Что такое флотация

Проф. Ю. ХОДАКОВ

Природные сокровищницы не неистощимы. Черпая из них, мы уже проглядываем их дно. В капиталистическом обществе по отношению к природным богатствам господствовала система «снимания сливок». Полноценная руда использовалась, руда же, недостаточно богатая полезным минералом, беспощадно выбрасывалась в отвал. И только в конце XIX столетия, когда стал уже ощущаться недостаток минерального сырья, на очередь была поставлена задача использовать бедные руды, предварительно обогащая их ценным минералом. Наибольшее значение приобрел при этом способ обогащения руд путем флотации или всплывания.

*

В 80-х годах прошлого столетия одна американская учительница, стирая мешки из-под измельченной медной руды, заметила, что появившаяся на поверхности воды масляная пленка несет на себе частицы сернистых медных минералов, в то время как частицы пустой породы не удерживаются на поверхности воды и падают на дно.

Всякий может повторить этот опыт, воспользовавшись обыкновенной тонкой иголкой. Для этого нужно слегка потереть ее пальцами, отчего на поверхности иголки образуется тонкий слой жира, и, положив на кусочек пропускной бумаги, поместить на поверхность воды. Бумага намокнет и потонет, а иголка, вопреки ожиданию, останется плавать на поверхности воды. Посмотрев внимательнее, можно, однако, заметить, что иголка не погружена в воду, а как бы покоится на слегка прогнувшейся упругой поверхностной пленке воды: жир не смачивается водою, он, как говорят, гидрофобен.

В том виде, в каком флотация осуществлялась в корыте наблюдательной учительницей, она не представляла практического интереса, так как была сопряжена с большим расходом масла. Иное дело, если бы можно было вместо масла использовать какие-либо другие вещества, способные обволакивать частицы полезных минералов «гидрофобными» пленками малой толщины.

Итак, дело было за химией. Прошло значительное время прежде, чем удалось найти нужные вещества — флотореагенты, дающие высокую флотационную производительность при значительном расходовании. Такие вещества были найдены, и флотационная машина заняла в металлургии прочное место.

*

Флотационная машина представляет собою корыто, в которое топко измельченная руда загружается вместе с водою и флотореагентами. Путем сильного перемешивания с воздухом в этом корыте образуется пена, выносящая на себе частицы полезного минерала. Пена снимается скребками и направляется по желобам на сгущение, фильтрацию и, если нужно, сушку. Таким образом получается «концентрат», который по сравнению с исходной рудой обогащен полезным минералом в несколько десятков раз.

Шлиф руды; темные зерна — полезный минерал, светлый фон —  пустая порода

Флотироваться способны непосредственно даже без добавки флотореагентов лишь такие минералы, которые сами по себе плохо смачиваются водою — минералы «водоотталкивающие» или гидрофобные. К ним относятся многие сернистые руды цветных металлов: меди — халкопирит, цинка — сфаларит, свинца — галенит, молибдена — молибденит и некоторые другие. К нефлотирующимся минералам, «водопритягивающим» или гидрофильным, принадлежит большинство «пустых» пород: кварц, кальцит, различные силикаты и «окисленные» минералы. «Окисленная» разновидность медной руды — малахит — и фосфорная руда — апатит — также являются гидрофильными минералами и не способны поэтому флотироваться в натуральном состоянии. Но при помощи органических и неорганических реагентов мы можем по произволу усилить или ослабить гидрофобность и гидрофильность различных минералов и даже превратить гидрофильность в гидрофобность, и наоборот. Таким образом почти всякая руда после изучения ее составных частей и разумного выбора флотореагентов может подвергаться обогащению в современной флотационной машине, и деление руд на «богатые» и «бедные» утрачивает для металлургии первоначальную остроту.

*

Процесс флотации можно хорошо усвоить, представив себе ярмарочный воздушный шар, готовящийся к пуску в присутствии толпы зрителей. Воздухоплаватель, одетый в яркую одежду, входит в корзину, наряд милиции оттесняет наиболее неосторожных зрителей, веревки отпускаются, и шар вместе с воздухоплавателем устремляется ввысь. Эта небольшая картинка очень напоминает сущность того, что происходит в процессе флотации. С шаром можно сопоставить воздушный пузырек, поднимающийся во флотационном чане. Роль воздухоплавателя играет прицепившаяся к нему частичка полезного минерала. Зрители — это частицы нефлотирующихся минералов, «пустой породы». С нарядом милиции, отгоняющей зрителей от шара, можно сравнить особые вещества, добавляемые в флотационную пульпу для того, чтобы они помешали воздушным пузырькам увлечь нежелательные минералы. Чтобы подъем совершился, оболочка нашего «воздушного шара» или воздушного пузырька должна быть достаточно прочной, точно так же как и «веревки», скрепляющие воздушный пузырек с флотирующейся частичкой. Иначе, поднявшись на поверхность, пузырек воздуха лопнет и сбросит вниз «воздухоплавателя» — увлеченную частичку полезного минерала, или же последняя сама собой оторвется еще прежде, чем пузырек достигнет поверхности.

Поперечный разрез машины "Mineral Separation". Руда всасывается из корыта 1, посредством двухлопастного винта 2, и перемешивается с вспенивателем в помещении 3, Пена поступает через отверстие 4 в ящик 5, в котором происходит осаждение

Эти две функции при флотации выполняют, с одной стороны, вспениватели, с другой — коллекторы. Если во флотационную машину добавлен один коллектор, создается прочная связь между частицами флотируемого минерала и пузырьками воздуха, но пузырьки на поверхности лопаются, и частички падают вниз. Если, наоборот забыли добавить коллектор, минеральные частицы вообще не будут сцепляться с пузырьками воздуха и увлекаться вверх. Ни в том, ни в другом случае мы не достигнем цели. Наши воздушные шары имеют либо слишком непрочную оболочку при хорошей оснастке, либо, наоборот, прочную оболочку, но плохую оснастку.

Если же присутствуют и вспенитель и коллектор, то частицы успешно увлекаются вверх, и, кроме того, пузырьки воздуха, поднимаясь на поверхность, не лопаются, а скопляются в виде обильно «минерализованной», т. е. насыщенной захваченными частицами пены, которую остается снимать, как пенки с варенья.

Частичка полезного минерала внедряется в воздушный пузырек, а частичка пустой породы остается в пульпе. На рис. изображены четыре последовательных момента образования минерализованного пузырька

*

Теперь посмотрим, что представляют собой вещества, из которых создается «оболочка» флотационного пузырька и крепление его с минеральными частицами.

В качестве «вспенителя» повсеместно применяется «сосновое масло». Это вещество получается наряду с канифолью и скипидаром при обработке бензином сосновой щепы. В скипидаре кустарного производства ценные для обогатительной техники вещества содержатся в виде примеси и снижают его стоимость. Но если сырой скипидар подвергнуть обработке (очистке) на скипидароочистительных заводах, то, во-первых, повышается ценность самого скипидара, а, кроме того, при этом получается некоторое количество флотационного масла.

Кроме указанного, естественными источниками флотореагентов являются смолы — каменноугольные, торфяные, сланцевые и древесные, добываемые посредством сухой перегонки всевозможных ископаемых и растительных органических материалов. К числу этих источников относятся, наконец, жиры, расщепление которых дает олеиновую кислоту — прекрасный коллектор для руд, содержащих окисленные минералы, каков, например, хибинский апатит. Смолистые флотореагенты, обладая сложным составом, содержат одновременно вещества, пригодные и для «оснастки» и для «оболочки» флотационного пузырька, иначе говоря, проявляют одновременно и вспенивающее и коллекторное действие.

Однако и на этом поприще, как и на многих других, соревнование лаборатории с природой имело значительные успехи и привело к изобретению ряда искусственных флотореагентов, по своему действию значительно превосходящих естественные. Уверенное и сознательное движение вперед здесь подготовлено развившейся в последнее время новой отраслью научной теории — физикой и химией поверхностных явлений.

Как всегда, практика здесь предшествовала теории. С глубокой древности известно, что масло, пролитое на поверхность воды, распространяется по ней тончайшим слоем и изменяет ее свойства. В частности, ветер как бы скользит по ней, не вздымая волн. Этот способ «укрощения бури» постоянно применялся моряками и приморскими жителями в открытом море в минуты опасности, при вводе кораблей в устья рек и при ловле жемчужных раковин, если зыбь мешала высматривать их на мороком дне. Но только недавно «укрощение бурь» воспроизведено в лабораторной обстановке, и выяснены его причины. В масле содержатся в большом количестве так называемые поверхностно активные вещества, молекулы которых, попадая в воду, стремятся сосредоточиться на ее поверхности.

К поверхностно-активным веществам принадлежат прежде всего органические кислоты и спирты. Чтобы понять, с какими особенностями молекулярного строения связано появление поверхностной активности, вспомним, как построена молекула любой органической кислоты. Она несколько напоминает личинку комара. Карбоксильная группа СООН соответствует голове, углеводородная цепочка, сцепленная с нею, — это «хвост».

Карбоксильная группа обладает резко выраженными гидрофильными свойствами, «сродством» к воде, в то время как углеводородная часть столь же резко гидрофобна. Всякий, кто пытался отмывать без мыла керосин с рук, знает, как велика в действительности «антипатия» между водой и углеводородами: вода лишь скользит по керосиновой пленке, не задерживаясь на ней и не увлекая керосина. Будет ли органическая кислота растворяться или нет, т. е. будут ли ее молекулы, раздираемые столь противоречивыми стремлениями, втягиваться в воду, зависит от того, что возьмет верх: «влечение» к воде карбоксильной группы атомов или противодействие углеводородного «хвоста». Низшие кислоты — муравьиная, уксусная — растворяются легко: в них углеводородная часть еще слишком слаба, чтобы воспрепятствовать растворению: высшие кислоты, в молекулах которых углеводородная часть значительно преобладает, представляют пример веществ, совершенно нерастворимых. Но как будут вести себя кислоты, в которых тенденции карбоксильной группы: растворяться и углеводородной — противодействовать этому —  приблизительно уравновешены? Молекула поднимается на поверхность воды и, оставляя свою карбоксильную «голову» в воде, выставляет наружу углеводородный «хвост». Мы имеем дело с веществом, поверхностноактивным по отношению к границе вода— воздух. При этом выступающие на поверхность воды молекулы смыкаются в совершенно плотный слой, хотя по толщине этот слой равен длине хвоста одной молекулы. Подобными слоями молекул мыла, «молекулярными частоколами», изнутри и снаружи одета оболочка мыльных пузырей; между ними, как в перчатке, заключена вода; но эта тончайшая водная прослойка совершенно исчезает в круглых темных пятнах, появление которых является признаком, что пузырь сейчас лопнет. Зная длину наших цепочкообразных молекул, легко при помощи элементарной геометрии вычислить, какую поверхность воды покроет грамм вещества из таких молекул, или какой объем пены оно может образовать. Эти расчеты совпадают с опытом.

Таким образом мы познакомились с устройством «оболочки» наших флотационных воздушных шаров и более или менее осведомлены, из каких «материалов» она может быть построена и с какими особенностями молекулярного строения «вспенивших веществ» связано ее образование.

*

Рассмотрим теперь строение молекулы коллектора-флотореагента, на который возлагается при флотации та же роль, которую в воздушном шаре играет веревочная оснастка. Наиболее употребителен в флотационной технике в качестве коллектора ксантат. Это искусственный флотореагент, продукт созидающей химии. В его молекуле также легко распознать «гидрофобную» часть; она представлена углеводородной цепочкой, присоединенной к центральному углеродному атому через кислород. Имеется также в молекуле ксантата гидрофильная часть в виде группы SH или сульфоксила. Но в отличие от молекул органических кислот здесь имеется также нечто навое, а именно — атом серы, — элемента, известного своим чрезвычайным сродством к металлам, в частности как раз к тем, руды которых особенно нуждаются в обогащении. Если продолжить сопоставление минерализированного воздушного пузырька, поднимающегося в флотационной машине, с воздушным шаром, то атом серы в молекулах ксантата в «оснастке» флотационных пузырьков представляют собою как раз те «крючки», за которые зацеплена «воздухоплавательная корзинка». Нам остается сочетать детали в единую картину.

Схема молекулы ксантата (коллектор), мерные кружки — атомы углерода, белые большие — кислорода, белые малые — водорода, заштрихованные — атомы серы

На нашем рисунке изображен поднявшийся на поверхность минерализированный пузырек воздуха, как он представляется немецкому ученому Оствальду. При флотации молекулы коллектора устремляются к частицам полезного минерала, прицепляясь к ним своими молекулярными «крючечками», атомами серы, а молекулы вспенивателя — к пузырькам воздуха. При встрече воздушного пузырька с минеральной частицей, эта частица прорывает оболочку пузырька и повисает на ней, удерживаемая «спасательным поясом» из молекул коллектора. На рисунке, представляющем разрез минерализированного пузырька, изображены лишь две коллекторные молекулы из этого пояса, — справа и слева. Так как оба флотореагента — коллектор и вспениватель расходуются лишь на образование слоев молекулярной толщины, расход их очень мал. Так, ксантата затрачивается всего от 60 до 900 граммов на тонну руды.

Так образуется пена

Явления природы всегда сложнее, чем наши первые гипотезы, первые попытки уяснить их.

И во флотации еще многое остается загадочным; но все же «тот, кто понял физическую основу мыльного пузыря, владеет главной тайной флотации», — этого прекраснейшего из завоеваний новейшей техники.