Файл: Глембоцкий В.А. Флотация учебник.pdf

t

и кальция соответственно уменьшению ионных радиусов указанных катионов [88].

Минералы, поверхность которых характеризуется полярными связями, активно взаимодействуют с водой и поэтому обладают слабо выраженными природно-флотационньтми свойствами. Однако способность минералов смачиваться водой является их относитель­ ным свойством и должна оцениваться при сопоставлении одних минералов с другими.

С этой точки зрения важное значение имеет доля ионной и ковалентной связи (степень ионности или степень ковалентности) в поляр­ ной ненасыщенной связи на поверхности каждого из сравниваемых минералов. Показано, что с увеличением доли (степени) ионной связи в полярной связи повышается активность минерала к воде и, следовательно, снижается при прочих равных условиях есте­ ственная флотируемость минерала. Наоборот, уменьшение степени ионности в полярной связи (возрастание степени ковалентности

вэтой связи) приводит к ухудшению смачиваемости минерала водой,

т.е. к повышению его флотируемое™. Так, по расчетам Р. Ш. Шафеева, использовавшего формулу Полинга, доля ионной связи для

некоторых сульфидов составляет BaS — 47,3%; ZnS — 2 2 , 1 % ; PbS — 19,7%; FeS — 14,8%; CuS — 6,8%: Известно, что сернистый барий настолько активно взаимодействует с водой и, гидрофилизуясь, переходит в растворенное состояние, образуя ионы, что его применяют в качестве реагента-сульфидизатора при флотации окис­ ленных минералов цветных металлов. Учитывая высокий процент ионной связи в сульфиде бария, эти его свойства становятся понят­ ными. Известна также слабая флотируемость неактивированного сульфида цинка по сравнению с галенитом и тем более с малоокисленным пиритом, или с CuS. Достаточно заметное окисление сульфидов, ведущее к образованию в их поверхностных слоях кислородсодержа­ щих анионов (или окислов) приводит к повышению удельного веса в них ионной связи и снижает их флотируемость.

Известно, что ионная связь (в противоположность ковалентной) не обладает направленностью в пространстве, но является в то же время ненасыщаемой (так, например, в кристалле хлористого натрия каждый ион натрия связан с шестью ионами хлора). Мы полагаем,, что указанные специфические особенности ионных связей по сравне­ нию с ковалентными, обеспечивая наиболее благоприятные условия взаимодействия минерала с водой, которое не ограничивается напра­ вленностью в пространстве и насыщаемостью, свойственными кова­ лентной связи, как раз и может служить объяснением увеличения смачиваемости минералов при увеличении в их решетке доли ионнойсвязи.

С точки зрения природы и характера процесса взаимодействия воды с минералами становится вполне понятной более легкая флоти­ руемость сульфидных минералов по сравнению с минералами-окис­ лами или минералами, имеющими в своем составе кислородсодержа­ щие анионы.

24

В минералах с кислородсодержащими анионами ионная связь выражена значительно сильнее, чем в сульфидах. По этой причине диполи воды на поверхности сульфидов будут закрепляться менее прочно, и дегидратация поверхности такого сульфида, как например галенит PbS, при взаимодействии его с гидрофобизирующим реаген­ том будет происходить значительно легче, чем у церуссита РЬС0 3 *, который, как известно, флотируется значительно труднее, чем гале­ нит, требуя в большинстве случаев предварительной сульфидизации.

Пониженное сродство сульфидных минералов к воде по сравнению с минералами, имеющими в своем составе кислород или кислород­ содержащие анионы, хорошо обнаруживается из сопоставления данных, характеризующих избирательное смачивание тех и других минералов водой в среде бензола. Данные, приведенные в табл. 1, показывают, что сульфиды преимущественно смачиваются бензолом по сравнению с водой (краевые углы смачивания больше 90°), в то время как минералы с кислородсодержащими анионами избирательно смачиваются водой в среде бензола (разумеется, здесь, как и всегда, краевые углы отсчитывались в сторону водной фазы).

Т а б л и ц а 1 Краевые углы смачивания (капля воды на минерале в среде бензола)

Структура и устойчивость гидратных слоев воды, влияющая на смачиваемость минерала, определяется не только природой и энер­ гетическим состоянием поверхности минерала, но не в меньшей степени зависит и от состояния воды. Наши совместно с Ю. П. Ере­ миным исследования показали, что в области температур, близких к нулю (например, при 4—10° С), способность воды смачивать отдель­ ные минералы резко снижается. Особенно заметно это снижение для тех минералов, которые в обычных условиях хорошо смачи­ ваются водой. Так, например, кварц, являющийся классическим гидрофильным минералом, полностью смачивающийся водой в обыч­ ных условиях (краевой угол равен нулю), образует при использова­

* Энергия связи диполей воды с поверхностью минералов, имеющих в своем составе кислородсодержащие анионы, ввиду значительной гидратации послед­ них велика.

25

и на других минералах. Поскольку вода в твердом состоянии (лед) обладает максимально возможной упорядоченностью молекул по сравнению с водой, взятой при обычной температуре, можно счи­ тать, что при температурах, близких к нулю, в течение определен­ ного времени талая вода сохраняет еще достаточно высокую упоря­ доченность своих молекул. При этом большая часть энергии этих молекул израсходована на их взаимодействие друг с другом, что, естественно, ослабляет их взаимодействие с минералом. В этих условиях можно допустить, что влияние силового поля кристалли­ ческой решетки минерала, которому своим существованием обязана гидратпая оболочка, будет намного слабее, что и должно привести к наблюдавшемуся авторами ухудшению смачиваемости кварца.

Эти необычные свойства талой воды сохраняются ею в течениеопределенного времени и могут иметь важное практическое значение

активность минералов пустой породы, связаны хорошо знакомые, но еще неразгаданные затруднения, возникающие на ряде обогати­ тельных фабрик, использующих в весенний период года талую воду для флотации, и приводящие к расстройству селекции.

В последнее время установлена возможность заметного улучше­ ния селективности флотации, повышения ее скорости и флотацион­ ного извлечения минералов при предварительном воздействии на воду (используемую при флотации) магнитного поля. Магнитная обработка воды осуществляется при пропускании ее через магнитное поле, после чего вода приобретает аномальные свойства, сохраняемые в течение часов и даже суток [111, 112]. Интересные результаты получены в некоторых случаях при применении магнитной обработки водных растворов некоторых флотационных реагентов (молекулы которых способны к мицеллообразованию), причем констатирована возможность подобным образом улучшить взаимодействие этих ре­ агентов с минералами при флотации.

Гипотезы, предложенные для объяснения явлений, происходящих с р и магнитной обработке воды, сводятся их авторами к изменению структуры воды под влиянием магнитного поля, но в последнее время важная роль в этом отводится присутствующим всегда в воде примесям.

§ 4. Растворимость минералов и газов в воде

Взаимодействие воды с минералами, проявляющееся, в частности, в смачивании последних и образовании на их поверхности гидратной оболочки, может приводить также и к растворению минералов. Вследствие того что в состав полезного ископаемого всегда входит несколько минералов, в жидкой фазе флотационной пульпы ввиду некоторого растворения минералов обычно всегда присутствуют определенные количества молекул и ионов, входящих в состав этих минералов.

26

рис. 8, следует, что электрокинетический потенциал всегда соста­ вляет часть термодинамического. Существенным различием между ними является то, что они возникают в различных местах рассматри­ ваемой нами системы: термодинамический потенциал возникает на границе поверхность минерала — жидкость, в то время как электрокинетический — на поверхности скольжения 3—3. Величина дзета-потенциала в значительной степени зависит от концентрации электролитов в растворе, чего нельзя сказать о термодинамическом потенциале. Знак и величина дзета-потенциала устанавливается различными методами. Его величина составляет несколько десятков милливольт (или менее), знак положительный или отрицательный.

Рис. 9. Изменение электрического потенциала в двойном электриче­ ском слое:

а — неизмененный слой кристаллической решетки; б — измененный слой (внутрен­

няя обкладка двойного слоя)

На рис. 9 показано изменение электрического потенциала в двойном электрическом слое и его падение по мере удаления от поверхности минерала в соответствии с ранее принятыми обозначениями.

Необходимо иметь в виду, что электрическое состояние внутрен­ ней обкладки двойного электрического слоя в значительной степени предопределяет и состояние его внешней обкладки и всего двойного слоя в целом, поскольку образование внешней обкладки происходит под влиянием электрического заряда, возникающего во внутренней обкладке.

В условиях флотационной пульпы образование двойного электри­ ческого слоя осложняется тем, что в жидкой фазе пульпы присут­ ствует много различных ионов, природа, заряд, знак заряда и раз­ меры которых определяются сложным минералогическим составом большинства руд, дополняемым ионами солей, входящих в состав поступающей на флотацию воды, а также ионами введенных в про­ цесс флотационных реагентов. Взаимодействие поверхности минерала с этими разнообразными по своим особенностям ионами, адсорбция их на поверхности минерала могут значительно изменить величину электрокинетического потенциала и даже его знак по сравнению с тем случаем, когда в воде находятся лишь частицы какого-либо одного минерала.

Г л а в а I I I

СТРУКТУРНЫЕ И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛОВ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ ФЛОТАЦИИ

§ 1. Неоднородность поверхности минералов

Характерной особенностью минералов, связанной с их генезисом (происхождением), структурой и во многом определяющих резуль­ таты взаимодействия минералов с водой и флотационными реа­ гентами, является неоднородность минеральной поверхности. Впервые важная роль неоднородности поверхности минералов во фло­ тационном процессе была обоснована нашими исследованиями [29], а также в работах М. А. Эйгелеса [248]. В последнее время исследо­ вание влияния неоднородности поверхности минералов на их флота­ ционные свойства с применением микроавторадиографии и других методов, главным образом на основе теории полупроводников, полу­ чило большое развитие в работах И. Н. Плаксина и Р. Ш. Шафеева [177].

Основой неоднородности поверхности минералов являются уже указанные ранее различия в уровнях свободной поверхностной энер­ гии у различных граней одного и того же кристалла, которые по этой причине могут обладать и различной способностью адсорбировать различные соединения из раствора. Адсорбционная активность поверхностных атомов (ионов) минерала также различна и зависит от их положения на поверхности. Так, в случае кубической кристал­ лической решетки (см. рис. 1) атом или ион в положении А (внутри кристалла) затрачивает все свои связи на взаимодействие с сосед­ ними атомами. Атом в положении Б имеет одну ненасыщенную связь, которая может быть использована им для закрепления ре­ агента; атом в положении В характеризуется двумя, а атом в положе­ нии Г — тремя свободными связями, которые могут быть затрачены на взаимодействие с реагентами. Таким образом, атомы (ионы), расположенные в различных участках поверхности, обладают разной способностью взаимодействовать с реагентами. В соответствии с этими представлениями установлено, что при взаимодействии кри­ сталлических тел с растворами реакция начиналась на наиболее активных участках поверхности, а затем уже распространялась на другие, менее активные участки.

Минералообразование является комплексом многочисленных и ма­ лоизученных сложных физических и физико-химических процессов, последовательность, природа и длительность которых в конечном

Развитие в последние годы физики и химии твердого тела и в осо­ бенности физики полупроводников показало, что распределение структурных элементов в кристаллических решетках минералов да-

34