ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ПОНЯТИЯ ФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА

Флотация – это в общем виде «плавание» или «всплывание».

Основываясь на внешних признаках, процесс флотации можно было бы определить как способ разделения минералов, при котором одни минералы всплывают на поверхность пульпы, а другие тонут. Однако такое определение было бы недостаточным. Во-первых, оно исходит только из внешней стороны процесса и не отражает существа явлений, происходящих при флотации. Во-вторых, в настоящее время известны такие флотационные процессы, при которых никакого всплывания или плавания частиц нет. Между тем эти процессы обусловлены теми же причинами, что и обычная флотация.

Для правильного определения понятия «флотационный процесс обогащения» следует рассмотреть существо процесса и установить основные причины, вызывающие его.

Процесс флотации основан на II законе термодинамики, который имеет множество формулировок, связанных между собой. И если справедлива одна из формулировок, то и справедливость основных может быть доказана.

При рассмотрении физико-химических процессов наиболее удобнее следующие формулировки этого закона:

1. Во всякой системе при постоянных температуре и объеме самопроизвольно могут протекать лишь те процессы, которые сопровождаются уменьшением ее свободной энергии;

2. Всякая система при постоянных температуре и объеме стремится перейти в такое состояние, при котором ее свободная энергия будет наименьшей.

Свободная энергия системы равна максимальной работе, которую она может совершить при постоянных температуре и объеме.

В первой формулировке говорится, что процессы могут протекать самопроизвольно, но не утверждается, что они будут протекать в действительности.

Во второй формулировке сказано, что система может самопроизвольно перейти в состояние, но не утверждается, что она обязательно перейдет в него.

Поэтому приведенные формулировки следует уточнить: всякая система при постоянных температуре и объеме самопроизвольно перейдет из состояния, в котором она обладает более высокой свободной энергией, в состояние, соответствующее более низкой свободной энергии, если на пути перехода нет энергетических барьеров, или если системе будет сообщена энергия, достаточная для преодоления этих барьеров. Эта энергия называется энергией активации.

Для установления причин и сущности флотационного процесса рассмотрим возможные положения частиц малых размеров кубической формы относительно границы раздела двух фаз (например: масла и воды).

Фаза – часть гетерогенной (разнородной) системы, отделенная от других частей видимой границей раздела и обладающая одинаковыми химическими и термодинамическими свойствами. К термодинамическим относят такие свойства вещества, которые изменяются при изменении температуры и давления.

Чтобы решить вопрос о том, в каком из четырех положений будет находиться частица, надо определить свободную энергию системы для каждого из этих положений.

В соответствии со вторым законом термодинамики частица займет положение, при котором свободная энергия будет наименьшей. Свободная энергия рассматриваемой системы будет складываться из ее потенциальной энергии, зависящей от высоты центра тяжести частицы, и поверхностной энергии системы, также зависящей от положения частицы. Поверхностная энергия какой-либо поверхности раздела фаз определяется произведением площади этой поверхности на удельную поверхностную энергию. Потенциальная энергия частицы пропорциональна ее весу или объему, т.е. пропорциональна d³ (длина ребра куба). Поверхностная энергия частицы пропорциональна ее поверхности, т.е. d². При уменьшении размера частицы величина ее потенциальной энергии будет падать быстрее, чем величина поверхностной энергии. Например, при уменьшении диаметра частицы в 10 раз потенциальная энергия уменьшится в 1000 раз, а поверхностная – в 100 раз. Поэтому, какой бы малой ни была поверхностная энергия по сравнению с потенциальной, можно всегда взять частицу столь малых размеров, для которых поверхностная энергия будет намного больше потенциальной. В этом случае потенциальной энергией можно пренебречь. Для частиц больших размеров потенциальная энергия будет больше поверхностной, и направление процесса будет определяться изменением потенциальной энергии.

Рассмотрим случай, когда частица имеет столь малые размеры, что ее потенциальная энергия очень мала по сравнению с поверхностной. При этом условии изменение потенциальной энергии системы будет незначительно по сравнению с изменением поверхностной энергии.

Для записи уравнений поверхностной энергии в первых четырех положениях применимы следующие обозначения:

d – размер ребра частицы;

σ_1-2 – удельная поверхностная энергия на границе раздела 1-2;

σ_1-т – удельная поверхностная энергия на границе раздела первой фазы и твердой частицы;

σ_2-т – удельная поверхностная энергия на границе раздела второй фазы и твердой частицы;

Е – поверхностная энергия.

После вычитания из правых и левых частей равенства величины и деления на d² получим следующие равенства:

Т.к. в этих равенствах из значений Е₁-Е₄ вычитается постоянная величина , и полученные разности делятся на d², то наименьшее значение Е будет соответствовать наименьшему значению левой, а значит и правой части этих равенств. Но величина правых частей равенств определяется только значениями удельных поверхностных энергий на границах соприкасающихся фаз. Таким образом, рассмотрение вопроса о свободной поверхностной энергии приводит к выводу, что максимальное значение свободной энергии рассматриваемой системы при различных положениях частиц малых размеров определяется только величиной удельных поверхностных энергий на границе соприкасающихся фаз.

Согласно второму закону термодинамики, система придет в состояние, соответствующее минимальной свободной энергии. Поэтому положение, которое займет частица малых размеров по отношению к положению соприкосновения двух фаз, определяется только значениями удельных поверхностных энергий соприкасающихся фаз.

Если для двух частиц различного минералогического состава окажется, что минимальная свободная энергия системы для одной частицы будет соответствовать одному из первых трех ее положений, а для второй – четвертому положению, то такие частицы могут быть разделены, т.к. после их соприкосновения с межфазовой поверхностью первая частица будет оставаться у поверхности раздела фаз, а вторая перейдет в нижнюю фазу и будет находиться внутри. Такой способ разделения называется флотационным.

Флотационные процессы – процессы разделения минералов, основанные на различительной способности этих минералов закрепляться на межфазовой поверхности, которая определяется границей в удельных поверхностных энергиях разделяемых минералов на границах с жидкой и газообразными фазами.

Если минимальное значение поверхностной энергии системы будет соответствовать одному из первых трех положений частицы, то частица называется флотирующейся. Если положению IV, то нефлотирующейся.

Таким образом, флотация основана на различиях в свойствах разделяемых минералов, т.е. на различиях в удельных поверхностях на границе раздела соприкасающихся фаз.