Флотация

Флотация — это технологический процесс разделения твёрдых частиц или капель жидкости, основанный на различии их способности удерживаться на поверхности раздела фаз, чаще всего на границе «жидкость — газ». В наиболее распространённом варианте (пенная флотация) измельчённый материал смешивается с водой, в которую подаются пузырьки воздуха. Частицы, обладающие гидрофобными свойствами, прилипают к пузырькам и выносятся ими на поверхность, образуя пену (концентрат), а гидрофильные частицы остаются в воде и удаляются в виде хвостов. Флотация является ключевым методом обогащения полезных ископаемых, а также применяется в водоочистке, химической и пищевой промышленности.

История

Первые научные описания явления прилипания частиц к пузырькам газа относятся к концу XIX века. В 1860 году британский инженер Уильям Хейнс запатентовал процесс отделения серы от руды с использованием масла и воды, который можно считать прообразом масляной флотации. В 1885 году американская изобретательница Кэрри Эверсон получила патент на способ обогащения сульфидных руд с применением масел и кислоты.

Начало промышленной флотации связывают с именем австралийского химика Чарльза Поттера, который в 1901 году предложил метод флотации с использованием пузырьков, образующихся при кипении воды. В 1904 году инженер Фрэнк Элмор усовершенствовал процесс, внедрив подачу воздуха через пористые материалы. В 1906 году американский горный инженер Артур Ф. Таггарт разработал первую промышленную флотационную машину.

В 1910-х годах XX века началось массовое внедрение флотации на медных и цинковых рудниках США (Монтана), Австралии и Южной Африки. В СССР первые флотационные фабрики были построены в 1920-х годах на Урале и в Казахстане для обогащения медных колчеданов. Ключевым этапом стало открытие в 1925 году американским химиком Келлером К. Келлером использования ксантогенатов в качестве собирателей — реагентов, повышающих гидрофобность минералов. Это позволило резко повысить селективность и эффективность процесса.

Физико-химические основы

Флотация базируется на явлении смачивания. Гидрофобные частицы (например, сульфиды, графит, уголь) плохо смачиваются водой, поэтому пузырёк воздуха, столкнувшись с такой частицей, вытесняет с её поверхности водную плёнку и закрепляется на ней. Сила сцепления (адгезии) пузырька и частицы должна превышать силу тяжести частицы, чтобы она могла быть поднята на поверхность.

Роль реагентов

Для управления процессом используются флотационные реагенты, которые делятся на три основные группы:

• Собиратели (коллекторы) — органические вещества, адсорбирующиеся на поверхности целевых частиц и делающие их гидрофобными. Для сульфидных минералов применяют ксантогенаты и дитиофосфаты, для несульфидных (оксиды, силикаты) — жирные кислоты (олеиновая кислота) и их соли, а также амины.
• Вспениватели — поверхностно-активные вещества (сосновое масло, метилизобутилкарбинол, спирты), которые стабилизируют пузырьки воздуха, уменьшая их слияние, и обеспечивают образование устойчивой пены.
• Модификаторы (регуляторы) — реагенты, изменяющие свойства поверхности минералов или среды. Включают активаторы (например, медный купорос для активации сфалерита), депрессоры (известь для подавления флотации пирита) и регуляторы pH (сода, серная кислота).

Классификация методов флотации

По способу создания пузырьков и механизму процесса выделяют:

• Пенная флотация — основной промышленный метод. Воздух диспергируется в пульпе механическими импеллерами (лопастными мешалками) или подаётся через пористые аэраторы.
• Электрофлотация — пузырьки газа образуются при электролизе воды (водород и кислород). Используется для очистки сточных вод от мелкодисперсных загрязнений.
• Вакуумная флотация — пузырьки выделяются из пересыщенного раствора при снижении давления. Применяется для разделения тонких частиц.
• Флотация сжатым воздухом — воздух подаётся под давлением через эжекторы или сопла.
• Масляная флотация — вместо пузырьков воздуха используется масло, к которому прилипают гидрофобные частицы. Исторически первый метод, ныне применяется редко.

По типу разделяемой среды различают флотацию руд (обогащение полезных ископаемых) и флотацию сточных вод (удаление взвешенных веществ, нефтепродуктов, жиров).

Технологическое оборудование

Основным аппаратом является флотационная машина. Конструктивно выделяют:

• Механические флотационные машины — имеют импеллер (ротор), который создаёт разрежение и засасывает воздух, одновременно перемешивая пульпу. Примеры: машины типа «Механобр», «Денвер», «Вемко».
• Пневмомеханические машины — воздух подаётся от внешнего компрессора через аэратор, а перемешивание обеспечивается механической мешалкой.
• Пневматические (колонные) флотационные машины — представляют собой высокие цилиндрические колонны, где пульпа движется сверху вниз, а воздух подаётся снизу через пористые диски или форсунки. Пена собирается в верхней части. Колонные машины обеспечивают более высокую селективность при меньшем расходе реагентов.

Применение в горнорудной промышленности

Флотация является основным методом обогащения большинства цветных и редких металлов. Она применяется для:

• Медных руд — выделение халькопирита, борнита, халькозина. В России крупнейшие флотационные фабрики работают на Норильском промышленном районе (заводы «Норильскникель»), Учалинском и Гайском ГОКах.
• Свинцово-цинковых руд — разделение галенита и сфалерита с использованием селективной флотации (сначала свинцовый концентрат, затем цинковый).
• Золотосодержащих руд — флотация сульфидов, в которых заключено тонкодисперсное золото (например, на фабриках «Полюс Золото»).
• Железных руд — обратная флотация кварца из магнетитовых концентратов (используется на Оленегорском и Ковдорском ГОКах).
• Фосфатных руд — выделение апатита (например, на Хибинских месторождениях в Мурманской области).
• Каменного угля — флотация угольной мелочи (шлама) для получения концентрата.

Применение в других отраслях

• Водоочистка — флотация (преимущественно электро- и напорная) используется для удаления из сточных вод нефтепродуктов, масел, жиров, взвешенных частиц и ионов тяжёлых металлов. Напорная флотация широко применяется на нефтеперерабатывающих заводах и предприятиях пищевой промышленности.
• Пищевая промышленность — флотация применяется в производстве сахара (очистка соков), в виноделии (осветление сусла), в переработке крахмала.
• Целлюлозно-бумажная промышленность — флотация используется для удаления типографской краски из макулатуры (процесс деинкинга).
• Горно-химическая промышленность — флотация калийных руд (сильвинита) для получения хлорида калия.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая селективность: возможность разделения сложных по составу руд на несколько концентратов.
• Возможность переработки тонкоизмельчённого материала (до 0,01 мм).
• Относительно низкая энергоёмкость по сравнению с магнитной сепарацией или гравитацией для тонких классов.
• Пригодность для широкого спектра материалов — от сульфидов до угля и солей.

Недостатки:

• Высокий расход реагентов, многие из которых токсичны (например, ксантогенаты, цианиды для депрессии сфалерита).
• Необходимость тонкого измельчения руды, что требует дополнительных энергозатрат.
• Чувствительность к качеству воды (содержание солей, ионов, органики).
• Образование больших объёмов жидких отходов (хвостов), которые требуют складирования в хвостохранилищах и создают экологические риски.

Экологические аспекты

Флотационные фабрики являются источником загрязнения окружающей среды. Основные проблемы:

• Сбросы хвостовой пульпы, содержащей остатки реагентов, тяжёлые металлы и тонкодисперсные частицы.
• Пыление сухих хвостов при их складировании.
• Загрязнение подземных вод фильтратом из хвостохранилищ.

В России и других странах действуют нормативы по предельно допустимым концентрациям флотореагентов в сточных водах. Современные технологии предусматривают оборотное водоснабжение (повторное использование воды из хвостов) и биологическую очистку сточных вод. В ряде случаев применяются менее токсичные реагенты (например, карбоксиметилцеллюлоза вместо цианидов).

Интересные факты

• Первая в мире флотационная фабрика, работавшая на принципе пенной флотации, была запущена в 1906 году в городе Брокен-Хилл (Австралия).
• В СССР в 1930-х годах были разработаны уникальные флотационные машины «Механобр», которые до сих пор эксплуатируются на многих предприятиях.
• Флотация используется не только для минералов, но и для разделения бактерий, вирусов и даже клеток крови (биофлотация).
• Эффективность флотации может достигать 95–98% для хорошо подготовленных руд.

Источники

• Богданов О. С., Классен В. И., Мельников Н. Н. «Теория и технология флотации руд». — М.: Недра, 1980.
• Абрамов А. А. «Флотационные методы обогащения». — М.: Горная книга, 2012.
• Wills B. A., Finch J. A. «Wills' Mineral Processing Technology». — 8th ed. — Butterworth-Heinemann, 2015.
• ГОСТ Р 57149-2016 «Флотация. Термины и определения».
• Материалы Научно-исследовательского института «Механобр» (Санкт-Петербург).