Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследованиий
-
Поверхность раздела фаз "газ — жидкость" и ее влияние на элементарный, акт флотации. 15
-
Влияние размера пузырьков на скорость флотации. 24
-
Влияние интенсивности перемешивания на процесс минерализации пузырьков. 26
-
Влияние крупности частиц на их флотационную активность. 28
-
Современное состояние вопроса по дроблению газовой фазы 32
-
Выводы и постановка задачи исследований. 36
2. Аэрация пульпы.
-
Дробление газового пузыря в локально - изотропном турбулентном потоке жидкости. 39
-
Спектр размеров пузырьков в затопленной турбулентной струе. 53
-
Влияние газосодержания на процесс дробления пузырьков газа. 60
-
Коалесценция газовых пузырьков. 67
-
Предотвращение коалесценции и стабилизация размерапузырьков в камере флотационной машины. 72
2.6. Выводы. 82
3: Влияние свойств и поведения поверхности раздела фаз «газ - жидкость» на элементарный акт флотации .
3.1. Взаимодействие поверхности раздела фаз «газ - жидкость» с частицей минерала, закрепленной на этой поверхности. 83
3.2. Резонансные явления при движении частицы на поверхности раздела фаз «газ - жидкость». 98
-
Влияние подвижности периметра трехфазного контакта на отрыв: частицы от пузырька. 113
-
Роль аполярных реагентов в капиллярно — волновом механизме отрыва частиц от пузырьков. 120
3.5. Повышение селекции извлечения тонких частиц; 137
3.6.Скорость диссипации энергии и ее связь с параметрами турбулентного потока в камере флотационной машины. 140
4. Закрепление частицы минерала на поверхности пузырька .
-
Условия образования флотокомплекса «частица - пузырек». 147
-
Влияние эффекта Марангони — Гиббса на образование флотационного комплекса «частица - пузырек». 163
-
Роль физически сорбированного реагента во флотационном процессе и перспективы повышения скорости флотации тонких частиц. 170
-
Проверка на соответствие кинетической теории элементарного акта флотации экспериментальным данным. 179
-
Экспериментальное исследование влияния волнового движения жидкости на крупность плавающих частиц. 193
5. Пневматическая флотационная машина мфп, оснащенная пневмогидравлическим диспергатором.
5.1 Пневматическая флотационная машина МФП. Конструкция и работа. 208
5.2. Конструкция и расчет аэратора. 215
6. Результаты опытно - промышленных испытаний пневматической флотационной машины на новосибирском оловокомбинате .
-
Условия проведения испытаний. 220
-
Испытания пневматической флотационной машины на питании шламового цикла при работе фабрики на разных концентратах. 224
6.3 .Опробование процесса флотации сульфидов в цикле обогащения шламов. 229
6.4.Сравнение результатов флотации сульфидов, полученных на механической и пневматической флотационных машинах. 237
6.5.Испытание пневматической флотационной машины на камерном продукте шламовой флотации. 241
б.б.Исследование процесса перечистной флотации при работе механической и пневматической флотационных машин. 245
6.7.Выводы. 249
7. Результаты исследований опытной пневматической флотационной машины мфп - 30 м на зыряновскои обогатительной фабрике.
-
Условия проведения испытаний. 252
-
Испытания пневматической флотационной машины в схеме контрольной свинцовой флотации. 255
7.3. Выводы. 273
Заключение и выводы. 274
Литература. 277
Приложения.
- Влияние размера пузырьков на скорость флотации.
- Спектр размеров пузырьков в затопленной турбулентной струе.
- Резонансные явления при движении частицы на поверхности раздела фаз «газ - жидкость».
- Роль физически сорбированного реагента во флотационном процессе и перспективы повышения скорости флотации тонких частиц.
Введение к работе
Актуальность проблемы. Мировое потребление цветных металлов
удваивается примерно через каждые 10 лет. Ежегодно перерабатываются
миллиарды тонн горной массы. Между тем руды цветных металлов содержат
малое количество ценных компонентов: в среднем 1% меди, свинца, никеля,
десятые и сотые доли процента молибдена, вольфрама и олова. В то же время
содержание металла в рудах уменьшается на 1 - 2 % в год [1]. Снижение
запасов высококачественного сырья требует вовлечения в сферу
промышленного производства руд сложного минералогического состава: шламистых, тонковкрапленных, окисленных, техногенных. Для удовлетворения потребности промышленности в цветных металлах указанные обстоятельства приводят к созданию крупных горно - обогатительных комплексов, требующих больших капитальных вложений. Чрезвычайное значение приобретает задача наиболее эффективного использования капитальных затрат в горную промышленность, наиболее полного и комплексного извлечения составляющих минерального сырья путем совершенствования техники и технологий горно-обогатительного производства.
В горно-обогатительной промышленности важнейшим технологическим процессом является флотация, основным оборудованием для которой служат флотационные машины. Наращивание мощности флотационных отделений обогатительных фабрик в настоящее время решается созданием и внедрением механических и пневмомеханических флотационных машин большой единичной производительности, совершенствованием реагентного режима. Однако тенденция роста единичной производительности оборудования путем увеличения его размеров практически по всем видам машин приближается к пределу технических возможностей. Необходима разработка и внедрение более совершенных и принципиально новых процессов и технологий [2,3], что может быть решено только при развитии их теоретических и практических основ. Взаимодействие частицы с пузырьком зависит от комплекса физико-химических свойств частицы: размера, формы, краевых углов смачивания, а
также гидродинамики и физико-химических свойств поверхности раздела фаз "газ — жидкость". Накопленный многолетний практический опыт, обширный теоретический материал позволяют использовать этот комплекс по совокупности отличительных признаков и в значительной мере прогнозировать результаты флотационного обогащения. Однако для достижения максимального извлечения и селекции необходимо знать реальное значение отдельных известных факторов и условий протекания процесса, а также новых, не учитываемых в настоящее время, и целенаправленно управлять ими.
Целью работы является развитие теоретических основ элементарного акта флотации и совершенствование технологий флотационного обогащения полезных ископаемых и флотационной очистки сточных вод, создание аэрирующих устройств флотационных аппаратов, повышающих качество концентрата.
Идея работы заключается в установлении закономерностей взаимодействия частицы минерала с пузырьком газа и использовании их в разработке физико-химической модели элементарного акта флотации, учитывающей волновое движение границы "газ - жидкость" и неравновесное распределение реагента на ней. Задачи исследований:
на основе современных представлений в области капиллярных явлений, коллоидной химии, гидродинамики дать теоретическое описание элементарного акта флотации и разработать физико-химическую модель флотационного комплекса «частица — пузырек»;
оценить количественными методами крупность флотируемых частиц в зависимости от аэрогидродинамического режима работы флотационной машины;
установить закономерности влияния физически сорбируемых реагентов на устойчивость флотационных комплексов и дать количественную оценку изменения размера частиц при загрузке в камеру флотационной машины аполярного реагента;
выявить влияние молекулярно сорбируемых реагентов на образование флотационного комплекса «частица — пузырек»;
разработать новые типы аэраторов и флотационных машин для апробации и реализации полученных теоретических положений.
Методы исследований: объемный, гравиметрический,
полярографический методы химического анализа (определение серы, мышьяка,
олова, свинца, меди, цинка); фотографирование и видеосъемка (определение
амплитуды стоячей капиллярной волны); математическое моделирование
флотационного комплекса «частица-пузырек», неравновесных
термодинамических процессов на поверхности раздела фаз «газ-жидкость»; математическая обработка результатов с применением ЭВМ; технологические испытания в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях. Основные научные положения, защищаемые автором.
Деминерализация газовой фазы в турбулентном потоке жидкости происходит в результате развития амплитуды вынужденных колебаний частицы на границе раздела «газ — жидкость», достижения краевым углом величины динамического краевого угла и перемещения линии смачивания до полного смыкания периметра трехфазного контакта; отрыв гидрофобных частиц - следствие смыкания слоев жидкости над поверхностью частицы.
Наличие во флотационной системе аполярных реагентов и поверхностно - активных веществ приводит к снижению амплитуды и частоты поверхностных колебаний пузырьков, изменению волновых характеристик собственных колебаний частицы на границе раздела «газ - жидкость» и уменьшению сил отрыва, обусловленных колебательным движением.
Физически сорбированный собиратель способствует увеличению времени контактного взаимодействия частицы минерала с пузырьком при их столкновении, увеличивает скорость истечения жидкости из пленки, разделяющей объекты взаимодействия, и за счет этого сокращает время индукции.
11 Физико-химической моделью флотационного комплекса «частица -
пузырек» может служить диссипативная колебательная система с
релаксационными явлениями, обусловленными неравновесным распределением
реагента на поверхности деформируемого пузырька.
Закономерности дробления газовой фазы и стабилизации размера пузырьков поверхностно — активными веществами в турбулентном потоке жидкости. Дробление газовой фазы в турбулентном потоке жидкости осуществляется возмущением поверхности раздела фаз «газ — жидкость», обладающим максимальной скоростью роста амплитуды и длиной волны, соответствующей размеру разрушаемого пузырька.
Обоснование и выбор конструктивных параметров и технологических режимов аэрирующих устройств флотационных машин в зависимости от характеристики флотируемого материала.
Достоверность научных положений доказана:
обоснованностью математических моделей, базирующихся на физических гипотезах и являющихся дальнейшим развитием апробированных моделей;
сходимостью теоретических расчетов крупности флотируемых частиц с данными автора, с результатами промышленного использования флотационного метода обогащения и данными публикаций.
- удовлетворительной сопоставимостью изменения расчетной крупности с изменением крупности частиц, достигнутой в промышленных условиях при использовании аполярных реагентов;
достаточным объемом экспериментальных данных, полученных в результате лабораторных исследований условий затопления металлических шариков при возбуждении на поверхности воды стоячей капиллярной волны;
апробацией метода повышения селективности извлечения за счет изменения аэрогидродинамического режима работы флотационной машины;
положительным опытом внедрения пневматической флотационной машины МФП-1 на Новосибирском оловянном комбинате, серийным выпуском
флотаторов для очистки сточных вод, оснащенных новым пневмогидравлическим диспергатором.
Научная новизна. Впервые показана существенная роль волнового движения границы раздела «газ - жидкость» в элементарном акте флотации и установлены основные закономерности влияния волновых характеристик поверхностных колебаний пузырьков на образование и устойчивость флотационного комплекса.
Разработан капиллярно-волновой механизм деминерализации газовой фазы, и выявлена зависимость силы- отрыва от аэрационных и гидродинамических параметров флотационного аппарата, гранулометрической характеристики и свойств поверхности извлекаемых частиц.
Дано новое понимание роли поверхностно-активных веществ и
аполярных реагентов во флотационном процессе, раскрыт механизм их
упрочняющего действия. Показано, что добавки ПАВ оказывают
стабилизирующее влияние на развитие амплитуды поверхностных колебаний пузырька, собственных колебаний частицы на границе раздела фаз и тем самым снижают величину силы отрыва частиц. Получены количественные оценки изменения крупности извлекаемых частиц в зависимости от свойств реагента.
Установлена определяющая роль аполярных реагентов, диксантогенида и других физически сорбируемых собирателей на время взаимодействия частицы с пузырьком и продолжительность периода индукции. Определены основные требования, которым должны удовлетворять ПАВ на различных стадиях процесса флотации.
Выявлен механизм дробления газовой фазы в турбулентном потоке жидкости. Показано, что размер пузырьков в камере флотомашины является результатом состязательных процессов: дробления газовой фазы, коалесценции пузырьков и адсорбции на их стенках поверхностно-активных веществ. Изучена кинетика указанных процессов. Показано влияние величины газосодержания жидкости на процесс дробления.
Личный вклад автора заключается: в формулировке общей идеи и цели работы; обосновании и разработке физико-химической модели элементарного акта флотации; определении условий сохранения флотационного комплекса «частица — пузырек»; выполнении большей части теоретических исследований по выявлению механизма действия аполярных реагентов при образовании и разрушении флотационного комплекса; разработке конструкций и методик испытаний аэрационных устройств и флотационных машин; непосредственном участии в экспериментальных работах и подготовке изделий к серийному производству.
Практическая ценность. Установленная взаимосвязь аэрационных и гидродинамических параметров флотационных машин и физико-химических свойств используемых реагентов с характеристикой флотируемого материала позволит научно обоснованно конструировать флотационные машины, аэраторы и выбирать оптимальные аэрационные и гидродинамические режимы их работы.
Найденные новые закономерности действия физически сорбируемых реагентов позволят планировать научные исследования и прогнозировать этапы разработки более совершенных реагентных режимов флотации, научно обоснованно решать проблему подбора, изыскания и синтеза реагентов, обладающих оптимальными для данной технологии физико-химическими свойствами.
С использованием научно-технических разработок автора и с его личным участием сконструировано и освоено производство нескольких типоразмеров флотаторов, оснащенных пневмогадравлическими аэраторами, серийно изготавливаемых на БЭМЗ ИГД СО РАН.
Реализация работы в промышленности. Механизм дробления газовой фазы использован при разработке пневмогидравлических аэраторов (а. с. № 1777270) для флотационных машин, аэрирующих устройств для очистки сточных вод.
Физико - химическая модель элементарного акта флотации использована для анализа условий образования и разрушения флотационных комплексов и нахождения оптимального аэрогидродинамического режима работы флотационной машины МФП — 1 (изобретение автора) при ее испытаниях и внедрении на Новосибирском оловянном комбинате.
На основании уравнений движения частицы, закрепленной на поверхности пузырька, найдены основные направления в решении проблемы поиска и подбора оптимальных молекулярно — сорбируемых реагентов.
Основные научные положения- работы, технические решения использованы в разработке флотаторов, серийно изготавливаемых заводом БЭМЗ ИГД СО РАН;
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании по совершенствованию техники и технологии грубозернистой флотации (г. Апатиты, 1985 г.); Всесоюзном совещании по энергетическим воздействиям в процессах переработки минерального сырья (Новосибирск, 1986 г.); Всесоюзном совещании "Научные основы выбора оптимальных схем обогащения минерального сырья" (Москва, 1988г.); Международном совещании "Энергетические методы управления свойствами минералов в процессах комплексной переработки труднообогатимых руд и алмазов " (Новосибирск, 1997 г.); Научно -практической конференции "Геотехнологии на рубеже XXI века" (Новосибирск, 1999); Международной конференции "Математические модели и методы их исследования" (Красноярск, 1999); Международном совещании "Научные основы, методы и технологии разделения минеральных компонентов при обогащении техногенного сырья" (Иркутск, 1999); Четвертом сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 статей, получено 3 авторских свидетельства, 6 патентов.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, 7 глав, общие выводы, список литературы и приложения. Общий объем работы
349 с, в том числе: основной текст — 276 с. (включая 47 рисунков и 21 таблицу), список литературы (250 наименований) - 23 с, приложения - 50 с.
Влияние размера пузырьков на скорость флотации.
Газовая фаза при аэрации» находится в жидкости; в виде пузырьков. Влияние размеров; пузырьков на процесс флотации рассматривалось, в ряде теоретических и экспериментальных работ. К числу первых можно отнести [12, 35, 36]. По мнению авторов, для каждого класса крупности существует оптимальный размер пузырька, обеспечивающий максимальное использование газовой фазы. При увеличении размера частиц; оптимальный размер пузырьков также смещается в сторону больших значений.
К числу наиболее интересных работ по изучению влияния размера пузырьков на процесс флотации следует отнести і [37 - 47]. В; [43] изучалось влияние размера пузырьков на их: минерализацию частицами пирита различной крупности. Экспериментально установлено; что с увеличением размера пузырька число- частиц, закрепившихся на нем, возрастает. Особенно это заметно для частиц крупностью —125 +100 мкм; Для частиц класса -80 +63 мкм. прирост незначителен. В тоже время І минеральная нагрузка, отнесенная к единице объема воздуха; для мелких пузырьков, значительно выше по сравнению с крупными пузырьками.
Дальнейшим развитием:исследований влияния размеров пузырьков на флотируемость частиц пирита явилась работа [47] .В данной работе проведен анализ экспериментальных данных по флотации инерционных частиц: пирита крупностью 40 — ІбОмкм. пузырьками воздуха различного диаметра с помощью уравнения скорости флотации, выведенного на основании стадиальной модели: флотации. Авторами показано, что, несмотря на возрастание капиллярного давления, требование большего краевого угла для одних и тех же частиц и сокращение периметра контакта поверхности! большей кривизны для мелких пузырьков их флотоактивность значительно больше по сравнению с крупными пузырьками. Для пузырька диаметром 1,12 мм:, минеральная нагрузка, на единицу поверхности пузырька в 4 - 6 раз больше, чем для пузырька диаметром 3,12 мм. Это, по мнению авторов, связано с ростом значения числа Стокса для мелких пузырьков и увеличения вероятности закрепления частиц на пузырьке, вследствие снижения) вибрации его поверхности и скорости обтекающих потоков жидкости. При дроблении одного и того же количества воздуха, пропускаемого через аппарат, число з пузырьков растет по кубической зависимости. Это увеличивает их суммарную величину сечения; столкновения. Поэтому извлечение частиц при переходе от флотации пузырьками диаметром 3;12: мм. к флотации пузырьками диаметром Г мм. возрастает в 8 — 10 раз. Таким образом, авторами показано, что» повышение скорости флотации при переходе на более мелкие пузырьки объясняется не увеличением общей; поверхности раздела фаз, а ростом;суммарной величины сечения столкновения и вероятности закрепления, возрастающей с уменьшением размера пузырьков для частиц любой крупности. В [39]: влияние крупности пузырьков на скорость процесса флотации изучалось в беспенной . машине колонного типа. Конструкция флотационнойЇ машины позволяла получать пузырьки узких классов от 0,2 до 2 мм. Результаты опытов оценивались по величине безразмерной; удельной скорости і флотации. Анализ: экспериментальных данных, полученных при; флотации частиц галенита и пирита, показал, что наибольшая скорость флотации достигается; при использовании по возможности более мелких пузырьков. Так, например, при флотации тонких частиц сульфидов? при уменьшении- размера пузырьков с 2 до 0,2 мм. скорость флотации увеличилась почти в 50 раз.
Прекрасным подтверждением і результатов; цитированной работы явилась [44]; В» этой работе также изучалось влияние интенсивности турбулентного движения; размера \ пузырьков І И плотности частиц на скорость флотации.- Экспериментальные работы проводились с частицами полистирольного латекса, кварца и \ циркона размером менее 50 мкм. Размер пузырька изменялся в пределах от 75 мкм. до 655 мкм; Из полученных экспериментальных данных следует, что использование для флотации мелких пузырьков; значительно увеличивает константу скорости флотации. Так при уменьшении размеров пузырьков; от 655 мкм. до 75 мкм. время флотации сократилось в 100 раз.
Одним из свойств, определяющих высокую флотоактивность мелких пузырьков, является малое время расширения периметра трехфазного контакта. В [3 7] Экспериментально показано, что контур поверхности пузырька малого размера достигает равновесного значения краевого угла смачивания значительно быстрее, чем крупного. Закрепление частицы минерала на таком пузырьке происходит быстрее. Повышается результативность встреч частице полезного минерала с пузырьками.
Спектр размеров пузырьков в затопленной турбулентной струе.
Теоретический анализ условий течения затопленной турбулентной водо-воздушной струи указывает на возможность изменения дисперсности газовой фазы, а, следовательно, и на показатели процесса флотации. Выше показано, что, турбулентное движение жидкости приводит к появлению поля скоростей; Изменение скорости жидкости на расстоянии, равном размеру пузырька; вызывает возникновение на его поверхности несимметричного возмущения; Максимальная- амплитуда- возмущения находится из выражения (2.19). При достижении возмущением поверхности пузырька амплитуды — 0,3; R0 возможно его разрушение в результате прорыва жидкости внутрь пузырька в виде кумулятивной струи. В турбулентной затопленной струе осредненное по пространству значение квадрата разности скоростей на; расстоянии равном размеру пузырька изменяется в зависимости от значения касательного напряжения в жидкости Пузырьки минимального размера образуются в области максимальных касательных напряжений жидкости, т.е. в области с радиальной координатой DI2. Анализ численных решений приведенных уравнений позволяет провести сравнение условий дробления пузырьков воздуха при различных значениях параметров пневмогидравлического аэратора: скорости; истечения водо-воздушной смеси из сопла и размера последнего. Зависимость максимального размера образующихся пузырьков от осевой координаты для различных значений; скорости; истечения смеси и размера сопел аэратора.
Величина касательных напряжений жидкости в струе изменяется в зависимости от расстояния от оси. Размер пузырьков» воздуха, образующихся в области с координатой меньшей DI2, превосходит размер пузырьков, образующихся в области с радиальной координатой D/2, в том же сечении струи. Таким образом, в затопленной турбулентной, струе, в; каждом сечении образуется спектр размеров пузырьков.
Для построения графика распределения пузырьков по. размерам рассчитывался размер пузырьков по формулам (2; 19. — 2.21.) для различных значений радиальной координаты. Количество пузырьков узкого класса: крупности определялось по формуле 3 Р1ых-Р\ 0 где D — размер выходного сечения сопла, Qg — расход воздуха, ЩУ) — максимальный размер пузырька для выделенного кольца Д+, - D; в сечении струи.
При расчетах принималось, что воздух равномерно распределен по сечению струи, а его количество не сказывается на результатах дробления газовой фазы, т.е. газосодержание воды незначительно. По той же причине не учитывалось, влияние коалесценции на размер и? количество пузырьков; Спектр размеров пузырьков находился в сечении струи с осевой координатой х/ D = 5. Сравнение спектров размеров пузырьков указывает на возможность получения более развитой поверхности раздела фаз при увеличении; скорости истечения водо-воздушной смеси из сопла и уменьшении размера сопла аэратора.
С целью проверки теоретических выводов, а также выяснения основных закономерностей и особенностей насыщения воды кислородом воздуха с помощью пневмогидравлического аэратора, экспериментально исследована кинетика процесса насыщения в зависимости от скорости истечения водо-воздушной струи из сопел и их размера. Для решения этой задачи разработана и изготовлена установка, включающая резервуар емкостью 50 л и замкнутый на резервуар циркуляционный контур с насосом и аэратором. Для экспериментов использовалась водопроводная вода, обескислороженная электрохимическим методом. Воздух подавался в циркуляционный контур от внешнего источника сжатого воздуха непосредственно перед пневмогидравлическим аэратором. Расход воздуха контролировался ротаметром РС-3. Скорость истечения водо-воздушной смеси из сопел аэратора изменялась с помощью вентиля, установленного после насоса. На рис. 2.2.3. представлены кинетические кривые насыщения воды кислородом для пневмогидравлических аэраторов с диаметром сопел 3 и 6 мм. Скорость истечения водо-воздушной смеси из сопел составляла: 2 и 10 м/с. Расход воздуха взят 26 см3/с при расходе циркулирующей воды 140 см3/с. Скорость струи в этом случае составила U=2 м/с. При расходе воды 655 см /с и скорости струи U= У м/с расход воздуха составил 117 см /с.
Изменение содержания кислорода в воде резервуара достаточно точно описывается зависимостью: C = Cp(t-e-K,)+C0-K , 2.22. где Ср — равновесная; концентрация; кислорода в воде, С0 - концентрация кислорода в резервуаре в начальный момент времени; t— время насыщения, К -константа скорости насыщения; воды кислородом.
Согласно зависимости: (2.22.) скорость насыщения: воды кислородом воздуха характеризуется константой скорости насыщения К. Последняя величина является; исчерпывающей характеристикой процесса насыщения: и наиболее полно отражает конструктивные и технологические параметры пневмогидравлического аэратора. Изменение значений константы- К в зависимости от скорости истечения водо-воздушной смеси и размера сопел аэратора можно проследить по рисунку 212.3.
Анализ: полученных результатов и сопоставление их с данными теории показывает, что пневмогидравлический аэратор с малым; размером отверстий сопел и большей скоростью истечения водо-воздушной среды имеет более высокие технологические характеристики. Так, исполнение аэратора с размером сопел 3 мм вместо 6 мм: позволяет поднять величину константы скорости насыщения с: 0,0018 до 0,0023 при скорости истечения струи 2 м/с и с 0,004 до 0,0055 при: скорости истечения 10 м/с.
Резонансные явления при движении частицы на поверхности раздела фаз «газ - жидкость».
Вопрос взаимодействия поверхности раздела фаз "газ - жидкость" с частицей; минерала является центральным вопросом во флотации. В; динамических условиях реального флотационного процесса поверхность раздела фаз не является стабильной и сферической. Помимо поступательного движения пузырька возможно волновое движение его поверхности; Согласно данным [20, 117, 118], полученным при ускоренной киносъемке, поверхность пузырьков пульсирует, и движение их имеет неустойчивый характер. По этим же данным пузырьки при подъеме сплющиваются. Однако, чем меньше размер пузырьков, тем более они устойчивы. Авторы [20] предполагают, что пузырьки размером менее 1 мм имеют почти правильную сферическую форму, и поверхность их пульсирует незначительно. Несомненно, все же, что турбулентный характер движения пульпы может внести существенные коррективы в описание процессов столкновения, закрепления и отрыва частицы от пузырька. Волновой характер движения поверхности возможен и при» встрече частицы с пузырьком. В работах [20 - 22] определялось время контакта частицы с пузырьком, изучались условия гидродинамического захвата частиц пузырьками газа с учетом колебательного движения их поверхности. Условия сохранения контакта частицы с пузырьком, при колебательном движении последнего, не изучались. Силы отрыва частиц от пузырьков в турбулентных потоках пульпы изучались в\ [53] і Рассматривались два механизма возможного отрыва частиц. В первом, сила отрыва обусловлена совместным ускоренным движением комплекса «частица - пузырек». Показано, что в этом случае отрыв обусловлен силой инерции массы частицы. Во втором механизме отрыв частиц обусловлен силой "скалывания", возникающей в поле давлений турбулентного потока: Оба механизма отрыва дают примерно одинаковую величину отрывающего усилия и качественно согласуются с экспериментальными данными. Авторы [119] классифицируя основные причины, обусловливающие возникновение больших сил отрыва частиц от пузырьков, относят к ним и вибрацию стенок пузырька. Отрыв частицы от пузырька происходит в момент изменения направления движения оболочки пузырька от выпуклого состояния к вогнутому.
Условия сохранения контакта частицы с пузырьком с учетом колебательного движения его поверхности изучались в [110]; В этой работе развивается капиллярно - волновой механизм отрыва частиц от пузырьков. Однако в [ПО] не учитывалось различие свойств поверхности частиц, характеризуемых равновесным, наступающим и отступающим: краевыми углами. В настоящем разделе предпринята попытка выявить различие в условиях сохранения контакта, частиц, отличающихся поверхностными свойствами; с пузырьками воздуха.
Предположим, что частица минерала, имеющая форму цилиндра радиуса г0 и высоты Л, закреплена на поверхности пузырька радиуса, R. Пузырек совершает поверхностные колебания с круговой частотой со и амплитудой А. В результате действия сил, частица будет перемещаться нормально поверхности. Уравнение движения частицы запишется в виде: mx; = -F + Ft+F2 , 3.17. где х, = С, + Acos{a -і)+х - перемещение частицы в системе координат с началом в центре пузырька; х перемещение частицы относительно поверхности пузырька; С, — постоянная; F = 2 rocr-sin0— сила, удерживающая частицу на пузырьке; Fl =—-—- сила,, обусловленная избыточным давлением газа в R пузырьке; F2-mg. Используя преобразования, приведенные в [120], уравнение (3.17.) запишется в виде 100
у = -L—J=+Mcos{m)+N, 3.18. где y = tg@;:N = 5—+——; K0J L и M - определены в (3.9). mRK0 r0K0
Сила F, удерживающая: частицу на пузырьке, является функцией, краевого угла [121, 122, 123]. В связи с этим рассмотрим влияние гистерезиса краевого угла смачивания на условия сохранения контакта между частицей т пузырьком воздуха в турбулентном потоке пульпы; Принято считать, что гистерезис краевого угла обусловлен гетерогенностью поверхности геометрической или химической [124, 125]. Согласно. этим представлениям предполагается, что в каждой точке поверхности устанавливается свое равновесное значение краевого угла. Его величина зависит от локальных свойств подложки. Для одной и той же поверхности может реализоваться множество равновесных: состояний, отвечающих определенному интервалу краевых углов.
В случае неполного смачивания @ 0 и гистерезис краевого угла обнаруживается, для достаточно гладких и однородных поверхностей [126-129]. Из экспериментальных исследований известно, что из-за: изменения условий равновесия с окружающей средой, устанавливается локальное механическое равновесие с другим значением краевого угла смачивания, находящимся- в диапазоне статических краевых углов (рис.3.2.Г.). Это значение отвечает термодинамически неустойчивому состоянию системы и со временем возможно медленное смещение положения периметра смачивания. Далее в своих расчетах будем придерживаться взглядов на гистерезис краевого угла как на явление, обусловленное реологическими свойствами системы. Величиной изменения динамического краевого угла будем пренебрегать, и считать его постоянным вследствие большой скорости процессов: взаимодействия частицы с пузырьком. Таким образом, полагаем, что при движении трехфазного периметра смачивания величина динамического краевого угла остается постоянной и равной предельному статическому краевому углу смачивания. Если изменение условий механического равновесия мениска приводит к изменению величины краевого угла и значение последнего достигает некоторой критической величины, равной величине предельного статического; угла, то произойдет быстрое смещение положения периметра смачивания по твердой подложке. Конечную скорость перемещения периметра смачивания будем считать бесконечной.
Роль физически сорбированного реагента во флотационном процессе и перспективы повышения скорости флотации тонких частиц.
Существенная зависимость флотируемости; минеральных частиц от наличия! в сорбционном слое на их поверхности не только химически закрепившегося, но и физически сорбированного собирателя общая закономерность. Эта зависимость показана А.А. Абрамовым в обширном цикле работ [10, 198, 199 207 - 209] Ї Минералы сульфидов можно сфлотировать и при наличии только химически! сорбированного собирателя, но плотность сорбцииг собирателя должна быть значительной1 — не менее 3-5 условных монослоев. Для эффективной; флотации соотношение форм закрепления собирателя на поверхности, например, сульфидных минералов, должно быть не менее 1:10 - 1:3. При соблюдении этого условия необходимая для полной; флотации сульфидных минералов плотность общей сорбции не превышает 0,4 — 0,5 условного монослоя. Высокая флотационная активность сорбционного покрытия, состоящего как из химически (ксантогенат металла) так и физически сорбированного собирателя (диксантогенид) подтверждено многими экспериментальными результатами.
Необходимым условием для интенсивной флотации г является наличие физически сорбированного собирателя и для других минералов: окисленных, силикатных и т.д. Известно, например, что значение рН, отвечающее максимуму флотируемости, как правило, близко к значениям рН перезарядки минералов [197]. Концентрация водородных ионов при максимуме флотируемости серицита, хлорита в, среде соляной кислоты, как видно из данных [10, 199]f совпадает с рНл его; перезарядки. Уменьшение заряда поверхности и приближение его к нулевому значению создает благоприятные условия молекулярной сорбции собирателя (олеиновая кислота). Молекулярно сорбированный реагент, как и при флотации сульфидов, сочетанием физически и химически закрепленных форм сульфгидрильного собирателя, приводит к резкому возрастанию флотируемости [198, 199, 208]. Имеющиеся представления о роли в технологическом- процессе физически сорбированного собирателя, позволяющего быстро отфлотировать полезный минерал, не содержат каких либо данных о механизме физического действия собирателя; сокращения времени флотации,,увеличения извлечения полезного компонента. Более быстрая флотация минералов при одновременном наличии химической и физической форм сорбции собирателя, добавлении аполярного реагента в присутствии на частице только химически закрепленного собирателя, указывает на то, что столкновения частиц с пузырьками становятся более результативными и частицы гораздо чаще устойчиво закрепляются на пузырьке. Этот вывод можно» подтвердить анализом экспериментальных исследований взаимодействия частицы и пузырька в динамических условиях. Например, авторами работы [210] установлено, что при сближении частицы и пузырька поверхность последнего прогибается и затем вновь возвращается в прежнее состояние, то есть, ведет себя как упругая пружина: Скорость прогиба вначале взаимодействия частицы с пузырьком близка к нормальной относительной скорости частицы. Постепенно; с увеличением прогиба поверхности пузырька, скорость движения частицы падает. Затем частица под действием упругой: силы поверхностного натяжения отбрасывается от пузырька, если за время взаимодействия не произошло ее устойчивого закрепления. Экспериментальные данные [210] показывают, что процент закрепившихся; частиц (от числа фактически контактировавших) тем больше, чем больше масса частицы. Физически данное явление можно І объяснить увеличением времени взаимодействия частицы с пузырьком. В» том случае, когда время: взаимодействия превышает время необходимое для образования периметра трехфазного контакта; каждое столкновение становится результативным. Уменьшение массы частицы; при сохранении упругой, характеристики» поверхности пузырька,, приводит к сокращению времени взаимодействия и? вызывает отскок достаточно тонких частиц. Далее в [210] отмечается, что эта зависимость, часто нарушается; так как частицы омасленного» угля закрепляются чаще, чем частицы, гидрофобизированного пирита.
Повышается результативность встреч пузырьков не только с измельченным материалом, но и с плоской поверхностью. В исследовалась способность маленьких пузырьков газа закрепляться на металлических электродах и галените. Пузырьки в растворе получали: барботируя азот в течение короткого периода времени; Пузырьки не прилипали: к электродам, если потенциал электрода был ниже потенциала анодного тока. При потенциале большим; нуля, то — есть при: потенциале образования диксантогенида, пузырьки легко прилипали к поверхности электрода. Для меди и галенита в области значений потенциалов анодного тока адсорбции, меньших потенциалов образования диксантогенида, пузырьки не закреплялись на меди и слабо прилипали к галениту. Эксперимент свидетельствует, что в результате редокс — перехода реагента и появления?на электроде диксантогенида условия закрепления пузырька меняются. Если отсутствие диксантогенида приводит к отскоку пузырька, то его наличие позволяет пузырьку закрепиться на поверхности электрода и сформировать трехфазный периметр контакта.
Согласно изложенному, увеличение количества закрепившихся частиц на пузырьке, в том; числе и тонких, может быть вызвано двумя причинами: увеличением времени взаимодействия» частицы с пузырьком или- уменьшением і времени- индукции - времени, необходимого) для утончения прослойки жидкости. между частицей и пузырьком, ее разрыва и образования периметра трехфазного контакта необходимого размера;
