Где применяется вакуумная флотация в современности. Флотация

Общепринятая схема очистных сооружений как локального, так и централизованног о общегородского типа в обязательном порядке включает в себя этап осаждения. Отстоянные стоки чаще всего поступают на ступень биологической очистки.

Однако отстойники справляются с удалением только крупных взвесей, которые тяжелее воды. Многие микрочастицы и вещества в коллоидной форме легче водной среды, поэтому не подвергаются осаждению. Эту проблему решают при помощи ступени флотационной очистки, основанной на сложном физико-химическо м процессе. Именно о флотации пойдет речь в нашей статье.

Что такое флотация?

В переводе с английского языка флотацию дословно можно обозначить как плавание на поверхности воды. В области очистки сточных вод флотация применяется в качестве метода выделения мелких твердых частиц, коллоидных взвесей, некоторых растворенных веществ. В основе процесса лежит индивидуальная способность различных соединений к смачиванию и поведение на границе раздела фаз жидкость-газ. Несмачиваемыми водой являются гидрофобные вещества. Гидрофильные соединения обладают хорошей способностью к смачиванию.

Обобщенно и упрощенно флотацию можно описать следующим образом:

• в очищаемую воду подают диспергированный воздух;
• гидрофобные частицы приближаются к пузырьку воздуха;
• водная прослойка между гидрофобной частицей и воздушным пузырем постепенно истончается и разрывает в связи с тем, что сила взаимодействия между молекулами воды больше чем сила адгезивного контакт вода-частица;
• образуется комплекс гидрофобной частицы с пузырьком газа;
• этот флотирующий комплекс всплывает на поверхность стоков, так как он менее плотный чем гетерогенная система, в которой он находится.

Так на поверхности стоков образуется пенный слой, который постепенно удаляется специальным механизмом.

Отчего зависит эффективность флотации для очистки воды

На процесс флотации может повлиять многое. Но наиболее сильное воздействие оказывают описанные ниже факторы.

Область применения флотации

Флотация позволяет очистить воду от взвесей, не подвергающихся осаждению, в связи с тем, что они имеют близкую к воде плотность. Флотационный процесс применяют для удаления из воды ПАВ, нефтепродуктов, волокнистых загрязнителей, жиров и т. п., а также некоторых растворенных веществ, в последнем случае очистка называется пенной сепарацией. Кроме того, флотацию применяют для удаления из стоков взвесей активного ила.

Преимущества и недостатки очистки стоков флотацией

Флотация является одним из самых популярных способов очистки сточных вод. Без флотационного процесса редко обходятся очистные промышленные и ливневые сооружения. Все связано с рядом преимуществ флотационной очистки стоков.

1. Относительно небольшие затраты в процессе эксплуатации.
2. Простота оборудования.
3. Возможность выделения определенных загрязнителей.
4. Скорость процесса флотационной очистки от некоторых взвесей выше скорости оседания.
5. Возможность удаления таких загрязнителей как нефтепродукты.
6. Продуктом флотации является шлам с не очень высоким содержанием воды.

С особенностью самого флотационного процесса связаны и его минусы.

1. Так как флотация зависит от гидрофобности вещества, применять ее можно для удаления не всех загрязняющих компонентов.
2. Зачастую приходится использовать реагенты для повышения гидрофобности загрязнителей и устойчивости полученной пены.
3. Необходимо точно производить настройку оборудования, подающего воздух с целью получения пузырьков определенного диаметра.

Виды флотационной очистки сточных вод

В основе разделения на виды очистки сточных вод методом флотации лежит способ насыщения стоков воздухом и механизм его диспергирования.

Выделение воздушных пузырьков из раствора

Из раствора пузырьки воздуха определенного размера выделяют методом напорной и вакуумной флотации. В первом случае в воду под давлением нагнетают воздух, после этого резко понижают давление в системе, в результате чего в толще сточной воды выделяются воздушные пузырьки.

Вакуумная флотация по принципу схожа с напорной, но исполнение отличается. Сначала вода поступает в аэрационную камеру (1), где контактирует с воздухом и насыщается им, после этого в дезаэраторе (2) удаляется нерастворившийся в воде воздух. Потом вода поступает в камеру флотации (3), где происходит понижение давления в сточной воде, в результате чего образуются воздушные пузырьки.

Оба способа прекрасно подходят для очистки сточных вод от мелкодисперсных загрязнителей.

Механическое насыщение воды диспергированным воздухом

Обогащение воды пузырьками воздуха можно произвести механическим путем. Для этого могут применяться 3 метода: перемешивание воды при помощи небольшой турбины (импеллерные установки), колесом, соединенным с центробежным насосом (безнапорная флотация) или введением воздуха через форсунки труб, уложенных на дне флотационной камеры (пневматическая установка). Во время перемешивания образуются завихрения, благодаря которым стоки насыщаются пузырьками воздуха.

Импеллеры позволяют получить пузырьки небольшого диаметра и применяются для удаления нефтепродуктов и жиров. Этот метод дает возможность регулировать объем пузырьков: чем выше скорость вращения турбины, тем мельче пузырьки. Безнапорные установки позволяют получать более крупные пузырьки, которые не эффективны для удаления мелких взвесей. Безнапорную флотацию применяют для удаления жировых загрязнений, а также частиц шерсти и волокон. Пневматическая флотация используется в том случае, когда необходимо очистить воды, являющиеся агрессивными для таких механических конструкций как импеллер или колесо насоса.

Пропускание воздушных масс через материал с порами

Простым способом диспергирования воздушного потока является пропускание его перед подачей через пористые материалы (на рисунке обозначен цифрой 2), например, пластины с щелевидными прорезями. Чем меньше отверстие, тем меньше диаметр пузырьков.

Получение пузырьков газа из раствора путем электролиза

При этом способе в сточные воды помещают 2 электрода, через которые пропускают ток. Это приводит к выделению возле электродов газовых пузырьков кислорода и водорода. Кроме того, часто используют электроды из алюминия или железа. Соединения этих металлов выделяются в сточную воду и представляют собой коагулянты, приводящие к объединению взвешенных загрязнителей в хлопья. Хлопьевидные частицы контактируют с воздушными пузырьками и поднимаются на поверхность стоков.

Реагенты, применяемые во флотационной очистке

В процессе очистки методом флотации могут применяться реагенты, действие которых различается по двум основным направлениям: повышение гидрофобности и стабилизация пены.

Так как многие загрязнители могут содержать как гидрофобную, так и гидрофильную группу, то их способность к смачиванию снижена, поэтому флотация затруднена. В этом случае прибегают к добавлению в сточные воды реагентов, которые называют собирателями. Они также содержат гидрофильную (полярную) и гидрофобную (неполярную) группы. Взаимодействие между собирателем и загрязнителем происходит на уровне полярных концов. Гидрофобная группа реагента остается свободной.

В качестве собирателей в очистке сточных вод применяют поверхностно-акт ивные вещества: нефтепродукты, масла, меркаптан, аммонийные соли и т.п.

Другой группой флотационных реагентов являются пенообразователи. Они защищают пузырек от разрушения, таким образом повышая эффективность удаления загрязняющей частицы. К стабилизаторам пены относятся масло сосны, крезол, фенолы и др.

Заключительное слово

Флотация при всех своих положительных характеристиках не является самостоятельной очисткой. Это одно из звеньев очистных сооружений, позволяющее удалить их воды те вещества, которые не удалось убрать отстаиванием. Именно поэтому флотаторы устанавливаются зачастую после отстойников.

. (для производства цемента), магнезит, песок (для производства стекла), плавиковый и и т. д.

Посредством флотации можно разделять также водорастворимые соли, взвешенные в их насыщенных растворах [например, отделять сильвин (KCl) от галита (NaCl)]. Благодаря флотации в промышленное производство вовлекаются местрождения тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых. Флотацию применяют также для очистки от органических веществ (нефти, масел и др.), тонкодисперсных осадков солей и шламов, для выделения и разделения бактерий и т. д.

Помимо горноперерабатывающих отраслей промышленности флотацию используют в химической, пищевой и других отраслях для ускорения отстаивания, выделения твердых взвесей и эмульгирования органических веществ; для разделения синтетических органических и выделения из пульп ионитов, нагруженных различными адсорбатами; при переработке бумажных отходов для отделения чистых целлюлозных волокон от испачканных; для очистки от примесей; для извлечения из воды, охлаждающей коксовый газ; очистки промышленных стоков и др.

Разновидности процесса Широкое применение флотации привело к появлению большого числа разновидностей процесса.

Вакуумная флотация. По этому способу, предложенному Ф. Элмором (Великобритания, 1906), жидкость, содержащая твердые частицы, насыщается газом, который при понижении выделяется из нее в виде мелких пузырьков на поверхности гидрофобных частиц.

Флотогравитация - комбинированный процесс обогащения полезных ископаемых, совмещающий флотацию и разделение мелких твердых частиц под действием силы тяжести или в поле центробежных сил. Процесс проводят в специальных аппаратах (концентрационные столы, винтовые сепараторы, ленточные шлюзы, концентраторы, осадочные машины). В них благодаря обработке пульпы флотореагентами и введению в нее пузырьков образуются так называемые аэрофлокулы определенных минералов, имеющие меньшую плотность, чем частицы, не взаимодействующие с воздушными пузырьками. Создаваемое при этом различие в плотности способствует более эффективному разделению частиц минералов, в том числе меньшей крупности, чем при обычном гравитационном обогащении. В промышленности флотогравитацию используют для выделения сульфидных из вольфрамовых и оловянных концентратов, а также для отделения циркона от пирохлора, шеелита от касситерита и др.

Ионная разработана в 50-х гг. 20 в. (ф. Себба, ЮАР) для очистки воды, а также извлечения полезных компонентов из разбавленных растворов. Отдельные ионы, молекулы, тонкодисперсные осадки и коллоидные частицы взаимодействуют с флотореагентами-собирателями, обычно катионного типа, и извлекаются пузырьками газа в либо пленку на поверхности раствора. Способ перспективен для переработки промышленных стоков, минерализованных подземных термальных и шахтных вод и морской воды.

Электрофлотация. Для ее проведения используют поверхность пузырьков водорода и кислорода, выделяющихся при электролитическом разложении воды.

Предложен также способ флотации, согласно которому в пульпу вводят пузырьки CO 2 , образующегося в результате химической реакции.

Другие способы флотации. Среди всех способов первой была предложена (1860) масляная флотация (В. Хайнс, Великобритания). Для ее осуществления измельченную руду перемешивают с минеральным маслом и водой; при этом сульфидные минералы селективно смачиваются маслом, всплывают вместе с ним и удаляются с поверхности воды, а пустые породы (кварц, полевой шпат и др.) осаждаются. В России масляная флотация была применена для обогащения (Мариуполь, 1904). В дальнейшем этот способ усовершенствовали: масло диспергировали до эмульсионного состояния, что позволило извлекать тонкие шламы, например марганцевых руд.

Способность гидрофобных минеральных частиц удерживаться на поверхности воды, в то время как гидрофильные частицы в ней тонут, была использована А. Нибелиусом (США, 1892) и А. Мак-Куистеном (Великобритания, 1904) для разработки пленочной флотации. В этом процессе из тонкого слоя измельченной руды, находящегося на поверхности потока воды, выпадают гидрофильные частицы.

В настоящее время масляная, пленочная и некоторые другие способы флотации практически не применяются.

Флотационные реагенты

Флотореагенты - химические вещества (чаще всего применяют ПАВ), которые добавляют при флотации в пульпу для создания условий селективного (избирательного) разделения минералов. Флотореагенты позволяют регулировать взаимодействия минеральных частиц и газовых пузырьков, химических реакции и физико-химических процессов в жидкой фазе, на границах раздела фаз и в пенном слое путем гидрофобизации поверхности одних и поверхности других твердых частиц. По назначению различают три группы флотореагентов: собиратели, пенообразователи и модификаторы. По химическому составу флотореагенты бывают органическими (преимущественно собиратели и пенообразователи) и неорганическими (в основном модификаторы); те и другие могут быть неионогенными, мало или практически нерастворимыми в воде, и ионогенными, хорошо растворимыми в ней веществами.

Собиратели (коллекторы). Роль этих реагентов заключается в селективной гидрофобизации (понижении смачиваемости) поверхности некоторых минеральных частиц и возникновении тем самым условий для прилипания к ним газовых пузырьков. Гидрофобизация достигается вытеснением гидратной пленки с поверхности частиц. Закрепление на ней может быть обусловлено ван-дер-ваальсовыми силами (физическая адсорбция) либо образованием химической связи (хемосорбция). По структурным признакам собиратели подразделяют на анионные, катионные, амфотерные и неионогенные. Молекулы анионных и катионных реагентов содержат неполярные (углеводородные) и полярные (амино-, карбокси- или др.) группы. Последние обращены к минералу, сорбируются на поверхности частиц и гидрофобизируют ее, а неполярные группы обращены в воду, отталкивают ее и предотвращают гидратацию поверхности частиц.

К анионным собирателям относятся соединения, которые содержат сульфгидрильную (меркапто-) или гидроксильную группы, а также их производные - так называемые сульфгидрильные и оксгидрильные реагенты. Сульфгидрильные реагенты предназначены для флотации сульфидных руд Cu, Pb, Zn, Ag, Au, Co, Ni, Fe и включают ксантогенаты (изопропил-, пентил- и этилпроизводные), дитиофосфаты (дикрезил- и диэтилпроиз-водные), меркаптаны и их производные (диалкилтионокарбаматы). Оксгидрильные реагенты применяют для флотации карбонатов, оксидов, сульфатов, фосфатов, фторидов и некоторых других минералов; к этим реагентам относятся алифатические (карбоновые) кислоты, моноалкилсульфаты, сульфосукцинаты, алкан- и алкиларилсульфонаты, алкилгидроксамовые и алкил-арилфосфоновые кислоты и их соли, алкилариловые эфиры фосфорных кислот и их соли, сульфированные алкилмоноглице-риды.

Катионные собиратели, среди которых наиболее распространены алифатические первичные амины, а также вторичные амины (в керосине), четвертичных аммониевых оснований и аминоэфиры с короткой разветвленной цепью, используют для флотации калийных солей (главным образом KCl при отделении его от NaCl), кварца, силикатов, сульфидов и т. д.

Амфотерные собиратели имеют в своем составе амино- и карбоксильную группы, благодаря чему сохраняют активность как в кислой, так и в щелочной средах. Данные коллекторы особенно эффективны для флотации класса оксидов в воде повышенной жесткости.

Неионогенные собиратели представлены неполярными соединениями - углеводородными жидкостями преимущественно нефтяного происхождения (газойли, дизельные масла, керосин и т. д.), а также жирами и др. В виде водных они служат для флотации алмазов, калийных солей, молибденита, самородной серы, талька, углей, фосфатов и др. с неполярной поверхностью. Совместное применение полярных коллекторов с неполярными, а также диспергирование, например с помощью ультразвука, последних (что усиливает адгезионное закрепление их на поверхности за счет физической адсорбции) существенно улучшает флотацию крупных частиц; при этом наряду с адгезией флотация сопровождается также и химическими реакциями.

Пенообразователи (вспениватели), адсорбируясь на поверхности раздела - жидкость, понижают поверхностное натяжение, способствуют образованию устойчивой гидратной оболочки пузырьков воздуха, уменьшают их крупность и препятствуют коалесценции, умеренно стабилизируют минерализованную пену. В качестве вспенивателей используют одноатомные алифатические спирты (например, метилизобутилкарбинол), гомологи фенола (крезолы и ксиленолы), технические продукты (пихтовое и сосновое масла), содержащие терпеновые спирты, монометиловые и монобутиловые эфиры полипропилен-гликолей, полиалкоксиалканы (например,1,1,1,3-тетраэтоксибутан) и др. Пенообразующими свойствами обладают некоторые собиратели (амины, карбоновые кислоты).

Модификаторы (регуляторы) позволяют сделать возможной, усилить, ослабить или исключить адсорбцию собирателей на минералах. Благодаря регуляторам уменьшается расход собирателей, достигаются разделение с близкой плотностью, обогащение руд сложного состава с получением нескольких концентратов. Модификаторы, улучшающие закрепление собирателей на поверхности определенных и ускоряющие флотацию, назsdf.n активаторами; регуляторы, затрудняющие закрепление коллекторов,- подавителями, или депрессорами.

Для класса оксидов потенциалопределяющими являются H + и ОН - ; их концентрации изменяются путем подачи кислот, щелочей и соды. Для сульфидов потенциалопределяющими служат катионы металлов и анионы HS - и S 2- . Поэтому распространенным активатором при флотации сульфидов сульфгидрильными собирателями является, например, Na 2 S. Жидкое стекло применяют как депрессор флотациясиликатных материалов; известь и цианиды подавляют флотацию пирита, сульфидов Cu и Zn и т. д. Для снижения отрицательного воздействия на флотации частиц микронных размеров (тонких шламов) используют разобщающие их реагенты-пептизаторы (диспергаторы); к ним относятся неорганические (например, жидкое стекло) и органические (декстрин, карбоксиметилцеллюлоза, крахмал, лигносульфонаты и др.) соединения. Кроме упомянутых имеются также регуляторы рН среды.

В большинстве случаев флотореагенты обладают комплексным действием (которое зависит от природного состава поверхности минералов, рН среды, температуры пульпы и т.д.) и приведенная их классификация весьма условна.

Избирательность флотации регулируют наряду с иными факторами подбором реагентов, ассортимент которых достигает нескольких сотен, и их расходом. При увеличении поверхности флотируемых расход собирателей и активаторов возрастает. Расход пенообразователей немного увеличивается при повышенном содержании обрабатываемого минерала и грубом помоле руды. Расход депрессоров возрастает при повышенной флотируемости подавляемых минералов, высоких концентрациях собирателей в пульпе (например,при разделении коллективных концентратов), а также при использовании малоизбирательных коллекторов, содержащих в молекулах длинноцепочечные углеводородные радикалы (например, высшие жирные кислоты и мыла).

Флотируемые компоненты извлекаются не полностью при недостатке вспенивателей, а при их избытке ухудшается селективность флотации. Средние расходы флотореагентов невелики и обычно составляют от нескольких г до нескольких кг на 1 т руды.

Флотационные процессы и оборудование Обогащение руд методом флотации производят на флотационных фабриках, основное оборудование которых включает флотационные машины, контактные чаны и реагентные питатели.

Флотационные машины предназначены для проведения собственно флотации. В них осуществляют перемешивание твердых частиц (суспендирование пульпы) и поддержание их во взвешенном состоянии; аэрацию пульпы и диспергирование в ней воздуха; селективную минерализацию пузырьков путем контакта с обработанными флотореагентами частицами; создание зоны пенного слоя; разделение пульпы и минерализов. пены; удаление и транспортировку продуктов обогащения. Впервые патент на флотационную машину выдан в 1860; первые промышленные образцы машин разработаны в 1910-14 (T. Гувер и Д. Кэллоу, США).

Широкое использование флотации для привело к созданию разных конструкций машин. Каждая машина состоит из ряда последовательно расположенных камер с приемными и разгрузочными устройствами для пульпы; каждая камера снабжена аэрирующим и пено-съемным устройствами. Различают одно- и многокамерные флотационные машины. К однокамерным относятся флотационные колонны, в которых высота камер превышает их ширину более чем в 3 раза; эти аппараты применяют при флотационном обогащении мономинеральных руд и флотационном отделении шламов.

Многокамерные машины позволяют реализовать сложные схемы обогащения полиминеральных руд с получением нескольких концентратов.

По способам аэрации пульпы выделяют механические, пневмомеханические, пневмогидравлические и пневматические машины. В механических машинах взвешивание частиц (перемешивание пульпы), засасывание и диспергирование осуществляется аэратором, или импеллером. В отличие от этих устройств в пневмомеханические машины (схему камеры см. на рис.) воздух подается в зону импеллера принудительно с помощью воздуходувки. В пневмогидравлических машинах воздух диспергируется в аэраторах спец. конструкций (например, в эжекторах) при взаимодействии струй жидкости и воздуха. В пневматических машинах воздух диспергируется при продавливании через пористые перегородки.

Работа механических и пневмомеханических машин в значительной степени определяется конструкцией импеллера, вариантом подвода к нему воздуха, особенностями перекачивания импеллером пульпы и ее циркуляции в камере. От способа перекачивания пульпы импеллером зависят особенности аэрации пульпы и гидродинамический режим в камере. Последний определяется также размерами зоны интенсивной циркуляции пульпы. По этому признаку различают машины с придонной циркуляцией и циркуляцией во всем объеме камеры.

Характер движения потоков пульповоздушной смеси в камере зависит от конструкций статора машины (имеет вид цилиндров или пластин), устройства для удаления минерализованной пены с поверхности пульпы (обычно применяют лопастной пеносъемник), успокоителей (предотвращают разрушение пенного слоя), межкамерных перегородок, наличия отбойников и формы камеры (имеет, как правило, скошенные снизу боковые стенки, благодаря чему исключается накапливание в углах твердых частиц и облегчается их перемещение у дна от стенок к импеллеру).

Оптимальная степень разделения при изменении характеристики сырья достигается путем изменения количества подаваемого в камеру воздуха, толщины пенного слоя и уровня пульпы, а также производительности импеллера. Средние показатели современных механических и пневмомеханических машин: производительность по потоку пульпы 0,2-130 м 3 /мин; объем камер от 12-40 м 3 (в России) до 30-100 м 3 (за рубежом). Применение большеобъемных камер позволяет на 20-30% сократить капитальные затраты, металлоемкость машин, а также их энергоемкость (достигает 1,5-3,0 кВт/м 3).

По сравнению с механическими и пневмомеханическими машинами пневмогидравлические флотационные машины отличаются большей скоростью, небольшими капитальными затратами, высокой производительностью, низкими металло- и энергоемкостью и т. д. Однако из-за отсутствия надежного в работе и долговечного аэрирующего устройства эти флотационные машины еще недостаточно широко применяют в практике обогащения полезных ископаемых.

Известны также мало распространенные пока машины: вакуумные и компрессионные (аэрация достигается выделением из пульпы растворенных газов); центробежные и со струйным аэрированием; электрофлотационные (аэрация пульпы пузырьками, выделяющимися при электролизе).

Другая аппаратура. Для обработки пульпы флотореагентами предназначены контактные чаны (кондиционеры), в которые сначала подаются, как правило, модификаторы, затем собиратели и далее пенообразователи. Время контактирования пульпы с реагентами составляет от нескольких секунд до десятков мин. Реагентный режим флотации определяется ассортиментом флотореагентов и порядком их ввода во флотац. процесс. Подача ингредиентов в систему в заданных количествах обеспечивается реагентными питателями, или дозаторами реагентов.

Основные процессы и вспомогательные операции

Работа предприятий. Флотационные процессы подразделяют на прямые и обратные. При прямой флотации в пенный продукт, называемый концентратом, извлекают полезный минерал, в камерный продукт, называемый отходами или хвостам и, - частицы пустой породы. Последние извлекают в пенный продукт при обратной флотации

Различают также основную, перечистную и контрольную флотационные операции. Основная флотация дает так называемый черновой концентрат, из которого в результате перечистной флотации получают готовый концентрат. Камерный продукт основной флотации (несфлотированные частицы) подвергают одной или нескольким операциям контрольной флотации с получением отвального продукта (отходов).

Камеры флотационных машин соединяют в такой последовательности, которая позволяет осуществлять упомянутые операции, циркуляцию промежуточных продуктов и получать концентраты требуемого качества при заданном извлечении полезного компонента. Показатели флотации особенно для сульфидных руд цветных металлов достигают высокого уровня. Так, из медной руды, содержащей 1,5-1,7% Cu, получают медный концентрат (35% Cu) с извлечением 93% Cu. Из медно-молибденовой руды, содержащей около 0,7% Cu и 0,05-0,06 Mo, производят медный концентрат (25% Cu) с извлечением 80% Cu и молибденовый концентрат (свыше 50% Mo) с извлечением свыше 70% Mo. Из свинцово-цинковой руды, содержащей около 1% Pb и 3% Zn, получают свинцовый концентрат с содержанием свыше 70% Pb (извлечение свыше 90%) и цинковый концентрат с содержанием 59% Zn (извлечение свыше 90%) и т. д.

Важное значение для достаточного полного разделения наряду с ионным составом жидкой фазы пульпы, составом растворенных в ней газов (особенно сильно влияние воздуха), ее температурой и плотностью, схемой и реагентным режимом флотации имеет степень измельчения сырья. Лучше всего обогащаются частицы крупностью 0,15-0,04 мм. Для разделения частиц мельче 40 мкм наиболее пригодны флотационные колонны, в которых исходная пульпа после смешения с флотореагентами поступает в среднюю или верхнюю часть (ниже уровня пенного слоя), где встречается с восходящим потоком пузырьков воздуха, вводимого в нижнюю часть.

Благодаря противотоку пульпы и воздуха, а также большей, чем в других флотационных машинах, вторичной минерализации пенного слоя достигается высокая селективность процесса. Для флотации частиц крупнее 0,15 мм в России разработаны машины пенной сепарации, в которых пульпу подают на слой пены, удерживающей только гидрофобизированные частицы, а также машины кипящего слоя с восходящими потоками аэрированной жидкости.

Во флотационных машинах весьма часто наблюдается побочный процесс, заключающийся в осаждении на стенках камеры гидрофобных частиц. На этом процессе, названном флотация твердой стенкой, основано разделение тонких шламов (10 мкм и менее) с применением носителя - гидрофобных частиц флотационные крупности, избирательно взаимодействующих с извлекаемыми шламами; образующиеся агрегаты подвергают обычной пенной флотации

В технологии флотации большое внимание уделяется качеству воды, которое характеризуется пределами содержания взвешенных частиц, катионов и анионов, рН, жесткостью и т. д. Для достижения требуемого качества воду подвергают спец. подготовке, включающей удаление с помощью коагулянтов и флокулянтов взвешенных частиц, электрохим. обработку, корректировку ионного состава подачей извести, кислот, щелочей и др. (см. также Водоподготовка).

Совершенство флотации, кроме качества получаемых концентратов, уровня извлечения полезных компонентов, расходов флотореагентов и т. п., определяется также степенью использования оборотной воды. Например, на флотационных фабриках США, обогащающих фосфатные руды, при расходе 11,2-84,2 м 3 на 1 т доля водооборота составляет 66-95%; на фосфатных фабриках бывшего СССР расходуется 13,8-35,7 м 3 на 1 т при водообороте 80-100%.

Целевые продукты флотации направляют для обезвоживания в непрерывно действующие отстойники-сгустители, гидросепараторы и гидроциклоны (40-60% влаги в сгущенном продукте), фильтры (10-15%) и сушилки (1-3% влаги). Для ускорения сгущения и пульпы обрабатывают реагентами-флокулянтами (полиакриламид, полисахариды и др.) и магн. методами.

Флотация на обогатительных фабриках осуществляется как механизированный, автоматизированный непрерывный процесс - от поступления до выпуска концентратов и хвостов. Регулирование крупности частиц при измельчении, подачи флотореагентов по их остаточной концентрации в пульпе, непрерывный анализ ее плотности, температуры и рН лежат в основе автоматизированного управления работой флотационных фабрик. Важное место на них занимают внутренний транспорт сырья и готовой продукции, водо- и энергоснабжение, охрана труда и окружающей среды и др. Мощность наиболее крупных современных фабрик по горной массе достигает 50-55 тыс. т в сутки Одна из первых в мире флотационных фабрик была пущена в России (1904).

Основные направления совершенствования процесса

1. Разработка бессточных систем, основанных на использовании селективных флотореагентов, обеспечивающих разделение в воде с повышенной жесткостью.

2. Более широкое применение методов электрохимической активации флотации путем направленного изменения флотационных свойств минералов, регулирования окислительно-восстановительного потенциала и ионного состава жидкой фазы пульпы.

3. Использование флотационно-химических технологий переработки бедных и труднообогатимых руд с целью комплексного применения сырья и охраны окружающей среды.

4. Дальнейшее совершенствование конструкций флотационных машин с камерами большой емкости, обеспечивающих снижение капитальных и энергетических затрат, путем улучшения аэрационных характеристик машин, использования износостойких материалов, автоматизирование основных узлов.

Кроме того, совершенствование флотации идет по пути синтеза новых флотореагентов, замены дрeгими газами (азот, кислород), а также внедрения систем управления параметрами жидкой фазы флотационной пульпы.

Метод Фюллеборна. В стакане емкостью 200 мл размешивают 8-10 г свежих фекалий с 20-кратным объемом насыщенного раствора натрия хлорида. После тщательного размешивания смесь фильтруют через металлическое или капроновое ситечко (можно через марлю) в другой чистый стакан емкостью 100 мл и оставляют на 45-60 мин. Затем проволочной петлей с поверхности взвеси берут 3-6 капель и наносят на хорошо обезжиренное предметное стекло, покрывают покровным стеклом и микроскопируют.

Метод Дарлинга. Пробу свежих фекалий массой 5 г смешивают в стакане с водой в соотношении 1:10 и через ситечко или марлю процеживают в другой чистый стакан. Фильтрат отстаивают 5 мин, верхний слой жидкости сливают, не взмучивая осадка, а осадок с небольшим количеством оставшейся жидкости (10 мл) переносят в центрифужную пробирку и центрифугируют 2 мин при скорости 1500 об/мин. Надосадочную жидкость сливают, а к осадку приливают жидкость Дарлиига (глицерин, смешанный в равных частях с насыщенным раствором хлорида натрия). Пробирку встряхивают или размешивают палочкой, чтобы осадок смешался с флотационной жидкостью, повторно центрифугируют в течение 2 мин при скорости 1500 об/мин. При наличии в пробе фекалий яиц гельминтов они всплывают на поверхность жидкости в центрифужной пробирке. Гельминтологической петлей берут 3-4 капли с поверхности взвеси, наносят на предметное стекло и микроскопируют.

Метод И.А. Щербовича выполняют по такой же методике, как и Дарлинга, но в качестве флотационной жидкости используют насыщенные растворы натрия гипосульфита или магния сульфата. Поскольку плотность указанных растворов выше, чем плотность жидкости Дарлинга, метод Щербовича используют для диагностики гельминтозов, яйца возбудителей которых имеют больший удельный вес (метастронгилез свиней, трихоцефалез, макраканторинхоз и др.).

Суть первого варианта состоит в том, что пробу фекалий массой 3 г кладут в стаканчик, добавляют раствор аммиачной селитры и тщательно размешивают стеклянной палочкой. Затем порциями доливают раствор соли до 50 мл. Полученную взвесь фильтруют через металлическое или капроновое ситечко в другой стаканчик и дают отстояться в течение 10 мин. При диагностике стронгилятозов достаточно, чтобы взвесь отстоялась в течение 3-5 мин. После этого гельминтологической петлей с поверхности взвеси снимают 3-6 капель с разных мест, переносят их на предметное стекло и микроскопируют.

ФЛОТАЦИЯ (французским flottation, английский flotation, букв. — плаванье на поверхности воды * а. flotation; н. Flotation, Flotatieren, Schaumschwimnaufereitung; ф. flottation; и. flotacion) — процесс разделения мелких твёрдых частиц (главным образом минералов) в водной суспензии (пульпе) или растворе, основанный на избирательной концентрации (адсорбции) частиц на границах раздела фаз в соответствии с их поверхностной активностью или смачиваемостью . Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз (обычно газа и воды) и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц.

Флотация — один из основных методов обогащения полезных ископаемых , применяется также для очистки воды от органических веществ ( , масел), бактерий, тонкодисперсных осадков солей и др. Помимо горноперерабатывающих отраслей промышленности флотация используется в пищевой, химической и других отраслях для очистки промышленных стоков, ускорения отстаивания , выделения твёрдых взвесей и эмульгирования веществ и т.п. Широкое применение флотации привело к появлению большого количества модификаций процесса по различным признакам (рис.).

Первой была предложена масляная флотация (В. Хайнс, Великобритания , 1860). Для её осуществления измельчённая руда перемешивается с маслом и водой; при этом сульфидные минералы избирательно смачиваются маслом, всплывают вместе с ним и снимаются с поверхности воды, а породы (кварц, полевые шпаты) тонут в воде. В России масляная флотация была использована для обогащения графитовой руды (г. Мариуполь, 1904). Позднее этот вид был усовершенствован: масло диспергировалось до эмульсионного состояния, что позволяло извлекать тонкие шламы, например марганцевых руд . Способность тонких гидрофобных частиц удерживаться на поверхности воды, в то время как гидрофильные тонут в ней, была использована для создания плёночной флотации (А. Нибелиус, США, 1892; А. Мак-Куистен, Великобритания, 1904). Плёночная флотация не имела большого практического использования, но явилась прообразом пенной флотации, как с точки зрения использования межфазной границы вода — воздух, так и с точки зрения использования флотационных реагентов , поскольку было замечено, что плёночная флотация проходит значительно эффективнее в присутствии небольших количеств масла. В процессе пенной флотации обработанные реагентами частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха, образуя пенный , устойчивость которого регулируется добавлением пенообразователей. Для образования пузырьков предлагались различные методы: образование углекислого газа за счёт химической реакции (С. Поттер, США, 1902), выделение газа из раствора при понижении давления (Ф. Элмор, Великобритания, 1906) — вакуумная флотация, энергичное перемешивание (механическая флотации), пропускание воздуха сквозь мелкие отверстия (пневматическая флотация). Тонкодисперсные пузырьки для флотации из растворов получают также при электролитического разложении воды с образованием газообразного кислорода и водорода (электрофлотация).

Разнообразные способы образования газовых пузырьков и комбинации этих способов соответствуют различным типам флотационных машин . Соединение камер флотационных машин в определённой последовательности с направлением потоков пенных и камерных продуктов на перефлотацию, доизмельчение, перечистную или контрольную флотации составляет схему флотации, которая позволяет получить концентрат требуемого качества при заданном извлечении полезного компонента . Концентрат может быть получен пенным (прямая флотация) или камерным продуктом (обратная флотация); в последнем случае флотации подвергается пустая порода .

Для проведения пенной флотации производят измельчение руды до крупности 0,5-1 мм в случае природно-гидрофобных неметаллических полезных ископаемых с небольшой плотностью ( , уголь, тальк) и до 0,1-0,2 мм для руд металлов. Для создания и усиления разницы в гидратированности разделяемых минералов и придания пене достаточной устойчивости к пульпе добавляются флотационные реагенты. Затем пульпа поступает во флотационные машины. Образование флотационных агрегатов (частиц и пузырьков воздуха) — аэрофлокул происходит при столкновении минералов с пузырьками воздуха, вводимого в пульпу.

На флотацию влияют ионный состав жидкой фазы пульпы, растворённые в ней газы (особенно кислород), температура и плотность пульпы. На основе изучения минералого-петрографического состава обогащаемого полезного ископаемого выбирают схему флотации, реагентный режим и степень измельчения, которые обеспечивают достаточно полное разделение минералов. Лучше всего флотацией разделяются зёрна размером 0,1-0,04 мм. Более мелкие частицы разделяются хуже, а частицы мельче 5 мк ухудшают флотацию более крупных частиц. Отрицательное действие частиц микронных размеров уменьшается специфическими реагентами. Крупные (1-3 мм) частицы при флотации отрываются от пузырьков и не флотируются. Поэтому для флотации крупных частиц (0,5 -5 мм) в разработаны способы пенной сепарации , при которых пульпа подаётся на слой пены, удерживающей только гидрофобизированные частицы. С той же целью созданы флотационные машины кипящего слоя с восходящими потоками аэрированной жидкости.

Во флотационных машинах часто происходит побочный процесс — осаждение гидрофобных частиц на стенках и особенно деревянных деталях, т.н. флотации твёрдой стенкой. Этот эффект был положен в основу метода флотации тонких шлемов (-10 мкм) с помощью носителя — гидрофобных частиц флотационной крупности, селективно взаимодействующих с извлекаемыми шламами; образующиеся агрегаты подвергались обычной пенной флотации.

Для очистки воды, а также извлечения компонентов из разбавленных растворов в 50-х гг. был разработан метод ионной флотации .

Широкое распространение флотации, возникшей первоначально благодаря ряду эмпирических изобретений, оказало значительное влияние на становление физической химии поверхностных явлений, а развитая теория стала основой совершенствования процесса флотации.

В развитии теории флотации важную роль сыграли работы русских физико-химиков: И. С. Громека, впервые сформулировавшего в конце 19 века основные положения процесса смачивания; Л. Г. Гурвича, разработавшего в начале 20 века положения о гидрофобности и гидрофильности. П. А. Ребиндер развил теорию адсорбционных и поверхностно-активных процессов, указал на роль флокуляции в процессе флотации. Вопросы электрохимических взаимодействий при флотации впервые рассмотрел А. Н. Фрумкин (1930), а затем Р. Ш. Шафеев и В. А. Чантурия. Теория аэрации при флотации развита В. И. Классеном. Теория взаимодействия реагентов с минералами при флотации развита И. Н. Плаксиным и его школой (В. А. Глембоцкий, Классен, Шафеев, В. И. Тюрникова и др.), а также А. Таггартом , А. Годеном, Д. Фюрстенау (), И. Уорком (Австралия), М. Г. Флемингом (Великобритания) и др. Кинетике флотации, математическому моделированию и управлению процессом флотации посвящены работы К. Ф. Белоглазова, О. С. Богданова, Л. А. Барского, В. З. Козина, И. И. Максимова, Ю. Б. Рубинштейна, а также П. Инуэ (Япония), Фюрстенау (США) и др. Создание теории селективной флотации минералов связано с именами М. А. Эйгелеса, С. И. Митрофанова, С. И. Полькина и др.

Совершенствование процесса флотации идёт по пути синтеза новых видов флотационных реагентов, конструирования флотационных машин, замены воздуха другими газами (кислород, азот), а также внедрения систем управления параметрами жидкой фазы флотационной пульпы. Благодаря флотации вовлекаются в промышленное производство тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых.

Флота́ция (фр. flottation , от flotter - плавать) – это способность веществ удерживаться на поверхности иных сред, благодаря различию их удельных поверхностных энергий. Изначально флотация применялась для обогащения полезных ископаемых, сейчас ее активно используют для очистки сточных вод. Флотационные системы выделяют нерастворимые частицы из воды или сточных вод.

Флотационная техника применяется для очистки технологических стоков, активного ила, муниципальных стоков, питьевой воды, промышленных стоков, технологической воды.

Очистка промышленных стоков методом флотации охватывает многие отрасли, например:

Сточные воды , имеющие в своем составе

• ПАВ (поверхностно-активные вещества),
• различные масла
• продукты нефтепереработки,
• волокнистые составляющие,
• и другие частицы, обладающие гидрофобными свойствами,

проходят очистку способами флотации.

Он заключается в создании агрегатов «пузырек-частица», всплывающих на поверхность водной среды, с образованием затем удаляемого слоя флотационного шлама. Чем больше гидрофобные свойства частицы, то есть степень ее несмачиваемости водой, тем больше сила ее слипания с воздушным пузырьком. Прочность связи в системе «пузырек-частица» может быть также определяться химическим взаимодействием веществ, степенью их соприкосновения между собой и другими свойствами.

1. Способность к появлению агрегатов «пузырек-частица», быстрота взаимодействия и прочность связи, длительность существования этой агрегатной системы, связаны с природой частиц, и степенью их смачиваемости водой. Таким критерием служит краевой угол смачивания, измеряемый методом лежащей капли, образованный касательными плоскостями, проходящими по поверхности смачивающей жидкости, с вершиной угла, расположенной на границе трехфазного раздела.
2. Способность жидкости к смачиванию связана с ее полярностью. То есть, с ее увеличением способность жидкости смачивать твердые тела уменьшается. Внешне этот факт выглядит как уровень поверхностного натяжения жидкости на границе с газовой поверхностью, и различием в полярности на границе жидкой и твердой фаз. При поверхностном натяжении воды на уровне 60 – 65 мН/м флотация осуществляется более эффективно.
3. Уровень смачивания жидкостью твердых или газообразных веществ отличается размером краевого угла смачивания θ. Чем выше уровень угла θ, тем больше поверхность частицы подвергается смачиванию. Подобные частицы имеют небольшую степень смачиваемости и флотируются намного проще.
4. При флотации значительная роль уделяется размеру, количеству и равномерности распространения воздушных пузырьков в сточной воде. Самые эфективные размеры воздушных пузырьков составляют 15 –30 мкм, а наибольшие могут доходить до 100 – 200 мкм.
5. На уровень смачиваемости поверхности частиц оказывает влияние явления адсорбции и наличие в составе ПАВ, электролитов и пр. Поверхностно-активные вещества способны снижать смачиваемость частиц, делая их гидрофобными. В качестве такого рода реагентов (в основном в процессах обогащения) применяют масла, жирные кислоты, меркаптаны, амины, алкилсульфаты, ксантогенаты, дитиокарбонаты, и прочие основы.
6. Сорбирование молекул газа на поверхности твердых частиц способствует увеличению их гидрофобности. Для создания эффекта разделения флотацией в этом случае требуется присутствие повышенной степени насыщенности воды пузырьками или значительного количества газа, растворенного в ней. При значительном повышении концентрированности примесей затраты воздуха снижаются, так как при этом возрастает способность к сталкиванию и прилипанию пузырьков воздуха и частиц.
7. Важную роль играет величина пузырьков в самом процессе флотации. Масса частицы не может быть выше силы прилипания ее к пузырьку и подъемной мощности пузырьков. Размерный ряд частиц, подвергающихся удачному процессу флотации, находится обычно в диапазоне 0,2 − 1,5 мм и зависит от плотности материала. Поэтому, чаще всего в процессах флотационного обогащения, применяются многочисленные пенообразователи, снижающие на поверхности энергию раздела фаз.

Флотацию используют для очистки сточных вод различных производственных предприятий:

• нефтеперерабатывающей,
• целлюлозно-бумажной,
• кожевенной,
• пищевой,
• машиностроительной,
• химической промышленности.

Флотацию применяют для выделения активного ила в процессе биохимической очистки.

Положительными свойствами флотации становятся:

1. постоянство процесса;
2. обширны диапазон использования;
3. не высокие вложения капитального и эксплуатационного характера;
4. легкость в использовании аппаратуры;
5. разделительный характер использования примесей;
6. убыстренный процесс по сравнению с отстаиванием;
7. вероятность выхода шлама с пониженной влажностью (90 − 95 %);
8. отличный процесс очистки (95 − 98 %);
9. способность к рекуперации удаляемых веществ.

Флотация способствует аэрации сточных вод, понижает концентрацию ПАВ и просто окисляющихся веществ, бактерий и микроорганизмов. Это помогает отличному проведению последующих степеней очистки. Значительные отличия в способах флотации связываются с насыщением жидкости пузырьками воздуха нужной степени плотности. Выделяют такие способы обработки сточных вод:

• флотация с выделением из раствора воздуха;
• флотация с автоматическим диспергированием воздушных масс;
• флотация с возможностей подавать воздух через губчатые материалы;
• электрическая флотация;
• химическая и биологическая флотация.

Флотационные установки могут быть как одно-, так и двухкамерными.

1. В установках с одной камерой выходит совместное насыщение жидкости частичками воздуха и высвобождение флотирующихся загрязнений.
2. В установках из двух камер происходят появление пузырьков воздуха и основ «пузырек-частица» и высвобождение шлама (пены) и осветление жидкого вещества.

Одним из лидеров среди производителей флотационных систем является Найхаус Вотер Технолоджи Б.В.

Этот производитель использует высококачественные коррозионно-стойкие материалы, его изделия обладают относительно небольшими габаритами при той же, или даже большей пропускной способности, чем многие из аналогов, снабжены системами сбора, и удаления осадка, а также функциями настройки уровня воды, и скребкового механизма.

Флотационные системы Nijhuis Water Technology можно разделить на три вида: