Упрощенное схематичное изображение флотомашины. Ротор гонит пульпу вниз через статор и выбрасывает ее в стороны, нагнетая таким образом воздух. Пузыри воздуха циркулируют в пульпе, вступают в контакт с гидрофобными частицами и поднимают их на поверхность.
С начала 20 века процессы переработки и обогащения минерального сырья непрерывно совершенствовались. Одной из важнейших вех стала разработка метода пенной флотации. Работа над этой технологией заняла много времени, что-то делалось не так, но, в конце концов, она приобрела нынешний вид и стала неотъемлемой составляющей современной добычи.
Метод пенной флотации играет важную роль в обогащении основных и драгоценных металлов; его разновидности можно встретить в пищевой промышленности, в отрасли переработки бумаги. Хотя химия извлечения пенной флотацией достаточно сложна, ее основы понять не так трудно, поэтому стоит поподробнее взглянуть на базовые принципы данной технологии.
Процесс пенной флотации основан на характерных свойствах минералов: по своей природе некоторые из них легко поддаются смачиванию водой (гидрофильны), другие же, обладающие естественной маслянистой поверхностью, ее отталкивают (гидрофобны).
Многие минералы с металлическим блеском попадают в категорию гидрофобных и от природы отлично взаимодействуют с маслянистыми и жирными веществами. К ним относится ряд сульфидных минералов, способных содержать драгоценные металлы, например, галенит (сульфид свинца), халькопирит (медь) и сфалерит (сульфид цинка). Другими словами, их поверхность при наличии воды и масла проявляет заметную подверженность к воздействию последнего. С другой стороны, с водой легко взаимодействую многие пустые или отработанные материалы со стеклянным блеском, например, кварц или кальцит.
Об этих различиях добытчики отлично знали уже в начале 20 века. Они учитывали и использовали их при разработке метода обогащения, который должен был эффективно отделять минералы драгоценных металлов от остальных в рамках одного месторождения. В конце концов, он получил название пенной флотации.
Основная идея, лежащая в основе метода пенной флотации, хорошо известна и знакома любому старателю, который когда-либо имел возможность наблюдать, как мелкие частички золота собираются на поверхности воды (золото отчасти гидрофобно). Именно по этой причине лоток следует тщательно очищать от жира, наличие которого способствует флотации. Современные лотки редко используются для приготовления пищи, но раньше они применялись добытчиками для самых разных целей. По этой причине лоток должен был содержаться в чистоте, иначе старатель мог потерять мелкое золото при промывке песка.
Еще один пример практического использования гидрофобных свойств некоторых минералов – жировые столы для извлечения алмазов из кимберлитовых руд. Алмазы отталкивают воду и поэтому улавливаются жиром, в то время как другие минералы смачиваются и становятся в некоторой степени олеофобными. Этот принцип давно известен, однако разработка подходящего и эффективного оборудования шла довольно медленно.
Для эффективной сепарации минералов они должны быть в достаточной степени измельчены. Извлечь крошечные частицы сульфидов на жировом столе практически невозможно. В процессе флотации гидрофобные частицы прикрепляются к пузырькам воздуха (и наоборот) и поднимаются с ними на поверхность пены. Поверхность минералов, лучше взаимодействующих с водой (например, «стеклянные» кальцит, кварц и другие силикаты), полностью смачивается, препятствуя прилипанию к пузырькам, которые в этом случае просто двигаются мимо, а сами пустые минералы оседают на дно.
Пузырьки более эффективно прилипают к гидрофобным сульфидным минералам при наличии на их поверхности (металлической) некоторых видов масел, которые еще больше увеличивают гидрофобность минеральных частиц. Поэтому, когда смесь гидрофильных и гидрофобных минералов определенной крупности перемешивается в пене при достаточном поступлении воздуха, его пузырьки прикрепляются к частицам, обладающим металлической, отталкивающей воду поверхностью. Они заставляют их (частицы), несмотря на большую плотность, всплывать, а пустые частицы, легко смачиваемые водой, оседают на дно. Затем ценные компоненты собираются с поверхности пены, сгущаются и помещаются на хранение в виде концентрата. Хвосты в свою очередь удаляются со дна флотационной камеры.
Особенности смачиваемости различных минералов разные, поэтому и перерабатываться они должны по-разному. В целом более тяжелые силикаты, например, родонит или гранат, смачиваются не так хорошо, как легкие – кварц, ортоклаз. Для контроля за поведением минералов при флотации были разработаны специальные химические вещества. Так, определенные кислоты снижают степень прилипания масла к пустым частицам, не препятствуя, однако, воздействию масла и воздуха на металлические сульфиды. Таким образом, регулируя используемые реагенты, уровень pH в пульпе, а также некоторые другие факторы, добытчик может сам определять, какие минералы будут собираться пеной. Также существует возможность отделить один сульфидный минерал от другого, получив при этом два разных концентрата, например, свинца и цинка (при переработке материала, достаточно богатого обоими металлами).
Химические вещества, используемые для регулирования флотации, подразделяются на несколько видов: пенообразующие агенты, коллекторы (собиратели), активаторы и депрессанты.
Пенообразующие агенты (или просто вспениватели) используются для образования устойчивого слоя пены во флотационной камере. При этом слой должен держаться достаточно долго для эффективного извлечения драгоценных минералов. Самые распространенные вспениватели – это сложные спирты, в частности метил-изобутил-карбинол (methyl isobutyl carbinol, MIBC).
Раньше в качестве пенообразующих агентов использовали природные реагенты, например, пихтовое масло или крезоловую кислоту. Они богаты поверхностно-активными элементами, которые стабилизируют пузырьки, и в целом очень эффективны в качестве вспенивателей. Однако такие вещества не очень чисты химически: они содержат широкий спектр компонентов, отрицательно влияющих на флотационные свойства. Некоторые из таких соединений могут выступать в роли коллекторов, прикрепляясь к поверхности минеральных частиц. Кроме того, они выполняют функции слабых собирателей, поэтому использовать их для сепарации различных сульфидных минералов на отдельные продукты нежелательно, поскольку они не способны обеспечить надлежащий уровень контроля за процессом.
Коллекторы добавляются в пульпу или шлам и способствуют тому, чтобы извлечение определенного минерала происходило в соответствии с его гидрофобными особенностями. Выбор конкретного реагента-собирателя зависит от природы подлежащего извлечению минерала, а также минералов, присутствующих в материале вместе с ним. Коллекторы значительно увеличивают угол контакта пузырьков, поэтому последние прикрепляются к поверхности частиц более эффективно. Выбор собирателя критически важен для сепарации различных сульфидов методом флотации. К химическим веществам, чаще всего используемым в качестве коллекторов, относятся сульфгидрильные коллекторы, различные виды ксантатов и дитиофосфатов. Среди них наиболее распространены ксантаты. Правильно подобранное вещество-собиратель обеспечивает извлечение даже тех минералов, которые легко смачиваются водой.
Модификаторы или кондиционирующие присадки – это химические вещества, влияющие на то, как коллекторы прикрепляются на поверхность минеральных частиц. Еще их называют активаторами или депрессантами, поскольку они способны либо усиливать (активаторы), либо препятствовать (депрессанты) адсорбции химиката-коллектора на конкретный минерал. Иногда перед флотацией требуется провести подготовительную обработку материала, которая заключается в кондиционировании пульпы.
У модификаторов может быть сложная химия, и химический реагент-депрессант для конкретного сочетания минерал-коллектор не обязательно будет выступать в этой же роли для другой комбинации. Простейшие модификаторы – это кислоты и щелочи, которые применяются для контроля уровня pH в пульпе, оказывающего достаточно существенное влияние на химию поверхности большинства минералов. Как правило, в кислотных условиях поверхность многих минералов имеет положительный заряд, щелочных – отрицательный. Заряды переходят один в другой при разном уровне pH. Так как каждый минерал переходит из отрицательно заряженного состояния в положительно заряженное при характерном и специфическом pH, существует возможность контролировать процесс прикрепления коллекторов на различные поверхности, регулируя уровень последнего (pH). Этот аспект очень важен при сепарации сульфидов. Кроме простого изменения уровня pH, может меняться способ адсорбции определенного коллектора на поверхность минерала, что усложняет весь процесс.
Сульфгидрильные флотационные коллекторы, например, ионы ксантата, при сорбции на поверхность минералов «конкурируют» с гидроксильными ионами, поэтому их адсорбция – тоже функция pH. Такое свойство позволяет использовать сульфгидрильные типы коллекторов для постепенной сепарации различных минералов. Специфический уровень pH, при котором ионы ксантата «превосходят» гидроксильные ионы, зависит от концентрации ксантата в пульпе, а также конкретного минерала извлечения. Это может усложнить процесс сепарации сульфидов, но, если комбинация «сработала» на определенном типе руды, результаты обычно надежны, поэтому данный подход широко применяется в горнодобывающей промышленности.
Существует отдельное направление, в рамках которого проводят исследования по определению наиболее эффективных методов сепарации смешанных сульфидных минералов (для получения чистого продукта недрагоценных металлов, хотя обычно производство массы концентрата – процесс не такой сложный). Это объясняется тем, что гидрофобные свойства сульфидов значительно отличаются от гидрофобных свойств пустой породы (например, кварца), однако сами сульфиды друг от друга различаются довольно слабо. Таким образом, их сепарация требует тщательного контроля, регулирования, активации одних поверхностей при депрессии других. При этом выделение наиболее подходящих методов флотационного обогащения конкретной руды производится в лабораторных условиях и при участии специалистов.
В основном руды, подлежащие флотации, измельчаются до крупности 30-70 меш (0,2-0,6 мм), редко меньше. Чем больше крупность измельченной руды, тем выше вероятность того, что отдельные частицы будут содержать и рудные, и пустые минералы. К тому же частицы меньшего размера лучше удерживаются в пене. С другой стороны, чрезмерное измельчение (или присутствие материала слишком малой крупности) может отрицательно сказаться на извлечении и стать простой тратой ресурсов.
Основные факторы, влияющие на эффективность флотации, чрезвычайно взаимозависимы. Любое изменение одного из них, например, скорости подачи материала, обязательно требует отстройки остальных – подачи реагентов, крупности частиц, потока воздуха, плотности исходной пульпы и т.д. Количество сульфидов в руде может существенным образом повлиять на выбор химических веществ, поэтому если материал достаточно неоднороден, иногда практикуется его сортировка (различными методами) и смешивание. Окисление руды до переработки может также негативно повлиять на извлечение, поскольку для флотации лучше всего подходят сульфиды со «свежей» поверхностью.
К важным аспектам работы флотационного оборудования относится: объем перемешивания во флотомашине, расход воздуха и размер пузырьков, схема порогов ячейки флотации, способ контроля химии. Большинство флотомашин конструируются таким образом, чтобы обеспечивать образование максимально мелких пузырьков, поднимающихся через колонну пульпы и захватывающих как можно больше сульфидов.
Среди важных эксплуатационных параметров флотационной установки можно выделить: скорость подачи исходного материала, минералогию руды, крупность исходного материала, плотность и температуру пульпы. Часто для получения наилучшего уровня извлечения материал последовательно прогоняют по серии из нескольких флотомашин.
Флотация самородного или свободного золота, содержащегося в убогосульфидной руде (этим вопросом часто задаются обычные добытчики), может иметь место в теории, но на практике в промышленном масштабе этим фактически никто не занимался. Данный процесс имеет ряд трудностей, связанных в частности с высокой плотностью свободного золота и его низкой концентрацией в руде (отрицательно влияет на устойчивость слоя пены). Тем не менее, флотация золотосодержащих сульфидов, например, пирита или арсенопирита, довольно широко распространена и может выступать в роли альтернативы использованию цианида в том случае, если он запрещен. В основном процесс бесцианидного извлечения золота предполагает цикл гравитационного обогащения для улавливания крупных частиц свободного Au и массовой флотации для получения драгметалла из сульфидов. В некоторых случаях подобная система может обеспечить извлечение на уровне цианирования. Вообще необходимость работы с сульфидами – это недостаток, так как найти металлургическое предприятие, которое бы взялось за переработку небольшого количества концентрата, сложно. Бывает так, что материал, получаемый описанным способом, обогащается с помощью цианида.
Технология пенной флотации широко применяется в области переработки и обогащения минерального сырья и может быть адаптирована к самым разнообразным системам извлечения металлов. Она подходит для работы с неметаллическими промышленными минералами, так как с помощью различных химических реагентов процесс флотации можно контролировать, а флотируемому материалу придавать необходимые свойства. Пенная флотация при правильном подходе может дать отличный уровень извлечения (обычно 90-95%). Кроме того, коэффициент концентрации исходного материала при применении данного способа обычно составляет 10 к 1 (иногда и больше). Общие финансовые расходы на внедрение и применение данного метода по сравнению с другими технологиями достаточно умеренные, поэтому флотация очень популярна и стоит того, чтобы о ней знали все добытчики и старатели.