить количественно путем измерения углов смачивания границы раздела жидкость/пузырек. Другой важной мерой прикрепления пузырьков к частицам является время индукции, время, необходимое частице и пузырю для разрыва тонкой пленки, разделяющей частицу и пузырек. Этот разрыв достигается за счет поверхностных сил между частицей и пузырьком.

Механизм прикрепления пузырьков к частицам сложен, но рассматривается как состоящий из трех этапов: столкновение, прикрепление и отделение. Столкновение достигается за счет того, что частицы находятся внутри трубки столкновения пузырька, и на это влияют скорость и радиус пузырька. Трубка столкновений соответствует области, в которой частица будет сталкиваться с пузырем, а периметр трубки столкновений соответствует скользящей траектории.

Прикрепление частицы к пузырю контролируется временем индукции частицы и пузырька. Частица и пузырек должны связаться, и это происходит, если время, в течение которого частица и пузырек контактируют друг с другом, превышает необходимое время индукции. На время индукции влияет вязкость жидкости, размер частиц и пузырьков, а также силы между частицами и пузырьками.

Отделение частицы от пузырька происходит, когда сила поверхностного натяжения превышает силы сдвига и силы гравитации. Эти силы сложны и различаются внутри клетки. Высокая сила сдвига будет ощущаться вблизи рабочего колеса механической флотационной камеры и, главным образом, сила гравитации в зоне сбора и очистки флотационной колонны.

Возникают серьезные проблемы с уносом мелких частиц, поскольку эти частицы имеют низкую эффективность столкновения, а также осложняются и деградируют поверхности частиц. Крупные частицы демонстрируют низкое извлечение ценного минерала из-за низкой эффективности выделения и высокой эффективности отделения.

Флотационное оборудование

Схема камеры пенной флотации. Треугольники с цифрами показывают направление течения ручья. Смесь руды и воды, называемая пульпой [1], поступает в ячейку из кондиционера и стекает на дно ячейки. Воздух [2] или азот подаются вниз по вертикальному рабочему колесу, где силы сдвига разбивают воздушный поток на мелкие пузырьки. Пена минерального концентрата собирается сверху камеры [3], а пульпа [4] перетекает в другую камеру.

Флотацию можно проводить в прямоугольных или цилиндрических камерах или резервуарах с механическим перемешиванием, флотационных колоннах, флотомашинах Джеймсон или флотомашинах для удаления краски. Классифицируя по способу поглощения воздуха, можно справедливо сказать, что возникли две отдельные группы флотационного оборудования: пневматические и механические машины. Обычно пневматические машины дают низкосортный концентрат и не вызывают особых проблем при эксплуатации.

Сравнение размеров флотационных колонн и камер Джеймсон аналогичной производительности.

В механических ячейках используется большой смеситель и диффузорный механизм в нижней части смесительного резервуара для подачи воздуха и обеспечения перемешивания. В флотационных колоннах используются воздушные барботеры для подачи воздуха в нижнюю часть высокой колонны и подачи суспензии сверху. Противоточное движение суспензии, стекающей вниз, и воздуха, поднимающегося вверх, обеспечивает перемешивание. Механические камеры обычно имеют более высокую производительность, но производят материал более низкого качества, тогда как флотационные колонны обычно имеют низкую производительность, но производят материал более высокого качества.

В ячейке Джеймсона не используются ни рабочие колеса, ни барботеры, вместо этого суспензия смешивается с воздухом в сливном стакане, где высокий сдвиг создает турбулентные условия, необходимые для контакта пузырьковых частиц.

Реагенты флотации

Пена сульфида меди в камере пенной флотации

Этилксантогенат калия — популярный собиратель сульфидных минералов.

Коллекционеры

Для многих руд (например, Cu, Mo, W, Ni) коллекторами являются анионные серные лиганды. Особенно популярны среди сульфидных минералов ксантогенатные соли, в том числе амилксантогенат калия (PAX), изобутилксантогенат калия (PIBX), этилксантогенат калия (KEX), изобутилксантогенат натрия (SIBX), изопропилксантогенат натрия (SIPX), этилксантогенат натрия (SEX) . ). К родственным собирателям относятся родственные лиганды на основе серы: дитиофосфаты , дитиокарбаматы . Другие классы собирателей включают тиокарбанилид тиомочевины . Карбоксилаты жирных кислот , алкилсульфаты и алкилсульфонаты также использовались для получения оксидных минералов.

Для некоторых минералов (например, сильвинита для KCl) в качестве собирателей используются жирные амины .

Пенообразователи

Для стабилизации пен добавляются различные соединения. К таким добавкам относятся сосновое масло , различные спирты ( метилизобутилкарбинол (МИБЦ) ), полигликоли , ксиленол (крезиловая кислота).

Депрессанты

По словам одного из поставщиков, депрессоры «повышают эффективность процесса флотации за счет избирательного ингибирования взаимодействия одного минерала с собирателем». ^[8] Таким образом, типичный образец измельченной руды состоит из множества компонентов, из которых только один или несколько являются объектами сбора. Депрессанты связываются с этими другими компонентами, чтобы коллектор не был потрачен впустую. Депрессоры подбираются для конкретных руд. Типичными депрессантами являются крахмал, полифенолы, щелочь и известь. Они дешевы и обычно богаты кислородом.

Модификаторы

Для оптимизации процесса разделения добавляют множество других соединений, эти добавки называются модификаторами. Модифицирующие реагенты реагируют либо с минеральными поверхностями, либо с коллекторами и другими ионами во флотационной пульпе, что приводит к модифицированному и контролируемому эффекту флотации.

• Модификаторы pH включают известь (используется в виде негашеной извести CaO или чаще гашеной извести, суспензии Ca(OH) ₂ ), ^[9] кальцинированной соды (Na ₂ CO ₃ ), каустической соды (NaOH), серной и соляной кислоты ( H ₂ SO ₄ , HCl).
• Анионные модификаторы включают фосфаты, силикаты и карбонаты.
• Органические модификаторы включают в себя загустители декстрин , крахмал , клей и КМЦ .

Конкретные приложения

Сульфидные руды

До 1907 года почти вся медь, добывавшаяся в США, добывалась из подземных жильных месторождений, в среднем 2,5 процента меди. ^[10] К 1991 году среднее содержание медной руды, добываемой в США, упало всего до 0,6 процента. ^[10]

Несульфидные руды

Флотацию применяют для очистки хлорида калия от хлорида натрия и глинистых минералов. Измельченный минерал суспендируют в рассоле в присутствии жирных солей аммония . Поскольку головная группа аммония и K ⁺ имеют очень похожие ионные радиусы (около 0,135, 0,143 нм соответственно), аммониевые центры обмениваются на поверхностные калиевые центры на частицах KCl, но не на частицах NaCl. Длинные алкильные цепи придают частицам гидрофобность, что позволяет им образовывать пену. ^[11]

Химические соединения для удаления краски с переработанной бумаги

Пенная флотация — один из процессов, используемых для восстановления переработанной бумаги . В бумажной промышленности этот этап называется удалением краски или просто флотацией. Цель состоит в том, чтобы освободить и удалить гидрофобные загрязнения из переработанной бумаги. Загрязняющие вещества в основном представляют собой печатную краску и липкие материалы . Обычно установка представляет собой двухступенчатую систему с последовательно соединенными 3,4 или 5 флотационными камерами. ^[12]

• Контроль pH: силикат натрия и гидроксид натрия.
• Источник ионов кальция : жесткая вода , известь или хлорид кальция.
• Сборщик: жирные кислоты , эмульсии жирных кислот , мыло жирных кислот и/или органомодифицированный силоксан ^[13].

Экологические соображения

Как и любая другая технология, которая уже давно используется в масштабах нескольких миллионов тонн в год, технологии флотации могут угрожать окружающей среде, помимо разрушений, вызванных добычей полезных ископаемых. Пенная флотация использует множество органических химикатов и требует сложного оборудования. Некоторые химические вещества (цианид) очень токсичны, но гидролизуются до безвредных продуктов. Широко используются природные жирные кислоты. Хвосты и сточные воды содержатся в облицованных прудах. Пенная флотация «готова к увеличению активности из-за ее потенциальной полезности в операциях по очистке окружающей среды», включая переработку пластмасс и металлов, не говоря уже о очистке воды. ^[2]

История

Процессы флотации описаны в древнегреческой и персидской литературе. ^[14] В конце 19 века основы процесса были обнаружены на медленной эволюционной фазе. В течение первого десятилетия 20-го века более быстрые исследования масел, пены и перемешивания привели к проверенному применению на рабочих местах, особенно в Брокен-Хилле, Австралия, что привело к технологическим инновациям, известным как «пенная флотация». В начале 20 века пенная флотация произвела революцию в переработке полезных ископаемых. ^[15]

Первоначально природные химикаты, такие как жирные кислоты и масла, использовались в качестве флотореагентов в больших количествах для повышения гидрофобности ценных минералов. С тех пор этот процесс был адаптирован и применен к широкому спектру разделяемых материалов, а для различных применений были приняты дополнительные собиратели, включая поверхностно-активные вещества и синтетические соединения. ^[16]

19 век

Англичанин Уильям Хейнс в 1860 году запатентовал процесс разделения сульфидных и пустых минералов с помощью нефти. Более поздние авторы указывали на патент Хейнса как на первый патент на «объемную флотацию нефти», хотя нет никаких свидетельств того, что он проходил полевые испытания или использовался в коммерческих целях. В 1877 году братья Бессель (Адольф и Август) из Дрездена, Германия, представили свой коммерчески успешный процесс масляной и пенной флотации для извлечения графита , который некоторые считают основой пенной флотации. ^[17] Однако процесс Бесселя стал неэкономичным после открытия высококачественного графита в Шри-Ланке и был в значительной степени забыт. ^[18]

Изобретатель Хезекия Брэдфорд из Филадельфии изобрел «метод экономии плавающего материала при разделении руды» и получил патент США № 345951 20 июля 1886 года. ^[19] Позже он запатентовал брейкер Брэдфорд, который в настоящее время используется угольная промышленность, в 1893 году. ^[20] Его «Брэдфордская шайба», запатентованная в 1870 году, использовалась для концентрирования железных, медных и свинцово-цинковых руд по удельному весу, ^[21] но теряла часть металла в виде флотации в процессе концентрации. Патент 1886 года заключался в улавливании этого «плавания» с помощью поверхностного натяжения, что стало первым из патентов на процесс поверхностной флотации, который был вытеснен флотацией масляной пеной ^.

24 августа 1886 года Кэрри Эверсон получила патент на свой процесс, в котором использовалось масло, а также кислота или соль, что стало важным шагом в развитии истории процесса. К 1890 году испытания процесса Эверсона были проведены в Джорджтауне и Силвер-Клифф, штат Колорадо, и в Бейкере, штат Орегон. Она отказалась от работы после смерти мужа и до того, как усовершенствовала коммерчески успешный процесс. Позже, в разгар юридических споров по поводу действительности различных патентов в 1910-х годах, на патент Эверсона часто указывали как на первоначальный патент на флотацию, что означало бы, что этот процесс не может быть снова запатентован более поздними участниками. Большая путаница была недавно прояснена историком Доном Буньяком. ^[23]

Первый процесс коммерческой флотации

Общепризнанный первый успешный коммерческий процесс флотации минеральных сульфидов был изобретен Фрэнком Элмором, который работал над разработкой вместе со своим братом Стэнли. Медный рудник Гласдир в Лланеллтиде , недалеко от Долгеллау в Северном Уэльсе, был куплен в 1896 году братьями Элмор совместно со своим отцом Уильямом. В 1897 году братья Элмор установили первый в мире промышленный флотационный процесс для обогащения полезных ископаемых на руднике Гласдир. Этот процесс представлял собой не пенную флотацию, а использование нефти для агломерации (создания шариков) измельченных сульфидов и выталкивания их на поверхность, и он был запатентован в 1898 году (пересмотрен в 1901 году). Операция и процесс были описаны в « Трудах Института горного дела и металлургии Англии» от 25 апреля 1900 года, которые были перепечатаны с комментариями 23 июня 1900 года в журнале Engineering and Mining Journal , Нью-Йорк. К этому времени они осознали важность пузырьков воздуха, помогающих маслу уносить минеральные частицы. Поскольку были внесены модификации для улучшения процесса, он стал успешным при переработке руд цветных металлов от Норвегии до Австралии. ^[24]

Семья Элморов основала компанию, известную как Ore Concentration Syndicate Ltd, для продвижения коммерческого использования этого процесса во всем мире. В 1900 году Чарльз Баттерс из Беркли, Калифорния, приобрел американские права на процесс Элмора после того, как увидел демонстрацию в Лланеллтиде, Уэльс. Баттерс, эксперт по цианидному процессу , построил перерабатывающий завод Элмора в подвале здания Дули в Солт-Лейк-Сити, а также протестировал нефтеперерабатывающий процесс на золотых рудах по всему региону, а также протестировал хвосты золотодобывающей фабрики Мамонт в округе Тинтик. Юта, но безуспешно. ^[25] Из-за репутации Баттерса и новостей о его неудаче, а также из-за неудачной попытки разработки золотого рудника Леруа в Россланде, Британская Колумбия, процесс Элмора был практически проигнорирован в Северной Америке. ^{[ нужна цитата ]}

События в других местах, особенно в Брокен-Хилле, Австралия , компанией Minerals Separation, Limited , привели к десятилетиям ожесточенных юридических баталий и судебных разбирательств для семьи Элморов, которые в конечном итоге проиграли, поскольку процесс Элмора был заменен более продвинутыми методами. Другой процесс флотации был независимо изобретен в 1901 году в Австралии Чарльзом Винсентом Поттером и Гийомом Даниэлем Дельпра примерно в то же время. ^{[26] [27]} Поттер был пивоваром, а также химиком, и, вероятно, его вдохновило то, как пивная пена поднимала осадок в пиве. ^[28] В этом процессе не использовалось масло, но он основывался на флотации за счет образования газа, образующегося при введении кислоты в пульпу. В 1903 году Поттер подал в суд на Дельпрата, тогдашнего генерального директора BHP , за нарушение патентных прав. Он проиграл дело по соображениям полезности, поскольку Дельпат утверждал, что, хотя процесс Дельпрата, в котором для образования пузырьков в процессе использовалась серная кислота, не был так полезен, как процесс Дельпрата, в котором использовался соленый осадок. Несмотря на это, после завершения дела BHP начала использовать серную кислоту для процесса флотации. ^[29]

В 1902 году Фроман объединил нефтяную и газовую флотацию, используя модификацию процесса Поттера-Дельпрата. В течение первого десятилетия двадцатого века Брокен-Хилл стал центром инноваций, которые привели к совершенствованию процесса пенной флотации, где многие технологи заимствовали друг у друга и развивали эти первые успехи. ^{[ нужна цитата ]}

Еще один процесс был разработан в 1902 году Артуром К. Каттермолом, который эмульгировал пульпу с небольшим количеством масла, подвергал ее сильному перемешиванию, а затем медленному перемешиванию, в результате чего целевые минералы коагулировались в узелки, которые отделялись от пульпы под действием силы тяжести. Компания Minerals Separation Ltd., созданная в Великобритании в 1903 году для приобретения патента Cattermole, обнаружила, что эта попытка оказалась безуспешной. Штатные металлурги продолжали тестировать и комбинировать другие открытия, чтобы в 1905 году запатентовать свой процесс, названный процессом Сульмана-Пикара-Балло в честь должностных лиц компании и патентообладателей. В том же году этот процесс оказался успешным на заводе Central Block в Брокен-Хилле. Важным в их процессе «пенной флотации с перемешиванием» было использование менее 1% масла и этап перемешивания, в результате которого создавались маленькие пузырьки, которые обеспечивали большую поверхность для захвата металла и всплывания пены на поверхности. ^[30] Полезная работа была проделана Лесли Брэдфордом в Порт-Пири, а также Уильямом Пайпером, сэром Гербертом Геппом и Огюстом де Бавеем . ^{[ нужна цитата ]}

Mineral Separation также приобрела другие патенты, чтобы консолидировать право собственности на любые потенциально конфликтующие права на процесс флотации, за исключением патентов Элмора. В 1910 году, когда компания Zinc Corporation заменила свой процесс Элмора на процесс пенной флотации разделения минералов (Сульман-Пикар-Баллот) на своем заводе в Брокен-Хилле, первенство разделения минералов над другими претендентами на процесс было гарантировано. ^[31] Генри Ливингстон Салман позже был признан своими коллегами на выборах президентом (Британского) института горной промышленности и металлургии , который также наградил его золотой медалью. ^{[ нужна цитата ]}

20 век

События в Соединенных Штатах были менее впечатляющими. За неудачами Баттерса, как и за другими, после 1904 года последовал процесс шотландца Стэнли МакКвистена (метод, основанный на поверхностном натяжении), который был разработан с некоторым успехом в Неваде и Айдахо, но он не работал в присутствии слизи , главная ошибка. Генри Э. Вуд из Денвера разработал свой процесс флотации по тому же принципу в 1907 году, запатентовал его в 1911 году и добился определенного успеха на молибденовых рудах. Однако по большей части это были отдельные попытки без помпы, успехи которых можно назвать лишь незначительными. ^{[ нужна цитата ]}

В 1911 году Джеймс М. Хайд , бывший сотрудник компании Minerals Separation, Ltd., модифицировал процесс разделения минералов и установил испытательную установку на заводах Бьютт и Супериор в Бэйзине, штат Монтана , первую подобную установку в США. В 1912 году он спроектировал цинковый завод Бьютт и Супериор в Бьютте, штат Монтана, первый крупный флотационный завод в Америке. ^[32] Minerals Separation, Ltd., открывшая офис в Сан-Франциско, подала в суд на Хайда за нарушение прав, а также на компанию Butte & Superior; оба дела в конечном итоге были выиграны фирмой в Верховном суде США. Дэниел Коуэн Джеклинг и партнеры, контролировавшие Butte & Superior, также опровергли патент на разделение минералов и профинансировали последующие судебные тяжбы, которые длились более десяти лет. Они - Utah Copper (Kennecott), Nevada Consolidated, Chino Copper, Ray Con и другие фирмы Jackling - в конце концов договорились в 1922 году, заплатив значительную плату за лицензии на использование процесса разделения полезных ископаемых. Одним из печальных результатов спора стал профессиональный раскол среди горнодобывающего сообщества на протяжении целого поколения. ^{[ нужна цитата ]}

В 1913 году компания Minerals Separation оплатила испытательный завод для Inspiration Copper Company в Майами, штат Аризона. Построенный под руководством директора офиса в Сан-Франциско Эдварда Наттера, он оказался успешным. Инженер-инспиратор Л.Д. Рикеттс снес гравитационную концентрационную мельницу и заменил ее процессом разделения минералов, первым крупным применением этого процесса на американском медном руднике. Основными держателями акций Inspiration были люди, которые контролировали огромную шахту Анаконда в Бьютте. Они сразу же последовали за успехом Inspiration по строительству лицензированного завода по сепарации минералов в Бьютте в 1915–1916 годах, что стало важным заявлением об окончательном принятии запатентованного процесса разделения минералов. ^[33]

Джон М. Кэллоу из компании General Engineering в Солт-Лейк-Сити проследил за флотацией по техническим документам и ее внедрению на заводах Бьютт и Супериор, а также на заводе Inspiration Copper в Аризоне, и определил, что механическое перемешивание является недостатком существующей технологии. Представив пористый кирпич со сжатым воздухом и механический механизм перемешивания, Кэллоу подал заявку на патент в 1914 году (некоторые говорят, что Кэллоу, сторонник Джеклинга, изобрел свою ячейку, чтобы избежать выплаты роялти компании Minerals Separation, которая использует его ячейку). в конечном итоге были вынуждены сделать это по решению суда). ^[34] Этот метод, известный как пневматическая флотация, был признан альтернативой процессу разделения минералов с флотационным концентрированием. ^[35] Американский институт горных инженеров вручил Кэллоу золотую медаль Джеймса Дугласа в 1926 году за его вклад в область флотации. К тому времени технология флотации менялась, особенно с открытием использования ксантогенатов и других реагентов, что сделало ячейку Кэллоу и его процесс устаревшими. ^{[ нужна цитата ]}

Профессор Технологического института Монтаны Антуан Марк Годен определил ранний период флотации как механическую фазу, а к концу 1910-х годов она перешла в химическую фазу. Открытия в области реагентов, особенно использование ксантогенатов, запатентованных химиком Minerals Separations Корнелиусом Х. Келлером, не столько увеличили улавливание минералов в процессе, сколько сделали его гораздо более управляемым в повседневных операциях. Срок действия первых патентов Minerals Separation на флотацию истек в 1923 году, а новые патенты на химические процессы обеспечили ей значительную позицию в 1930-х годах. ^[36] В этот период компания также разработала и запатентовала процессы флотации железа в своей лаборатории Хиббинга и фосфатов в своей лаборатории во Флориде. Другая быстрая фаза инноваций в процессе флотации произошла только после ^{1960 года .}

В 1960-х годах метод пенной флотации был адаптирован для удаления краски из переработанной бумаги . ^{[ нужна цитата ]}

Об успехе процесса свидетельствует количество заявителей, являющихся «открывателями» флотации. В 1961 году американские инженеры отпраздновали «50-летие флотации» и почтили память Джеймса Хайда и его мельницы «Бьютт и Супериор». В 1977 году немецкие инженеры отпраздновали «столетие флотации» на основании патента братьев Бессель 1877 года. Исторический медный рудник Гласдир рекламирует свои туры в Уэльс как место «открытия флотации», основанное на работе братьев Элмор. Недавние авторы, из-за интереса к прославлению женщин в науке, защищают Кэрри Эверсон из Денвера как мать процесса, основываясь на ее патенте 1885 года. В этом списке исключены инженеры, металлурги и химики компании Minerals Separation, Ltd., которая, по крайней мере в американских и австралийских судах, выиграла контроль над патентами на пенную флотацию, а также право истца как первооткрывателя пенной флотации. Но, как пишет историк Мартин Линч, «разделение полезных ископаемых в конечном итоге восторжествовало после передачи дела в Верховный суд США [и Палату лордов] и тем самым заслужило сердечную ненависть многих представителей горнодобывающего мира». ^[37]

Теория

Эффективность пенной флотации определяется рядом вероятностей: вероятности контакта частиц с пузырьками, прикрепления частиц к пузырькам, транспорта между пульпой и пеной и сбора пены в желоб для продукта. ^[38] В обычной ячейке с механическим перемешиванием доля пустот (т.е. объем, занимаемый пузырьками воздуха) невелика (от 5 до 10 процентов), а размер пузырьков обычно превышает 1 мм. ^[39] Это приводит к относительно низкой межфазной поверхности и низкой вероятности контакта частиц с пузырьками. ^[39] Следовательно, для увеличения времени пребывания частиц необходимо последовательное использование нескольких ячеек, тем самым увеличивая вероятность контакта частицы с пузырьком. ^[39]

Селективная адгезия

Пенная флотация зависит от избирательного прилипания пузырьков воздуха к минеральным поверхностям в минерально-водной суспензии. Пузырьки воздуха прикрепляются к более гидрофобным частицам, что определяется межфазной энергией между твердой, жидкой и газовой фазами. Эта энергия определяется уравнением Юнга – Дюпре : ^[40]

${\displaystyle \gamma _{lv}\cos \theta =(\gamma _{sv}-\gamma _{sl})}$

где:

• γ _lv — поверхностная энергия границы раздела жидкость/пар.
• γ _sv — поверхностная энергия границы раздела твердое тело/пар.
• γ _sl — поверхностная энергия границы раздела твердое тело/жидкость,
• θ — контактный угол , угол, образующийся на стыке паровой, твердой и жидкой фаз.

Минералы, предназначенные для разделения, могут быть химически модифицированы с помощью коллекторов, чтобы они стали более гидрофобными. Коллекторы представляют собой тип поверхностно-активных веществ , которые повышают естественную гидрофобность поверхности, увеличивая сепарацию гидрофобных и гидрофильных частиц. Коллекторы либо химически связываются с минералом посредством хемосорбции , либо адсорбируются на поверхности посредством физической адсорбции .

Различные типы собирателей или поверхностно-активных веществ, используемые при пенной флотации.

ММП и поверхностные силы во взаимодействиях пузырьков с частицами

Столкновение

Частоту столкновений мелких частиц (50–80 мкм) можно точно смоделировать, но в настоящее время не существует теории, которая бы точно моделировала столкновение пузырьков с частицами для частиц размером до 300 мкм, которые обычно используются в процессах флотации. ^[41]

Для мелких частиц закон Стокса недооценивает вероятность столкновения, в то время как потенциальное уравнение, основанное на поверхностном заряде, переоценивает вероятность столкновения, поэтому используется промежуточное уравнение. ^[42]

Важно знать скорость столкновений в системе, поскольку этот этап предшествует адсорбции, при которой образуется трехфазная система.

Адсорбция (прикрепление)

На эффективность среды для адсорбции частиц влияет соотношение поверхностей обоих материалов. Существует множество факторов, влияющих на эффективность адсорбции в химической, термодинамической и физической областях. Эти факторы могут варьироваться от поверхностной энергии и полярности до формы, размера и шероховатости частицы. При пенной флотации адсорбция является сильным следствием поверхностной энергии, поскольку мелкие частицы имеют высокое соотношение площади поверхности к размеру, что приводит к образованию поверхностей с более высокой энергией, образующих притяжение к адсорбатам. Пузырьки воздуха должны избирательно прилипать к желаемым минералам, поднимая их на поверхность суспензии, смачивая при этом другие минералы и оставляя их в водной среде суспензии.

Частицы, которые легко смачиваются водой, называются гидрофильными, а частицы, которые трудно смачиваются водой, называются гидрофобными. Гидрофобные частицы имеют тенденцию образовывать отдельную фазу в водных средах. При пенной флотации эффективность прилипания воздушного пузыря к частице зависит от того, насколько гидрофобна частица. Гидрофобные частицы имеют сродство к пузырькам воздуха, что приводит к адсорбции. Комбинации пузырьков и частиц поднимаются в зону пены под действием сил плавучести. ^[40]

Прикрепление пузырьков к частицам определяется межфазными энергиями между твердой, жидкой и паровой фазами, как это моделируется уравнением Янга/Дюпре. Межфазная энергия может быть основана на естественной структуре материалов или добавление химической обработки может улучшить энергетическую совместимость.

Коллекторы являются основными добавками, используемыми для улучшения поверхности частиц. Они действуют как поверхностно-активные вещества, избирательно изолируя и способствуя адсорбции между интересующими частицами и пузырьками, поднимающимися через суспензию. Обычными коллекторами, используемыми при флотации, являются анионные серные лиганды, которые имеют бифункциональную структуру с ионной частью, которая притягивается к металлам, и гидрофобной частью, такой как длинный углеводородный хвост. Эти коллекторы покрывают поверхность частицы монослоем неполярного вещества, чтобы облегчить отделение от водной фазы за счет снижения растворимости адсорбированных частиц в воде. Адсорбированные лиганды могут образовывать мицеллы вокруг частиц и образовывать коллоиды мелких частиц, что дополнительно улучшает стабильность и разделение фаз.

Десорбция (отделение)

Адсорбция частиц пузырьками необходима для отделения минералов от суспензии, но минералы должны быть очищены от добавок, используемых при разделении, таких как собиратели, пенообразователи и модификаторы. Продукт процесса очистки или десорбции известен как концентрат очистителя. Отделение частицы от пузырька требует разрыва адсорбционной связи под действием сдвиговых сил. В зависимости от типа флотационной камеры, силы сдвига применяются различными механическими системами. Среди наиболее распространенных – рабочие колеса и мешалки. Некоторые системы объединяют функциональные возможности этих компонентов, размещая их в ключевых местах, где они могут участвовать в нескольких механизмах пенной флотации. Очистительные камеры также используют гравитационные силы для повышения эффективности разделения. Десорбция сама по себе представляет собой химическое явление, при котором соединения просто физически прикрепляются друг к другу, не имея никакой химической связи.

Расчеты производительности

Соответствующие уравнения

Обычной величиной, используемой для описания эффективности улавливания в процессе пенной флотации, является извлечение при флотации ( ). В эту величину включены вероятности столкновения и прилипания частиц к пузырькам флотации газа. ${\displaystyle R}$

${\displaystyle R={\frac {N_{c}}{\left({\tfrac {\pi }{4}}\right)\left(d_{p}+d_{b}\right)^{2}Hc}}}$

где:

• ${\displaystyle N_{c}=PN_{c}^{i}}$, который является произведением вероятности сбора частицы ( ) и числа возможных столкновений частиц ( ) ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle N_{c}^{i}}$
• ${\displaystyle d_{p}}$диаметр частицы
• ${\displaystyle d_{b}}$диаметр пузырька
• ${\displaystyle H}$заданная высота в пределах флотации, на которой было рассчитано извлечение
• ${\displaystyle c}$концентрация частиц

Ниже приведены несколько дополнительных математических методов, часто используемых для оценки эффективности процессов пенной флотации. Эти уравнения более просты, чем расчет флотационного извлечения , поскольку они основаны исключительно на количествах входных и выходных данных процессов. ^[43]

Для следующих уравнений:

• ${\displaystyle F}$это весовой процент корма
• ${\displaystyle C}$это массовый процент концентрата
• ${\displaystyle T}$это весовой процент хвостов
• ${\displaystyle c}$, , и – металлургические анализы концентрата, хвостов и сырья соответственно. ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle f}$

Отношение массы корма к массе концентрата (безразмерное) ${\displaystyle {\tfrac {F}{C}}}$

${\displaystyle {\frac {F}{C}}={\frac {c-t}{f-t}}}$

Процент извлеченного металла ( ) в мас. % ${\displaystyle \mathrm {X} _{R}}$

${\displaystyle \mathrm {X} _{R}=100\left({\frac {c}{f}}\right)\left({\frac {f-t}{c-t}}\right)}$

Процент потерь металла ( ) в мас. % ${\displaystyle \mathrm {X} _{L}}$

${\displaystyle \mathrm {X} _{L}=100-\mathrm {X} _{R}}$

Массовый процент извлечения в процентах ${\displaystyle \left(\mathrm {X} _{W}\right)}$

${\displaystyle \mathrm {X} _{W}=100\left({\frac {C}{F}}\right)=100{\frac {f-t}{c-t}}}$

Пример соотношения содержания и извлечения, наблюдаемого при пенной флотации. Сдвиги кривых отражают изменения эффективности флотации.

Это можно рассчитать с помощью весов и анализов, например . Или, поскольку , процент восстановленного металла ( ) можно рассчитать только на основе анализов, используя . ${\displaystyle {\frac {Cc}{Ff}}*100}$ ${\displaystyle {\frac {C}{F}}={\frac {f-t}{c-t}}}$ ${\displaystyle \mathrm {X} _{R}}$ ${\displaystyle \mathrm {X} _{R}=100\left({\frac {c}{f}}\right)\left({\frac {f-t}{c-t}}\right)}$

Процент потерь металла противоположен проценту извлеченного металла и представляет собой потери материала в хвостохранилищах.

Смотрите также

• Удаление краски
• Флотация растворенным воздухом (DAF)
• Флокуляция
• Перечень технологий очистки сточных вод

Рекомендации

1. Г. Дж. Джеймсон, «Разработка флотационных камер», в: Ежегодная конференция AusIMM, Брокен-Хилл, Новый Южный Уэльс, 17–21 мая 1992 г. (Австралазийский институт горного дела и металлургии: Мельбурн, 1992), 25–31.
2. Ярар, Баки (2000). «Флотация». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . дои : 10.1002/0471238961.0612152025011801.a01. ISBN 9780471484943.
3. Нитлинг, С. Дж. и Дж. Сильерс. «Кривые восстановления содержания: новый подход к анализу и прогнозированию на основе данных о растениях». Минеральное дело 36-38 (2012): 105-10. Веб.
4. Бейчок, Милтон Р. (1967). Водные отходы нефтяных и нефтехимических заводов (1-е изд.). Джон Вили и Сыновья Лтд. LCCN  67019834.
5. Отчет 5 (1995), с. 13.
6. Дж. Пиз, «Повышение энергоэффективности измельчения». Представлено на выставке Crushing and Grinding, Брисбен, сентябрь 2007 г. По состоянию на 24 мая 2013 г.
7. Т. Смит, Д. Лин, Б. Лакутюр и Г. Андерсон, «Удаление органического углерода с помощью ячейки Джеймсон на шахте Ред Дог», в: Материалы 40-го ежегодного собрания канадских переработчиков полезных ископаемых, Оттава, Онтарио, 22–24 января 2008 г.
8. «Депрессанты / промоторы флотации | Специальные поверхностно-активные вещества Arkema» . www.specialtysurfactants.arkema.com .
9. Занин, М.; Ламберт, Х.; дю Плесси, Калифорния (01 ноября 2019 г.). «Использование и функциональность извести при флотации сульфидных минералов: обзор». Минеральное машиностроение . 143 : 105922. doi : 10.1016/j.mineng.2019.105922 . ISSN  0892-6875.
10. Уиллс, бакалавр; Аткинсон, К. (1991). «Развитие горнодобывающего дела в ХХ веке». Минеральное машиностроение . 4 (7–11): 643–652. дои : 10.1016/0892-6875(91)90054-у.
11. Элизабет Р. Буркхардт «Калий и калиевые сплавы» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, 2006. doi : 10.1002/14356007.a22_031.pub2
12. Флотационная установка Voith EcoCell «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 24 августа 2009 г. Проверено 8 января 2009 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
13. WO 2004011717, Нелесен, Бернхард и Нортфлит, Кристина, «МЕТОД ОБЕЗВЕДЕНИЯ», опубликовано 31 марта 2014 г. 
14. Нельсон, Майкл (2012). «От 10 кубических футов до 500 кубических метров - наблюдения за 100 лет флотационной технологии». Книга «Технологии разделения» под редакцией Кортни Янг и др . Общество горного дела, металлургии и геологоразведки: 539–546.
15. Линч, AJ; Ватт, Дж. С.; Финч, Дж.А.; Харборт, GE (2007). «История флотационной техники». В Джеймсоне, Дж.Дж.; Фюрстенау, MC; Юн, Р.-Х. (ред.). Пенная флотация: век инноваций . Литтлтон, Колорадо: Общество горной промышленности, металлургии и геологоразведки. п. 65. ИСБН 978-0873352529. Проверено 17 ноября 2021 г.
16. Фюрстенау, DW (2007). «Век развития химии флотационной технологии». В Джеймсоне, Дж.Дж.; Фюрстенау, MC; Юн, Р.-Х. (ред.). Пенная флотация: век инноваций. Литтлтон, Колорадо: Общество горнодобывающей промышленности, металлургии и геологоразведки. п. 3. ISBN 978-0873352529. Проверено 17 ноября 2021 г.
17. Нгуен, Ан (2003). Коллоидная наука флотации . ЦРК Пресс. стр. 11–12. ISBN 0824747828.
18. Фюрстенау 2007, стр. 3–4.
19. US 345951, Езекия Брэдфорд, «Способ экономии плавающих материалов при разделении руды» 
20. Кумар, Дилип; Кумар, Дипак (2018). «Процесс химчистки». Устойчивое управление подготовкой угля : 115–130. дои : 10.1016/B978-0-12-812632-5.00006-9. ISBN 9780128126325.
21. Уолтон, Стивен А. (2015). «Машины для соответствия материалам: промывка железной руды в Пенсильвании». IA, Журнал Общества промышленной археологии . 41 (1/2): 71–92. JSTOR  44654434.
22. Линч и др. 2007, с. 68.
23. Буняк, Рассвет (2005). «Изобретатель, патент и Кэрри Эверсон: определение успеха» (PDF) . Журнал истории горного дела : 9–24.
24. «Уэльс - родина флотации» . Архивировано из оригинала 14 июля 2011 г. Проверено 13 января 2010 г.
25. Рикард, Томас А. (1922). Интервью с горными инженерами. Сан-Франциско: Горная и научная пресса. стр. 119–131.
26. Осборн, Грэм (1981). «Гийом Даниэль Дельпра». Австралийский биографический словарь . Национальный центр биографии Австралийского национального университета . ISSN  1833-7538 . Проверено 7 июня 2012 г.
27. «Историческая справка». ООО "Минералс Сепарация " Проверено 30 декабря 2007 г.
28. Крузельницкий, Карл (2002). Сборник выдающихся австралийских фактов и новинок доктора Карла . Ангус и Робертсон. п. 100. ИСБН 0207198608.
29. Дэйви, Кристофер Дж (2006). «Поттер, Чарльз Винсент (1859–1908)». Австралийский биографический словарь . Австралийский национальный университет.
30. Малоземов, Платон (март 1941 г.). «Рабочие характеристики механических флотационных машин». Инженерно-горный журнал : 45–49.
31. Муат, Джереми (март 1996 г.). «Развитие процесса флотации: технологические изменения и генезис современной горной добычи, 1898–1911». Австралийское экономическое обозрение . 36 (1): 3–31. дои : 10.1111/aehr.361001.
32. Кэллоу; 1916 год
33. Парсонс, AB (1933). Порфировые меди . Нью-Йорк: Американский институт горных и металлургических инженеров. стр. 239–246, 446–450.
34. Рикард, Томас А. (1922). Интервью с горными инженерами. Сан-Франциско: Горная и научная пресса. стр. 142.
35. Подробное описание истории флотации и этого процесса можно найти в «Заметках о флотации» Кэллоуза, найденных в Трудах Американского института горных инженеров ; Том 53–54, первоначально представленный в Нью-Йорке в феврале 1916 года.
36. Годен, AM (1932). Флотация . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. пп. пассим.
37. Линч, Мартин (2002). Горное дело в мировой истории . Лондон: Реакция Пресс. п. 208. ИСБН 978-1-86189-173-0.
38. Б. В. Аткинсон, Си Джей Конвей и Дж. Дж. Джеймсон, «Основы работы флотомашины Джеймсон, включая реакцию размера и производительности», Архивировано 17 марта 2012 г. на Wayback Machine на: Шестой австралийской конференции по подготовке угля, Маккей, Квинсленд, 6–9 сентября 1993 г. (Австралазийский институт горного дела и металлургии: Мельбурн, 1993 г.).
39. Б. В. Аткинсон, К. Дж. Конвей и Г. Дж. Джеймсон, «Высокоэффективная флотация крупного и мелкого угля», в: Высокоэффективная подготовка угля: Международный симпозиум (Общество горной промышленности, металлургии и геологоразведки: Литтлтон, Колорадо, 1995). .
40. Каватра, СК «Основы флотации» (PDF) . МТУ Химия . Проверено 8 июня 2015 г.
41. Нгуен, Ань V (12 июня 1996 г.). «О моделировании вероятности прикрепления пузырьков к частицам при флотации». Международный журнал переработки полезных ископаемых . 53 (4): 225–249. дои : 10.1016/S0301-7516(97)00073-2.
42. Шахбази, Б. (2010). «Столкновение пузырьков с частицами и вероятность их прикрепления при флотации мелких частиц». Химическая инженерия и переработка: интенсификация процессов . 49 (6): 622–627. doi :10.1016/j.cep.2010.04.009.
43. Каватра, С.К. «Пенная флотация – фундаментальные принципы». (нд): н. стр. Веб.

дальнейшее чтение

• Пенная флотация: век инноваций, Морис К. Фюрстенау и др. 2007, МСП, 891 стр. ISBN 978-0873352529 . Предварительный просмотр Google Книг 
• Д. Н. Нихилл, К. М. Стюарт и П. Боуэн, «Шахта МакАртур Ривер - первые годы эксплуатации», в: AusIMM '98 – The Mining Cycle, Маунт-Айза, 19–23 апреля 1998 г. (Австралазийский институт горного дела и металлургии: Мельбурн). , 1998), 73–82.
• Е. В. Манлапиг, К. Грин, Дж. В. Паркинсон и А. С. Мерфи, «Технология и экономические стимулы для извлечения угля из хвостохранилищ», Ежегодное собрание МСП, Денвер, Колорадо, 26–28 февраля 2001 г., Препринт 01-70 (Общество горной промышленности, металлургии). и Разведка: Литтлтон, Колорадо, 2001).