Flotace se používá pro zhodnocování většiny rud neželezných kovů, apatitu, fosforitu, grafitu, fluoritu a dalších rud a je široce používána v kombinaci s jinými metodami při zhodnocování rud železných kovů a uhlí. Široké použití flotace se vysvětluje všestranností procesu, spojenou s možností separace téměř jakýchkoli minerálů a obohacení chudých rud o velmi jemné inkluze užitečných minerálů. Hlavními nevýhodami flotační metody jsou environmentální rizika procesu a jeho relativně vysoká cena.
Flotace je založena na rozdílné fixaci částic separovaných minerálů na rozhraní, která je dána rozdílem ve smáčivosti. Při pěnové flotaci, nejčastěji používané v průmyslu, je buničina nasycena plynem a částice určitých (nesmáčitelných) minerálů přilnou k bublinám plynu a vyplavou na povrch a vytvoří mineralizovanou pěnu, kterou lze snadno mechanicky odstranit. Ostatní minerály (smáčitelné) se nelepí a zůstávají v objemu dužiny.
Existuje několik typů pěnové flotace založené na metodě sycení buničiny plynem, ale nejrozšířenější je sycení buničiny vzduchem.
Schopnost minerální částice připojit se ke vzduchové bublině je dobře vysvětlena z hlediska smáčení. Minerály, jejichž povrch je vodou snadno smáčitelný, se nazývají hydrofilní (kalcit, křemen), minerály, které jsou vodou špatně smáčitelné, se nazývají hydrofobní (síra, grafit, mastek, molybdenit). Hydrofobnost minerálních povrchů se posuzuje různými metodami. Nejběžnější metodou hodnocení je určení kontaktního úhlu (), měřeno od 0 do 180. Kontaktní úhel je úhel mezi tečnou k povrchu vzduchové bubliny (nebo k povrchu vodní kapky v libovolném bodě obvodu třífázového smáčení) a povrchu minerálu (obr. 2.11). Obvykle se počítá do kapalné fáze. Kapka kapaliny nanesená na povrch pevné látky (minerálu) se bude šířit, dokud nenastane rovnováha mezi silami povrchového napětí působícími podél smáčecího obvodu na rozhraní pevná látka – plynt-g, kapalný plyn f-g a pevné kapalné t-w:
Na základě této rovnosti je snadné najít kosinus kontaktního úhlu:
Při úplné hydrofilitě, kdy se kapka zcela rozšíří po povrchu pevné látky, má kontaktní úhel tendenci k nule a kosinus má tendenci k jednotě. Při úplné hydrofobnosti má kontaktní úhel sklon k 180 a kosinus má tendenci k mínus jedné.
Čím hůře je minerál smáčený, tím lépe přilne ke vzduchové bublině a tím snadněji plave. Téměř všechny přírodní minerály jsou dobře smáčeny vodou (jejich kontaktní úhel je menší než 50). Výjimkou jsou některé přirozeně hydrofobní minerály (síra, grafit, uhlí, mastek a molybdenit), jejichž kontaktní úhel je asi 90°.
K regulaci smáčivosti separovaných minerálů (a tím i výsledků flotace) se používají různá flotační činidla. Dělí se na kolektory, pěnidla, depresory, aktivátory a regulátory prostředí.
Problém ssběrači – zvýšit hydrofobnost vytěženého minerálu. Kolektory jsou organické látky obsahující ve své molekule uhlovodíkový řetězec. V závislosti na struktuře molekuly jsou kolektory nepolární a heteropolární.
Molekuly nepolárních kolektorů (petrolej, mazací oleje) obsahují pouze uhlovodíkový řetězec. Jsou široce používány při flotaci přirozeně hydrofobních minerálů (uhlí, síra atd.)
Molekuly heteropolárních kolektorů mají složitou asymetrickou strukturu, skládající se ze dvou částí, které se liší svými fyzikálně-chemickými vlastnostmi: uhlovodíkový řetězec a aktivní skupina (COOH, SH atd.). Takové molekuly disociují ve vodě, a pokud uhlovodíkový řetězec zůstane v aniontu, pak se činidlo nazývá aniontové, a pokud je v kationtu, nazývá se kationtové. Pokud mají aniontové kolektory ve své aktivní skupině síru, nazývají se sulfhydryl, a pokud je přítomen kyslík, nazývají se oxyhydryl. Nejběžnějšími aniontovými kolektory jsou xantáty (mastné soli kyseliny dithiokarbonové) a mastné kyseliny (např. olejová) nebo jejich soli (např. oleát sodný). Xantáty jsou hlavním sběračem při flotaci sulfidických rud neželezných kovů a mastné kyseliny při flotaci minerálů obsahujících vápník.
Z kationtových kolektorů mají největší praktický význam primární alifatické aminy RNH2 a kvartérní amoniové báze, například laurylamin hydrochlorid (C12H25NH3Cl), který se široce používá při flotaci solí a živců.
Jmenování pěnidla – přispívají k tvorbě stabilní mineralizované pěny. Jako pěnidla se používají organické sloučeniny, především ze třídy alkoholů. Jedním z běžných pěnotvorných činidel je borovicový olej, který se používá v mnoha zpracovatelských závodech.
Jmenování depresory – zvýšit hydrofilitu neobnovitelného minerálu. Jako tlumivé látky se používají různé minerální soli, kyseliny a zásady. Například kyanidové soli (NaCN) se používají k potlačení flotace měděných minerálů.
Úkol aktivátory – zvýšit účinek kolektoru na vytěžený nerost. Jako aktivátory se používají různé minerální soli, kyseliny a zásady. Například sulfid sodný (Na2S) se široce používá ke zlepšení flotace oxidovaných minerálů.
Jmenování regulátory životního prostředí – udržovat pH dužiny v požadovaných mezích. Pokud je nutné posunout pH do kyselé oblasti ( 7), pak se častěji používá kyselina sírová; pokud alkalické ( 7), pak alkálie (CaO, Na2CO3NaOH).
Výběrem vhodných činidel, jejich kombinací a množstvím se dosáhne optimálního výkonu flotačního obohacení.
Flotační stroje jsou zařízení, ve kterých se provádí flotace. Široké použití flotace pro užitek široké škály minerálů vedlo k vytvoření velkého množství typů a konstrukcí flotačních strojů.
Klasifikace flotačních strojů se nejčastěji provádí v závislosti na způsobu provzdušňování a míchání buničiny. Na tomto základě se stroje dělí na mechanické, pneumatické a pneumomechanické.
Mechanický flotační stroj (obr. 2.13, а) se skládá z po sobě jdoucí řady komor 1. Ve střední části každé komory, uvnitř potrubí 4, je umístěn otočný hřídel 2 s oběžným kolem 3. Při otáčení oběžného kola dužina, která jím prochází, vyhazuje (nasává) atmosférické vzduch a vrhá ho do komory naplněné buničinou. K tvorbě vzduchových bublin a provzdušňování buničiny dochází v důsledku turbulizace směsi buničiny a vzduchu přicházející z oběžného kola do komory.
Pěnový produkt (obvykle koncentrát) se posílá k odvodnění (nebo čištění) pomocí shrabovacího zařízení 5. Komorový produkt proudí gravitací do další komory nebo je vypouštěn jako hlušina (z poslední komory stroje).
V pneumomechanickém flotačním stroji (obr. 2.13, б) míchání se provádí směšovačem 1 nainstalovaným na hřídeli 2, provzdušňování se provádí přívodem stlačeného vzduchu z dmychadla. Vzduch je obvykle přiváděn přes dutou hřídel míchadla.
Flotační stroje se obvykle skládají z několika komor ve tvaru krychle. Buničina neustále proudí z komory do komory a pěnový produkt se z ní odstraňuje. Komorový produkt se vykládá speciálním otvorem v poslední komoře stroje. V poslední době se stále více uplatňují velkoobjemové (až 200 m 3 ) flotační stroje s válcovými komorami. Takové stroje se skládají maximálně ze tří komor. Použití velkoobjemových strojů umožňuje snížit náklady na flotaci.
Pneumatický (vzduchový) flotační stroj je konstrukčně nejjednodušší (obr. 2.14). Je to nádoba, směrem nahoru protáhlá, obdélníkového nebo kulatého průřezu, s kónickým dnem, uvnitř kterého je vzduchová trubka. Do potrubí je pod tlakem přiváděn stlačený vzduch, který dužinu intenzivně promíchává a nasycuje bublinkami. Pěna vytvořená na povrchu je gravitačně odváděna do žlabů.
Speciálním typem pneumatického stroje je sloupový flotační stroj. Tyto stroje jsou určeny pro zušlechťování rudy metodou pěnové flotace a jsou doporučovány pro použití především v operacích opětovného čištění surových flotačních koncentrátů. Sloupový stroj je komora s obdélníkovým nebo kruhovým průřezem (obr. 2.15). V horní části komory je instalována ochrana proti stříkající vodě a ve spodní části je instalován hadicový ventil pro úplné uvolnění materiálu z komory. Ve spodní části kolony je navíc umístěn provzdušňovač, do kterého je přiváděn stlačený vzduch. Kolony se vyrábí s výškou do 15 metrů a průměrem do 1,5 m. Oproti flotačním strojům s oběžným kolem zajišťuje použití kolon zvýšení obsahu užitečných složek v koncentrátu o 1-2 %, zvýšení v oživení o 0,5-2,5% a snížení nákladů na opravy, elektřiny o 40% a výrobní plochy o 60%.
Konvenční flotační stroje nemohou obohacovat velké částice (horní hranice velikosti částic je omezena: pro rudy – 0,15 mm, pro uhlí 0,5 – 1 mm), protože vzduchové bubliny jednoduše nemohou zvednout velké částice na povrch. Proto se někdy používají stroje na separaci pěny. V nich dužina nevstupuje do stroje, ale je přiváděna shora, speciálním podavačem na vrstvu pěny (obr. 2.16). V této vrstvě se zadržují hydrofobní částice (díky kontaktu se vzduchovými bublinami) a hydrofilní částice procházejí vrstvou pěny a klesají ke dnu (protože se k bublinám nelepí). U takových strojů může být horní hranice velikosti obohaceného materiálu zvýšena na 1 – 2 mm.
Pro zpracování buničiny s činidly se používají speciální zařízení – kontaktní kádě, což jsou kulaté nebo obdélníkové nádoby s mechanickým nebo vzduchovým mícháním. Podavače činidel jsou speciální zařízení určená k dodávání činidla do požadovaného místa v obohacovacím okruhu v přesně definovaném množství. Ovládací mechanismus takových zařízení může být na mechanickém, pneumatickém nebo elektromagnetickém principu.
Flotační schéma – specifická sekvence flotačních operací je možná v kombinaci s mletím a klasifikačními operacemi. Při volbě flotačního schématu se zohledňuje charakter a velikost zařazení užitečných minerálů, jejich obsah v rudě a plavitelnost, požadavky na kvalitu koncentrátů a řada technických a ekonomických faktorů. Počáteční operace flotačního procesu v okruhu k regeneraci jednoho nebo více kovů se nazývá primární flotace. V důsledku toho při provádění hlavní flotace zpravidla nelze získat standardní koncentrát a odpadní hlušinu z důvodu podobnosti flotačních vlastností separovaných minerálů, jejich nedostatečného otevření atd. Nestandardní (hrubé) koncentráty a „bohatá“ hlušina získaná po hlavní flotaci je někdy podrobena po jejich dodatečném mletí a opětovné flotaci. Flotace hlavního flotačního koncentrátu se nazývá čistší flotace a flotace hlavní flotační hlušiny se nazývá kontrolní flotace.
Počet čističů a kontrolních flotací závisí na obsahu plavených minerálních složek a požadavcích na koncentrát a hlušinu. Kombinace hlavních, kontrolních a čisticích operací, během kterých je izolován jeden nebo více hotových (nepodléhajících další flotaci) produktů, tvoří flotační cyklus.
Flotace může být přímá nebo reverzní. Pokud se užitečný minerál změní na pěnivý produkt, pak se flotace nazývá přímá; pokud zůstane v komůrkovém produktu, pak reverz. V obohacovací praxi se používá především přímá flotace.
Flotace je hlavním procesem zhodnocování sulfidových rud všech neželezných kovů.
Zužitkování rudy je založeno na využití rozdílů ve fyzikálních a fyzikálně-chemických vlastnostech nerostů, od množství šíření cenných nerostů.
Fyzikální vlastnosti minerálů jsou barva, lesk, hustota, magnetická susceptibilita, elektrická vodivost a smáčivost povrchu minerálu.
Existují různé způsoby obohacování.
Metoda gravitačního obohacování je založena na využití rozdílů v hustotách, velikostech a tvarech minerálů. Tato metoda se používá pro zlato, cín, wolfram, rýžoviště, vzácné kovy, železo, mangan, chrom, uhlí, fosfority, diamanty.
Separace minerálů podle hustoty může být provedena ve vodě, vzduchu a těžkých médiích. Gravitační procesy zahrnují:
– obohacení v těžkém prostředí – používá se pro rudy s hrubými vměstky 100-2 mm;
– jigging – na základě rozdílu rychlosti padajících částic ve svislém proudu vody, používá se pro hrubě rozptýlené rudy 25-5 mm;
– obohacování na koncentračních stolech – spojené s oddělováním minerálů působením sil vyplývajících z pohybu stolu a proudění vody proudící po nakloněné rovině stolu, používá se pro rudy o velikosti částic 3-0,040 mm ;
– obohacování na stavidlech – k odlučování nerostů dochází vlivem horizontálního proudění vody a zachycováním těžkých nerostů zakrytím dna stavidel, používá se pro rudy o velikosti částic 300-0,1 mm;
– obohacování na šnekových, tryskových a kuželových separátorech – k separaci dochází vlivem proudu vody pohybujícího se po nakloněné rovině u rud o velikosti částic 16-1 mm.
Metoda magnetického obohacování je založena na separaci minerálů díky rozdílu mezi minerály ve specifické magnetické susceptibilitě a rozdílu v trajektoriích jejich pohybu v magnetickém poli.
Metoda flotačního obohacení je založena na rozdílnosti smáčivosti jednotlivých minerálů a v důsledku toho na jejich selektivní adhezi ke vzduchovým bublinám. Jedná se o univerzální způsob zušlechťování, používaný pro všechny rudy, zejména polymetalické. Velikost obohaceného materiálu je 50-100% třída -0,074 mm.
Elektrostatické zvýhodnění je založeno na rozdílech v elektrické vodivosti minerálů.
Kromě toho existují speciální metody obohacení, které zahrnují:
– dekripitace, založená na schopnosti minerálů praskat podél štěpných rovin při silném zahřátí a silném ochlazení;
– třídění rudy podle barvy, lesku, může být ruční, mechanické, automatizované; obvykle se používá pro velký materiál >25 mm;
– radiometrické třídění, na základě různých schopností minerálů vyzařovat, odrážet a pohlcovat určité paprsky;
– obohacení třením na základě rozdílů v koeficientech tření;
– chemické a bakteriální obohacení založené na vlastnostech minerálů (například sulfidů) oxidovat a rozpouštět se v silně kyselých roztocích. Kov se rozpustí a následně se extrahuje pomocí chemicko-hydrometalurgických metod. Přítomnost určitých druhů bakterií v roztocích zintenzivňuje proces rozpouštění minerálů.
2.3 Operace a procesy obohacování
Úpravna je mezičlánkem mezi dolem a hutí. Obohacovací zařízení je komplexní kombinací všech druhů strojů a zařízení. Kapacita továrny je obvykle dána množstvím zpracované rudy a pohybuje se od 15 tisíc tun do 50 milionů tun ročně. Velké továrny se nacházejí v několika budovách.
Ruda různých velikostí (Dmax = 1500-2000 mm – typické pro povrchovou těžbu, Dmax = 500-600 mm – typické pro hlubinnou těžbu), přicházející z dolu do zpracovatelského závodu prochází různými procesy, které lze podle účelu rozdělit na:
Přípravné procesy zahrnují především operace zmenšování kousků rudy: drcení, mletí as tím spojené třídění rudy na třídičích, třídičích a hydrocyklonech. Konečná velikost mletí je určena velikostí šíření minerálů.
Samotné procesy zušlechťování zahrnují procesy oddělování rudy a dalších produktů podle fyzikálních a fyzikálně-chemických vlastností minerálů zahrnutých v jejich složení. Tyto procesy zahrnují gravitační koncentraci, flotaci, magnetickou a elektrickou separaci a další procesy.
Většina procesů obohacování se provádí ve vodě, takže v určité fázi je potřeba ji snížit nebo odstranit, což lze provést pomocí pomocných procesů. Mezi pomocné procesy patří dehydratační operace: zahušťování, filtrace, sušení.
Soubor a sled operací, kterým je ruda vystavena během zpracování, tvoří schémata obohacení, která jsou obvykle znázorněna graficky. Existují schémata:
– základní (obr. 2.2);
– kvalitativní (pokud nejsou uvedeny údaje o množství a kvalitě produktů) (obr. 2.3);
– schémata zapojení zařízení (obr. 2.4).
Rýže. 2.2 Schéma obohacování
(odráží pouze hlavní rysy technologie)
Rýže. 2.3 Schéma kvalitativního obohacování
(kvalitativní diagram ukazuje operace, produkty obohacení a cestu jejich pohybu podél diagramu)
Rýže. 2.4 Schéma zapojení zařízení
1 – zásobník zdrojové rudy; 2, 5, 8, 10 a 11 – dopravníky; 3 a 6 – obrazovky; 4 – čelisťový drtič; 7 – kuželový drtič; 9 – bunkr drcené rudy; 12 – mlýn; 13 – spirálový klasifikátor; 14 – flotační stroj; 15 – zahušťovadlo; 16 – vakuový filtr; 17 – sušící buben.
