ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЧАСТИЦ НА ПУЗЫРЬКАХ

Закрепление частиц на пузырьках осуществляется в результате утончения промежуточной гидратной прослойки под действием сил, среди которых наибольшую роль играют поверхностные. При столкновении частиц с пузырьками вероятность прилипания пузырьков к твердой поверхности зависит от кинетической устойчивости гидратных пузырьков и связанной с ней скоростью утончения до критической толщины, после которой слой скачкообразно прорывается полностью или до толщины, меньшей критической.

При контакте пузырька с твердой поверхностью пузырек деформируется. В местах перехода от плоской к сфероидальной части пузырька образуются участки пленки с сильно выгнутой поверхностью и, следовательно, пониженного давления. Перепад давления вызывает отсос водяной пленки из плоской части к вогнутым. В результате приводит к утончению гидратной прослойки до критического значения. Скорость разрыва и удаления гидратной прослойки колеблется 1-20 см/с.

Прорыв происходит на периферии площади контакта частицы с пузырьком и распространяется на ее центр. Этот этап при благоприятных условиях заканчивается образованием трехфазного периметра смачивания. Свободная энергия системы резко уменьшается. Время, необходимое для закрепления частицы при контакте с пузырьком, названное временем индукции, определяется на приборе, моделирующим закрепление при встрече пузырька воздуха и частицы ударом. Оно тем меньше, чем выше гидрофобность поверхности, и чем меньше размер частицы. Важное значение имеет гидрофобность поверхности частицы, т.е. искусственно или естественно гидрофильные частицы практически не прилипают к воздушным пузырькам и, наоборот, не смотря на значительные тангенциальные скорости.

Таким образом, для крупных частиц контакт при ударе значительно эффективнее, чем при скольжении. Для мелких частиц время контакта определяется продолжительностью скольжения их по пузырьку. Общее время контакта средних по размеру частиц складывается из более эффективного при ударе и менее эффективного – при скольжении.

ВСПЛЫВАНИЕ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПУЗЫРЬКОВ

Важное звено в процессе флотации, определяющее конечные ее результаты,- стадия транспортировки минерализованных пузырьков из пульпы в пену. Всплывание минеральных пузырьков в спокойных условиях возможно при условии, если подъемная сила пузырька больше веса частицы. Под влиянием этих сил пузырьки с твердыми частицами будут всплывать вверх и собираться на поверхности пульпы. В случае малого диаметра пузырька и высокой его минерализации подъемная сила минерального пузырька может быть недостаточной для его перевода на поверхность в условиях турбулентного перемещения в камере ФМ. Такие пузырьки с потоками пульпы могут засасываться в зонд импеллера, где они разрушаются и теряют минеральные частицы.

В перемешанной импеллерами пульпе минеральные пузырьки движутся с изменяющимися скоростями по разнообразным траекториям, что приводит к появлению инерционных сил, отрывающих частицы от пузырьков. Вероятность такого отрыва тем выше, чем меньше прочность прикрепления и больше масса частиц. Скорость возрастания сил притяжения должна быть выше возможных скачков сил отрыва. В тех случаях, когда прочность прилипания не успевает возрасти до величины, необходимой для уравновешивания возникающих сил отрыва, частицы отрываются от пузырьков. В поле турбулентности ФМ на агрегаты «частица-пузырек» действуют силы сжатия, разрыва и сдвига.

Процесс аэрофлокуляции состоит из трех стадий:

1. Прорыв гидратных слоев с образованием первичного контакта;

2. Распространение трехфазного периметра смачивания – увеличение площади контакта между пузырьком и частицей;

3. Сближение первичных флотационных комплексов и их объединение в аэрофлокулы.

Первая фаза образования первичного контакта протекает быстрее, чем вторая и третья. Поэтому для создания прочных аэрофлокул необходимо, чтобы в течение определенного промежутка времени на них не воздействовали отрывающие силы.

Максимальная крупность флотируемых частиц может быть достигнута путем снижения удельной производительности на единицу длины периметра контакта частицы с пузырьком. Это может быть обеспечено флотацией тонких частиц при помощи группы пузырьков или образовании флотационного комплекса, состоящего из группы пузырьков и минеральных частиц, т.е. при образовании аэрофлокул, которое возможно при высокой гидрофобности поверхности частиц и достаточной аэрации пульпы.

ОБРАЗОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ПЕН И ВЕРОЯТНОСТЬ УДЕРЖИВАНИЯ В НИХ МИНЕРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

В результате всплывания минеральных пузырьков на поверхности пульпы образуется трехфазная пена, состоящая из воздушных пузырьков, водных прослоек и твердых частиц. Такая пена образуется из скопления большого числа мелких сферических минерализированных пузырьков в пенном слое и газовых многогранников, ограниченных жидкими прослойками в верхнем слое. Многогранники имеют около 14 пятиугольных граней с очень небольшим радиусом кривизны. При всплывании в пенный слой пузырьки воздуха минерализированы неполностью. Поэтому в пенном слое они коалесцируют свободными поверхностями с другими пузырьками. По мере перехода пузырьков из сферической в полигональную форму прилипшие частицы теснее соприкасаются друг с другом с образованием между ними перегородки с одну частицу.

Минерализованные пузырьки образуются двумя способами:

1. При слабой минерализации в результате коалесценции пузырьков;

2. В случае высокой минерализации воздушные пузырьки соединяются между собой с помощью минеральных зерен.

Рассматривая первый способ образования пен, считают, что если пузырьки, прибывшие в слой пены, имеют диаметр d и степень минерализации f, то они могут увеличиваться до тех пор, пока не достигнут диаметра, равного отношению d к f, т.е. когда их минеральное покрытие будет полным.

Принимая предположения относительно размера всплывшего пузырька и степени его минерализации для второго способа, получим, что максимальный размер пузырьков в многогранной пене равен d/2f. Множитель 2 отражает, что обе стороны каждой частицы соприкасаются с пузырьком воздуха. При этом максимальный размер диаметров пузырьков в верхней части столба пены будет изменяться от d/f до d/2f. При небольшом радиусе пузырьков и высокой их минерализации при f≈1 пузырьки сохраняют шарообразную форму, придавая пене значительную текучесть. В такой пене каждый пузырек свободно движется между соседними пузырьками. В пене этого типа содержание воды повышенное. При небольших значения r и f полностью минерализованные пузырьки имеют большой размер и форму многогранников. Пена в этом состоянии может переливаться из ФМ и иметь пластичность, которая отсутствует в более высокоминерализованных пенах.

В случае, когда r значителен, а f – невелико, получается насыщенная воздушная пена. Пузырьки в пене имеют большой размер и легко деформируются.

Внешний вид пены от начала к концу флотации изменяется из-за степени минерализации пузырьков в нижнем слое и изменения пузырьков в пене. Устойчивость пен зависит не только от минерализации пен, но и от формы флотируемых частиц. Их крупности, прочности прикрепления, типа вспенивателя и его концентрации.

Минерализация пузырьков в пульпе, извлечение минералов за единицу времени, размер пузырьков и минерализация их в верхнем слое пены – все изменяется с течением времени флотации и в зависимости от места съема пены. Для флотации наиболее благоприятна промежуточная между тяжелой многогранной о обводненной слабоминерализованной кружевная пена. В случае флотации крупнозернистых частиц создаются пены, состоящие из аэрофлокул, называемые агрегатными.

Турбулентные потоки пульпы и всплывающие пузырьки выносят в пену не только частицы флотируемого минерала, но и частицы пустой породы. Таким образом, в пене имеются благоприятные условия для удержания частиц, подготовленных к флотации. Частицы пустой породы, вынесенные воздушными пузырьками или турбулентными потоками пульпы, постепенно смываются стекающей между пузырьками водой. При этом вымывание стекающими потоками более крупных частиц из верхней зоны осуществляется труднее, чем мелких.

Вероятность удерживания частиц в слое пены была определена экспериментально на различных ОФ в первых камерах основных операций в механических, пневмомеханических и аэролифтных машинах.

В результате преимущественного отрыва частиц пустой породы содержание флотируемого минерала в концентрате, по сравнению с содержанием на пузырьках, повышается, но этот процесс малоэффективен.