Флотационный метод получения хлористого калия из сильвинита (стр. 2 из 7)
При химической или газовой флотации пузырьки газа образуются в результате химического взаимодействия. Например, к руде, содержащей кальций или магнезит, добавляют серную кислоту или кислую соль. При этом на выделяющихся пузырьках углекислого газа флотируются несмачиваемые минералы.
При флотации кипячением процесс идет за счет образующихся пузырьков пара и пузырьков выделяющегося растворенного газа. Этот процесс применялся некоторое время для обогащения графитовых руд.
Флотационные явления проявляются также при амальгировании, эмульгировании, гидрообеспыливании и др.
В калийной промышленности используется обычная пенная флотация.
3.Термодинамическая вероятность прилипания частиц минерала к пузырькам воздуха.
Агрегаты, состоящие из пузырька воздуха и одной или нескольких частиц минерала, относительно устойчивы. Следовательно, при флотации система переходит из менее устойчивого состояния в более устойчивое. Согласно второму закону термодинамики всякий процесс протекает в сторону уменьшения свободной энергии системы самопроизвольно. Поэтому и при флотации свободная энергия системы уменьшается.
Потенциальная энергия частицы пропорциональна ее весу или объему d3 (d - длина ребра куба). Поверхностная энергия частицы пропорциональна величине ее поверхности d2. При уменьшении размера частиц величина ее потенциальной энергии будет падать быстрее, чем величина поверхностной энергии. Например, при уменьшении диаметра частицы в 10 раз потенциальная энергия уменьшается в 1000 раз, а поверхностная только в 100. Поэтому можно всегда взять столь малую частицу, для которой поверхностная энергия будет намного больше потенциальной. В этом случае потенциальной энергией можно пренебречь.
При флотации свободная энергия является поверхностной энергией на границе раздела фаз: твердое тело - газ, твердое тело - жидкость, жидкость - газ. Тогда запас свободной энергии до прилипания частиц к пузырьку:
 |
где
площадь поверхности раздела фаз; 
-  |
поверхностная энергия на этих же разделах фаз.
Запас свободной энергии системы F2после прилипания частиы к пузырьку, отнесенный к площади прилипания в 1 см2, определяется по следующей формуле:
 |
Уменьшение свободной энергии системы имеет место при условии
 |
На практике пользуются уравнением
 |
где
краевой угол смачиванияИзменение поверхностной энергии системы при элементарном акте флотации, отнесенное к единице площади контакта газ-твердое, называется показателем флотируемости. Видно, что чем больше, т.е. чем гидрофобнее материал, тем лучше идет флотация, так как больше убыль свободной энергии системы.
Таким образом флотация, как и всякий процесс обогащения основана на различиях между свойствами разделяемых минералов, в данном случае - на разнице в удельных поверхностных энергиях. Отсюда и вытекают некоторые особенности флотационного процесса.
4.Главные особенности флотационного процесса.
Первая особенность флотации заключается в том, что в отличие от других методов обогащения, не существует принципиальных ограничений ее использования для разделения любых минералов. Если гравитационными процессами нельзя разделять минералы с одинаковыми или близкими удельными весами, а магнитной сепарацией нельзя обогащать руды, в которых минералы имеют одинаковую или близкую магнитную восприимчивость, то флотация принципиально применима для обогащения любых полезных ископаемых.
Эта универсальность флотационного процесса объясняется двумя причинами:
1.Удельная поверхностная энергия минералов зависит как от их химического состава, так и от строения решетки минералов. Поскольку различные минералы обязательно отличаются один от другого или составом, или строением решетки, то они должны отличаться и по величине поверхностной энергии на границах раздела минерал - газ и минерал - жидкость.
2.Если различие в удельных поверхностных энергиях недостаточно для хорошего разделения минералов, то его можно увеличить нанесением на поверхность минералов тончайших покрытий с помощью реагентов. Например покрытие поверхности сульфидных частиц пленкой ксантогената плотностью 15-30% от сплошного мономолекулярного слоя резко меняет их поверхностную энергию.
При использовании других процессов различия между свойствами минералов (например разницу в удельных весах разделяемых минералов или разницу в магнитной восприимчивости) нельзя увелить простыми и дешевыми средствами.
Практика подтверждает положение с принципиальной возможности применения флотации для разделения любых минералов.
Вторая особенность флотационного способа - возможность применения его только для разделения мелких частиц, у которых потенциальная энергия значительно меньше поверхностной. Обычной пенной флотацией полезные минералы с плотностью больше 5 г/см3 практически не флотируются при крупности зерен, превышающей 0.2-0.3 мм. Минералы с малой плотностью (каменный уголь, самородная сера) при пенной флотации могут флотироваться при крупности до 0.6 мм. В специальных флотационных процессах крупность флотируемого материала может быть значительно повышена. Так, при обогащении калийных сильвинитовых руд крупность частиц крупнозернистого концентрата находится в пределах от 0.3 до 0.8 мм.
Средний состав сильвинитовых руд, % (табл. 1)
таблица 1
| Месторождение | KCl | NaCl | MgCl2 | CaSO4 | н.о. | H2O |
| Верхнекамское | 25,5 | 68,3 | 0,3 | 1,9 | 2,3 | 0,6 |
| Старобинское | 22,2 | 67,8 | 1,4 | 1,6 | 6,7 | 0,6 |
Однако нужно отметить, что состав руд отдельных участков, в частности Верхнекамского месторождения, иногда значительно отличается от приведенных данных.
Сильвин KCl в калийных рудах встречается в виде молочно-белых кристаллов, чаще он имеет янтарно-желтую окраску и все оттенки красно-бурых тонов.
Хлорид магния в сильвинитовой руде входит в состав карналлита. Кристаллы карналлита содержатся в виде разностей от полупрозрачного до желтого и краснобурого цвета.
В отличие от сильвинитовых руд других месторождений для руд Старобинского месторождения характерно повышенное (до 13%) содержание карбонатно-глинистых включений.
Нерастворимый остаток относится к полидисперсным системам: большая часть его (40-60%) представлена фракцией –0.01+0.001 мм, количество глинистой фракции с размером частиц менее 0.001 мм составляет 13-20%. Составляющие остаток породы всегда содержат карбонаты, преимущественно доломитовые и относятся к доломитовым мергелям и глинам, иногда встречаются разности с избытком кальция (Верхнекамское месторождение):
таблица 2
| Cоставляющие нерастворимого остатка | % |
| SiO2 | 38,5-45,0 |
| Al2O3 | 10,5-12,5 |
| Fe2O3 | 4,4-4,9 |
| TiO2 | 0,7-0,9 |
| CaO | 9,0-19,1 |
| MgO | 6,5-9,1 |
| SO3 | 0,1-3,5 |
| CO2 | 13,0-17,8 |
При дальнейших расчетах мы будем пользоваться данными, полученными для Верхнекамского месторождения.
Бром – постоянный элемент всех солевых месторождений, так как входит в состав морской воды и при ее концентрировании распределяется между рассолом и выпадающими в осадок солями. Причем бром, как обычно, изоморфно замещает хлор в минералах. Содержание брома в сильвинитовых рудах Верхнекамского месторождения изменяется от 0.04 до 0.08%. Количество лития в рудах составляет 1.1×10-4 – 5.5×10-3%.
Имеющая в калийных рудах газы (водород, метан, некоторые предельные углеводороды, сероводород, двуокись углерода, азот и др.) находятся в двух формах: микрогазоносной, обусловленной наличием газов в кристаллах солей, и макрогазоносной, связанной с нахождением относительно больших количеств газов в макротрещинах, кавернах и различного рода полостях соленосных руд.
При получении хлорида калия методами обогащения следует учитывать и некоторые другие свойства сильвинитовой руды:
1) Объемный вес руды 2.10 т/м3;
2) Коэффициент разрыхления:
первоначальный 1.3-1.45
остаточный 1.1-1.2;
3) Максимальную крупность кусков до 150 мм;
4) Насыпной вес руды после дробления 1.4-1.6 т/м3.
Твердость некоторых минералов указана в таблице 3.
таблица 3
| Минерал | Номер по шкале твердости | Минерал | Номер по шкале твердости |
| Тальк | 1 | Апатит | 5 |
| Сильвин | 1.5-2 | Пирит | 6-6,5 |
| Галит | 2 | Кварц | 7 |
| Карналлит | 2-3 | Корунд | 9 |
| Кальцит | 3 | Алмаз | 10 |
Ниже приведены пределы прочности на сжатие для некоторых горных пород и минералов, а также для составляющих сильвинитов руды Верхнекамского месторождения калийных солей:
таблица 4
| Горные породы, минералы | Предел прочности | Горные породы Верхнекамского месторождения | Предел прочности |
| Базальты | 20-30 | Березниковский участок | |
| Медная руда | 11-26 | Сильвинит Кр.П | 3,58 |
| Кварциты | 20-22 | Сильвинит АБ | 2,72 |
| Граниты | 12-18 | Карналлит В | 3,07 |
| Магнитный железняк | 8-18 | Галит | 3,54 |
| Мрамор | 5,5-15 | Дурыманский участок | |
| Бурый железняк | 4-12 | Сильвинит Кр.П | 2,83 |
| Известняки | 4-10 | Сильвинит АБ | 2,22 |
| Песчаник | 3,4-10 | Галит | 3,08 |
| Сфалерит | 1 | Балаховцевский участок | |
| Галенит | 0,45 | Сильвинит Кр.П | 2,24 |
| Сильвинит АБ | 1,9 | ||
| Галит | 2,65 | ||
Поскольку продукт обогащения сильвинитовых руд – хлорид калия является конечным продуктов процесса и не подвергается дальнейшим превращениям, то основным требованием на стадии измельчения является равномерность зерен. Эта задача лучше может быть решена при измельчении в стержневых мельницах (табл.5)