Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и возможности развития геотехнологической подготовки гипергенных месторождений 11
1.1. Геотехнологическая подготовка гипергенных месторождений в свете современных тенденций развития комплекса технологий добычи и переработки минерального сырья 12
1.2. Краткая характеристика процессов гипергенеза и гипергенных месторождений 25
1.3. Постановка цели и задач исследования 44
2. Системный анализ геотехнологической подготовки гипергенных месторождений 46
2.1. Схемы геотехнологической подготовки месторождений 51
2.2. Физико-химическая систематика процессов ГПМ 62
2.3. Технологическая систематика процессов ГПМ 68
2.3.1. Гравитационный процесс 74
2.3.2. Флотационный процесс 86
2.3.3. Гидрохимический и эпитермальный процессы ...93
2.4. Оценка условий реализации и области применения ГПМ 102
3. Оценка эффективности схем геотехнологической подготовки месторождений 110
3.1. Выбор и обоснование количественных характеристик геотехнологической подготовки 110
3.1.1. Оценка глубины и эффективности ГПМ без учета временного фактора 111
3.1.2. Оценка глубины и эффективности ГПМ с использованием дисконтированных показателей 117
3.2. Оценка влияния параметров месторождения и режима подготовки на эффективность ГПМ 127
3.2.1. Площадные схемы 1 типа 134
3.2.2. Схемы 2 типа на гидрохимическом процессе 142
3.2.3. Стадиальные и комбинированные схемы 162
4. Флотационный процесс геотехнологической подготовки месторождений 169
4.1. Особенности массопереноса при геотехнологической флотации 170
4.2. Роль межмолекулярных взаимодействий в сорбционном слое при флотации 173
4.3. Исследование влияния модификаторов на формирование супрамолекулярных комплексов в реагентном покрытии 192
4.4. Исследование взаимодействия собирателей в сорбционном слое и его влияние на флотацию 201
5. Гидрохимический процесс геотехнологической подготовки месторождений 223
5.1. Гидрохимические процессы переноса золота 223
5.1.1. Гипергенный перенос золота в коре выветривания 223
5.1.2. Основы химии гуминовых соединений и выщелачивание золота в растворах гуматов 233
5.1.3. Исследование выщелачивания золота растворами гуминовых соединений 241
5.2. Мобилизация фосфора природных фосфатов 253
5.2.1. Методы глубокой переработки фосфатного сырья 255
5.2.2. Исследование гидрохимического преобразования природных фосфатов 259
5.3. Гидрохимическое преобразование и дифференциация сульфидных залежей 271
5.3.1. Интенсификация гидрохимического преобразования сульфидов в условиях хранения 275
5.3.2. Гидрохимическая дифференциация меди лежалых сульфидных хвостов 280
5.3.3. Оценка кинетики гидрохимических процессов ГПМ 289
6. Технологии освоения месторождений с предварительной геотехнологической подготовкой 294
6.1. Технология освоения Телекского месторождения фосфоритов 294
6.2. Технологии освоения дражных россыпей и повторной отработки старых дражных отвалов 311
6.3. Технология освоения золотоносной коры выветривания 316
6.4. Технология освоения медьсодержащего хвостохранилища Майнской фабрики 325
Заключение 329
Литература 334
- Краткая характеристика процессов гипергенеза и гипергенных месторождений
- Физико-химическая систематика процессов ГПМ
- Оценка влияния параметров месторождения и режима подготовки на эффективность ГПМ
- Роль межмолекулярных взаимодействий в сорбционном слое при флотации
Введение к работе
Актуальность работы.
Минеральное сырье по-прежнему является основным ресурсом недр Земли. Рост потребности в минеральном сырье, снижение качества добываемых полезных ископаемых, ухудшение горнотехнических условий разработки компенсируются, главным образом, за счет увеличения объемов извлекаемых и перерабатываемых горных пород и совершенствования соответствующих технологических процессов.
Очевидно, что перспективы такого экстенсивного развития комплекса технологий, связанного с преобразованием недр, ограничены. По-видимому, во многих случаях такой путь развития столкнется в первую очередь с ограничениями экономического и экологического характера, а не с исчерпаемостью минеральных ресурсов, как считалось ранее. В ближайшем будущем существенное повышение эффективности процессов добычи и переработки минерального сырья маловероятно, так как в мировой практике затраты по различным технологическим процессам стабилизировались и длительное время находятся на относительно низком уровне.
Значительные резервы повышения эффективности освоения недр связаны со структурными преобразованиями комплекса технологий добычи и переработки минерального сырья и новыми ресурсовоспроизводящими функциями горных технологий. Такие функции и разнообразные технологии были рассмотрены в работах, где проанализированы техногенные способы преобразования минерально-сырьевых ресурсов. В настоящее время вопросы преобразования минеральных ресурсов недр рассматриваются не только в техногенном, но и в природном аспектах. Такой подход позволил сформулировать новое научное направление - геотехнологическая подготовка месторождений - развитие которого обеспечивается совместными усилиями ученых ОНЗ РАН, изучением как природных, так и техногенных процессов и явлений, происходящих в недрах Земли.
Под геотехнологической подготовкой месторождения понимается целенаправленное вещественное или структурное преобразование залежей полезных ископаемых и массивов вмещающих горных пород или изменение горнотехнических условий проведения горных работ для обеспечения эффективной и безопасной разработки месторождений и переработки минерального сырья современными и перспективными технологиями. Основными эффектами такой подготовки являются сокращение объемов добываемого и перерабатываемого материала, сроков отработки, интенсификация процессов и снижение ресурсоемкое.
В настоящее время в этом новом направлении горной науки и технологии имеется ряд нерешенных задач, ограничивающих возможности развития геотехнологической подготовки месторождений. В частности, не установлены на количественном уровне взаимосвязи между различными параметрами подготовки и эффективностью освоения месторождения в целом, отсутствуют удобные для технологического применения условия рационального использования геотехнологической подготовки, не очерчены области применения новой технологии. Имеется также неопределенность в оценках характера использования и воспроизводства ресурсов в процессах геотехнологической подготовки. Для практической реализации технологий освоения месторождений с предварительной геотехнологической подготовкой необходима также разработка технологических процессов и схем для конкретных типов месторождений.
Представленная работа направлена на решение названных задач применительно к гипергенным месторождениям. Выбор данного типа месторождений, как объекта исследований, обусловлен как важностью приповерхностных геогенных и техногенных залежей полезных ископаемых для развития минерально-сырьевой базы России, так и особым местом, которое они занимают в последовательности геологического движения вещества.
Целью работы является разработка и научное обоснование принципов построения технологий, обеспечивающих повышение эффективности освоения гипергенных месторождений сложного вещественного состава на основе предварительной геотехнологической подготовки.
Основная идея работы заключается в целенаправленном изменении вещественного состава и структуры залежи при геотехнологической подготовке на основе научно обоснованных принципов комбинирования технологических процессов и установленных закономерностей, характеризующих влияние использования дополнительных ресурсов, глубины и интенсивности подготовки на эффективность освоения месторождения.
Основные методы исследований^ модифицированный морфологический анализ комплекса технологий геотехнологической подготовки месторождений; математическое и экономическое моделирование; флотационные опыты на монофракциях и реальных рудах; лабораторные опыты по выщелачиванию и преобразованию минералов в мягких условиях; методы ИК и ЭПР спектроскопии; элементные анализы атомно-абсорбционным, пробирным, спектрофото-метрическим методами; квантовохимическое компьютерное моделирование взаимодействия реагентов между собой и с поверхностью минералов.
Основные защищаемые положения:
Классификация процессов и схем геотехнологической подготовки гипергенных месторождений, основанная на характеристиках использования и воспроизводства ресурсов в процессе освоения месторождения с предварительной подготовкой, оценка их осуществимости в рамках геотехнологии.
Индексы геотехнологической подготовки месторождений, характеризующие глубину и эффективность подготовки, и полученные на их основе зависимости, определяющие влияние использования дополнительных ресурсов недр, интенсивности и глубины геотехнологической подготовки на эффективность освоения месторождений.
Область применения геотехнологической флотации; зависимости, характеризующие влияние реагентного режима на скорость и технологические показатели флотации золота и минералов фосфатных руд.
Зависимости, характеризующие влияние добавок растворимых органических солей, гуминовых соединений и природных сорбентов на преобразование сульфидных и фосфатных минералов в условиях хранения, а также на гидрохимическую дифференциацию медь- и золотосодержащих залежей.
Технологические решения для освоения гипергенных месторождений золота, фосфоритов, медьсодержащих хвостохранилищ и золотосодержащих техногенных объектов с предварительной геотехнологической подготовкой.
Достоверность. Научные положения и выводы обоснованы достаточным объемом аналитических и экспериментальных исследований; применением широко апробированных методов планирования экспериментов и математической обработки экспериментальных данных; преемственностью разработанных методов и критериев оценки технологических решений соответствующим методам и критериям, длительное время применяемым в мировой практике.
Научная новизна заключается в том, что впервые:
Проведен системный анализ технологического комплекса геотехнологической подготовки месторождений, позволивший установить особенности использования и воспроизводства при ГПМ основных и дополнительных природных ресурсов;
Сформулировано и обосновано условие эффективности ГПМ, заключающееся в использовании дополнительных ресурсов недр, традиционно не используемых в открытой или физико-химической геотехнологии;
Обоснованы показатели глубины и эффективности геотехнологической подготовки, учитывающие все основные факторы ГПМ, и получены зависимости, характеризующие влияние использования дополнительных ресурсов недр, интенсивности и себестоимости подготовки на ее эффективность, определены области рационального применения ГПМ;
Предложен новый процесс геотехнологической флотации, определены области его применения;
Исследованы процессы преобразования сульфидных минералов и природных фосфатов в условиях хранения при предварительной активации с добавками растворимых солей и природных сорбентов;
Установлена возможность экономически эффективной гидрохимической подготовки золотосодержащих залежей растворами гуминовых соединений, близких по составу к природным, в интервале рН 6-8;
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
Разрабатывать, на основе установленных условий эффективности освоения месторождений с предварительной подготовкой и обоснованных областей рационального применения ГПМ, новые технологические решения, обеспечивающие существенное улучшение показателей освоения гипергенных месторождений;
Повысить эффективность освоения гипергенных месторождений золота за счет повышения извлечения тонкого металла, снижения объемов добываемой и перерабатываемой горной массы при проведении стадиальной геотехнологической подготовки залежей гравитационным, флотационным и гидрохимическим процессами;
Повысить эффективность освоения месторождений фосфоритов коры выветривания при комбинировании традиционных обогатительных процессов, процессов рудоподготовки и гидрохимического преобразования некондиционных фосфоритов в фосмелиоранты местного применения;
Расширить сырьевую базу медной отрасли за счет вовлечения в эксплуатацию свежих и лежалых медьсодержащих хвостов при проведении геотехнологической подготовки хвостохранилища, включающей в себя глубокое преобразование сульфидов в условиях естественного хранения;
Личный вклад автора состоит: в постановке задач, их решении и анализе полученных результатов; в разработке классификаций процессов и схем ГПМ; в обосновании принципов построения эффективных схем освоения ги- пергенных месторождений; в получении зависимостей, характеризующих вещественное и структурное преобразование залежей.
Реализация результатов работы. Основные положения работы реализованы при обосновании новых технологий в проекте «Разработка новых технологических решений для развития открытого способа добычи в условиях ресурсных, экономических и экологических ограничений» ГНТПР «Экогормет-комплекс будущего». Разработаны технологические решения по повышению извлечения золота из гипергенных месторождений в рамках проекта "Разработка ударно-акустической технологии подготовки и предварительного обогащения песков с высоким содержанием глины" и технология освоения Телекского месторождения вторичных фосфоритов в рамках проекта "Геолого-технологическая оценка минерально-сырьевой базы фосфатного сырья и разработка предложений по организации производства фосфорных удобрений в Красноярском крае" Комитета природных ресурсов. Технологические решения по геотехнологической подготовке дражных россыпей приняты к разработке технологического регламента Северо-Ангарским горно-металлургическим комбинатом. Технологическая схема и режимы доизвлечения золота из илов месторождения "Самсон" приняты к разработке технологического регламента АОЗТ "ГПК Самсон".
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах Лаборатории проблем освоения недр ИХХТ СО РАН, на всесоюзном совещании "Фосфориты и фосфогенез" (Москва, 1992); международной конференции "Редкоземельные металлы: переработка сырья, производство соединений и материалов на их основе", (Красноярск, 1995); на международной конференции "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 1996); международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий" (Новосибирск 1997); на всероссийской конференции "Неделя горняка - 97" (Москва, 1997) на всероссийской научно-практической конференции "Геотехнология на рубеже XXI века" (Новосибирск, 1999); на 1-ом Сибирском симпозиуме с международным участием "Зо- лото Сибири: геология, геохимия, технология, экономика" (Красноярск, 1999); международной конференции "Проблемы безопасности и совершенствования горных работ" (Мельниковские чтения) (Москва-Санкт-Петербург. Пермь, 1999); на конференции "Развитие идей Плаксина в области обогащения полезных ископаемых и гидрометаллургии" (Плаксинские чтения) (Москва, 2000); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (Красноярск, 2000); на конференции "Научные основы и прогрессивные технологии переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья благородных металлов" (Плаксинские чтения) (Екатеринбург, 2001); на 2-ом Международном симпозиуме "Золото Сибири: геология, геохимия, технология, экономика" (Красноярск, 2001); На всероссийской конференции "Неделя горняка - 2002" (Москва, 2002); Международной Российско-Индийской конференции Metallurgy Of Non-ferrous And Rare Metals, (Москва, 2002) на всероссийской конференции "Неделя горняка - 2003" (Москва, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 215 наименований, изложена на 353 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы и 92 рисунка.
Краткая характеристика процессов гипергенеза и гипергенных месторождений
Одним из принципиальных научных результатов, полученных в области геотехнологической подготовки месторождений, является обоснование процессов реструктуризации рудного массива с учетом естественных прототипов ру-дообразования, приемлемых для конкретных геологических условий. Выбранный процесс реструктуризации не обязательно должен являться продолжением естественного геологического процесса. Так, предварительный анализ показывает, что для большого количества месторождений и техногенных образований целесообразным оказывается геотехнологическое продолжение, моделирующее процесс образования гипергенного месторождения, вне зависимости от генезиса источника рудного вещества [10]. Такой вывод выглядит вполне закономерным, если учесть, что условия образования таких месторождений наиболее близки к нормальным условиям, существующим в настоящее время на поверхности Земли. Исключения составляют случаи, когда первичное рудное тело залегает на большой глубине и существуют предпосылки для гидротермального выщелачивания. Однако и в этом случае отложение металла на геохимическом барьере чаше всего должно происходить в условиях земной поверхности. Таким образом, можно сказать, что геотехнологическая подготовка месторождений является искусственным аналогом последних, регрессивных этапов развития рудных образований, приводящих к образованию новых россыпных, осадочных месторождений или месторождений коры выветривания. Закономерности, известные для аналогичных природных процессов, могут служить информационной базой для оптимизации условий формирования нового месторождения. Они могут помочь в выборе оптимальных составов растворов, переносящих рудное вещество, температурных условий процесса, состава и режима геохимического барьера, на котором формируется искусственное месторождение. Такой подход к обоснованию технологии реструктуризации массива позволяет существенно сократить время исследований, обеспечивает выбор оптимального прототипа уже на начальных стадиях разработки технологии.
С другой стороны, реализация геотехнологической подготовки может быть упрощена и удешевлена за счет рационального использования работы геологических сил, которые уже "внесли вклад" в формирование гипергенного месторождения. Очевидно, что в области развитой коры выветривания по рудному массиву существенно снижаются затраты на дезинтеграцию горной массы, происходит перераспределение рудного вещества и породы, иногда с формированием зон вторичного обогащения. Таким образом, геотехнологическая подготовка гипергенных месторождений должна иметь существенные особенности, вызванные возможностью более широкого использования различного рода дополнительных ресурсов и особенностей строения геологической среды.
Таким образом, учет закономерностей процессов гипергенеза имеет важное значение для анализа и обоснования новых процессов геотехнологической подготовки гипергенных месторождений. Изучению гипергенных процессов посвящен огромный массив данных в геологической литературе.
Гипергенез - совокупность процессов химического и физического преобразования минеральных веществ в верхних частях земной коры и на ее поверхности (при низких температурах) под действием атмосферы, гидросферы и живых организмов [43]. В 20-годы XX в. А. Е. Ферсман предложил термин "гипергенный" для экзогенных, "лежащих выше, чем эндогенные", образований, генетически связанных с процессами выветривания, т.е. сформировавшихся в обстановке низких температур (+25С) и давлений (1 атм) при активном участии воды, насыщенной атмосферными газами, прежде всего кислородом. К гипергенным были отнесены продукты корообразования и окисления месторождений полезных ископаемых, а также почвенные комплексы [44].
В Табл. 1.2 представлены характеристики отдельных типов гипергенного минералообразования со стороны их общей специфики, особенностей массо- и энергообмена и биоминеральных взаимодействий. Во всех случаях массообмен связан с гидролизом, окислительными и восстановительными реакциями, экстракцией и сорбцией вещества, растворением, обменом и осаждением минеральных новообразований. Энергообмен отвечает высокой роли солнечной радиации, эффективным экзотермическим реакциям деструкции вещества и интенсивной энергетике техногенного воздействия.
Физико-химическая систематика процессов ГПМ
В отличие от технологической классификации схем ГПМ, целью классификации процессов ГПМ является, прежде всего, выявление внутрисистемных связей, обусловленных физической сущностью процессов, происходящих при реструктуризации массива. В этой связи, классификационные признаки такой систематики должны в минимальной степени учитывать технологические факторы и максимально вскрывать механизмы процессов. Существующие классификации геотехнологических процессов добычи полезных ископаемых не отвечают этому требованию, т.к. используют в качестве признаков параметры технологии - тип реагента, способ перевода целевого компонента в раствор и другие. Учет таких факторов полезен для обобщенной характеристики процесса, но механизм и внутренняя структура его в этом случае остаются скрытыми, что обусловлено, главным образом, сложным строением процесса ГПМ.
В качестве примера можно провести пример геотехнологической подготовки хранилища лежалых сульфидных хвостов обогатительной фабрики. При реструктуризации его с использованием плавучей флотационной установки имеет место ряд явлений принципиально различной физической, физико-химической и химической природы: дезинтеграция слежавшегося и спекшегося материала водными струями, ударными и акустическими волнами; расслоение частиц в соответствии с их крупностью и плотностью; флотация гидрофобных зерен; выщелачивание растворимых соединений из твердой фазы; осаждение металлов из твердой фазы в результате гидролиза или по другим механизмам. Моделирование такого процесса в состоянии «как есть» невозможно, в таких случаях целесообразно использовать декомпозицию задачи.
Большинство процессов ГПМ использует комбинацию различных механизмов преобразования и дифференциации рудного вещества. Поэтому для детального анализа механизма целесообразно выделять в структуре процесса ГПМ субпроцессы, представляющие собой физические, физико-химические или химические процессы преобразования или дифференциации вещества руд и горных пород (Рис. 2.1). Субпроцессы, как менее сложные объекты уже поддаются систематизации (Рис. 2.2). Классификационными признаками в этом случае являются: 1. Способ воздействия на вещество (физический или химический) 2. Характер воздействия на вещество (преобразование или дифференциация).
Субпроцессом преобразования далее именуется изменение физических свойств, минерального или химического состава материала без существенного перемещения его (в целом или в составных частях) в пространстве. В отличие от них, субпроцессы дифференциации представляют собой изменение физических свойств и состава материала посредством перемещения (привноса или выноса) его компонентов. Принятое разделение соответствует, с одной стороны, существующему разделению в теории обогащения на процессы рудоподготовки и сепарации и, с другой стороны, выделению в составе геологического процесса этапов преобразования и дифференциации рудного вещества.
Оценка влияния параметров месторождения и режима подготовки на эффективность ГПМ
Сформированные в предыдущих параграфах индексы ГПМ позволяют проводить анализ технологий освоения месторождений с предварительной подготовкой. Структура индекса ГПМ позволяет выделить группы технологических решений, существенно отличающихся по своим свойствам - достижимому эффекту, рациональной области применения в зависимости от характера оруде-ния и др. Более того, поскольку построение индекса ГПМ проведено без использования исходных посылок, характерных только для геотехнологической подготовки, то и область действия индекса оказалась несколько шире, чем определено его названием. Фактически индекс ГПМ позволяет оценивать эффекты структурных изменений в комплексе технологий добычи и переработки минерального сырья.
Формирование интегрального индекса, как следует из его определения, происходит следующим образом. Частными индексами Гті и ГЬІ маркируются потоки соответственно добываемой и перерабатываемой горной массы, различающиеся по технологическим свойствам и по месту в технологической цепочке. Технологические свойства описываются коэффициентами горнотехнических условий и обогатимости rjmi и r]bj, а также коэффициентами концентрации и извлечения; положение в графике отработки - временными коэффициентами х, и xd . Равенство названных коэффициентов единице означает отсутствие какого-либо эффекта предпринятых изменений для данного потока горной массы. Выделение из общего потока горной массы частей, различающихся по свойствам, происходит в результате действия различных процессов: - Геотехнологическая подготовка месторождения - Селективная выемка и аналогичные ей процессы управления качеством при горных работах - Рудоподготовка (в том числе радиометрическая сепарация и сортировка)
Кроме того, интегральный индекс ГПМ реагирует также на изменения технологии, не связанные с сепарацией горной массы, в том случае, если разделение на потоки уже предусмотрено базовой технологией. Любые горные работы производят разделение горной массы на руду, вскрышу и забалансовую руду для спецотвала, поэтому интегральный индекс ГПМ отражает также и эффект от изменения режима горноподготовительных и добычных работ.
Отмеченные свойства предложенного индекса могут, с одной стороны, затруднить отделение эффектов, связанных непосредственно с ГПМ, от побочных влияний. С другой стороны, некоторое расширение области действия индекса расширяет возможности его использования. В частности, на этой основе можно выделить рациональные области применения ГПМ и взаимосвязи между ГПМ и другими технологиями.
При использовании индекса ГПМ результат применения подготовки ха-рактеризуется набором трех чисел (трехмерным вектором) (Гт,Гь,ГМе+ГМе/Циз_о) и интегральным индексом Г. Это допускает наглядное графическое отображение данных на точечной трехмерной или столбчатой диаграмме. Далее в этой работе не будут рассматриваться эффекты, связанные с изменением комплексности использования сырья, поэтому характеристикой ГПМ будет трехмерный вектор (Гт,Гь,ГМе). Вклад в интегральный индекс различных составляющих ГПМ (горной, обогатительной и доходной), удобно отображать на тернарной диаграмме. При этом вершинами треугольника являются величины Min (Mining); Ben (Beneficiation); Met (Metals), определенные следующим образом: ( 3.37) Анализ полученных уравнений показывает, что ГПМ обладает значительно более широким спектром воздействий на экономику сырьевого комплекса, чем чисто горные или рудоподготовительные процессы. В то время, как традиционные структурные новации оказывают преимущественное влияние на какую-либо одну составляющую индекса, горную либо обогатительную, ГПМ в широких пределах варьирует обе компоненты. Существенное отличие заключается также в возможности увеличивать доходную (Met) компоненту индекса за счет вовлечения в процесс металла из вмещающих пород. Вариации Met при традиционных процессах не превышают нескольких процентов, в основном за счет изменения потерь в недрах и при обогащении руды.
Для выявления общих закономерностей, присущих ГПМ при учете временного фактора, проведем оценку индексов глубины и эффективности для упрощенного случая - варианта ГПМ с образованием продуктивных залежей, отрабатываемых по общей технологии. При выводе принято: - временные коэффициенты добычи и переработки руды равны (т.к. добыча и переработка, как правило, синхронны); - распределение денежных потоков по времени до и после ГПМ одинаковы (нулевые вариации первых трех моментов распределения); - удельные затраты на добычу руды и вскрыши после ГПМ не изменяются. Получаем следующее выражение
Роль межмолекулярных взаимодействий в сорбционном слое при флотации
Флотационный процесс осуществляется в результате взаимодействия фаз. Конечные результаты флотации определяются условиями этого взаимодействия и его закономерностями, изучение которых дает возможность управлять и регулировать флотацию и создавать научную базу для ее совершенствования, развития и интенсификации. Основной формой взаимодействия фаз при флотации являются адсорбционные процессы и гетерогенные химические реакции.
В результате многочисленных исследований адсорбции накоплен огромный экспериментальный материал. В литературе по обогащению освещаются, с одной стороны общетеоретические проблемы адсорбции, а с другой - многочисленные конкретные случаи адсорбции самых различных веществ на разнообразных адсорбентах. Несмотря на многообразие форм адсорбционных процессов, существует ряд положений и характеристик, присущих всем. формам [66].
Всякий адсорбционный процесс является процессом самопроизвольным. Большинство этих процессов протекает с выделением тепла, т.е. является экзотермическим. Известно, что молекулы адсорбата притягиваются не только к адсорбенту, но и друг к другу. Это притяжение увеличивается с ростом заполнения монослоя вследствие уменьшения среднего расстояния между молекулами адсорбента по мере заполнения поверхности. Но притяжение растет лишь до такого предела, когда при очень плотном заполнении силы притяжения переходят в силы отталкивания. Силы притяжения адсорбат-адсорбат представляют собой дисперсионные силы универсального характера, действующие между молекулами в любом случае. Если молекулы адсорбата к тому же обладают ди-польными моментами, то при благоприятной взаимной ориентации между ними могут возникнуть силы электростатического притяжения. К ним можно добавить и силы взаимных водородных связей, возникающие в определенных случаях.
Характеризуя адсорбцию, следует иметь в виду, что не существует каких-то особых адсорбционных сил, так как адсорбцию вызывают те же силы, которые осуществляют сцепление в твердых телах и жидкостях. Любые два атома или две молекулы взаимно притягиваются, причем это притяжение приводит к образованию в одном случае временных (физическая адсорбция), а в другом -постоянных связей (химическая адсорбция).
Для понимания физикохимии флотационного процесса большое значение уделялось изучению взаимодействия воды с твердой поверхностью; гидратации ионов и растворимости твердой фазы и органических жидкостей в воде; сосуществованию и устойчивости гидратных слоев собирателя на твердой поверхности.
В настоящее время при флотационном обогащении многих полезных ископаемых применяются главным образом сульфгидрильные и оксигидрильные собиратели гетерополярного строения, растворимые в воде и диссоциирующие в водных растворах преимущественно на ионы. Гидрофобизирующим ионом, как правило, являются анионы.
Подобные реагенты на твердой поверхности закрепляются в химической форме с ориентацией солидофильной группы к поверхности минерала, а углеводородных цепей - в водную фазу. Так как закрепление анионных собирателей поверхностью минерала происходит при наличии на ней гидратных граничных слоев, то в местах закрепления необходимо разрушить гидратный слой или частично изменить его. Образованный в результате закрепления анионов собирателя адсорбционный слой сосуществует, контактируя с ненарушенной частью гидратного слоя. Практикой флотации подтверждается увеличение гидрофоби-зирующего эффекта с удлинением углеводородной цепи.
Объяснить эту зависимость можно тем, что решающую роль в гидрофо-бизиционном эффекте имеет дисперсионное притяжение, возникающее между углеводородными цепями молекул собирателя в его адсорбционном слое. Чем плотнее адсорбционный слой и чем ближе расположены друг к другу в этом слое анионы собирателя, тем значительнее энергия дисперсионного притяжения между углеводородными цепями и тем выше эффект гидрофобизации. Энергия сил Ван-дер-Ваальса заметна лишь на расстоянии порядка 1-10 А, в среднем на расстоянии около 5 А. Это указывает на то, что возможности влияния дисперсионных сил на гидрофобизационный эффект ограничены тем расстоянием, на котором они могут действовать [66].
Кроме того, из практики флотации известно, что различия гидрофобиза-ционного эффекта у собирателей одного и того же типа с короткой и длинной углеводородной цепью особенно заметны главным образом в области малых расходов этих реагентов и сглаживаются по мере их увеличения. При дисперсионном взаимодействии между углеводородными цепями получается обратная картина: чем выше расход собирателя, тем выше плотность адсорбционного слоя, тем ближе анионы собирателя расположены друг к другу и тем значительнее дисперсионное притяжение между ними. Наоборот, при малых расходах и разреженном расположении углеводородных цепей дисперсионное взаимодействие должно быть значительно ослаблено и поэтому должно в меньшей степени сказываться на гидрофобизационном эффекте.
