Исследование гранулометрического состава тонкодисперсных минеральных продуктов
А.Б. Палкин, к.т.н., Г.Ю. Гольберг, к.т.н., ФГБУН ИПКОН РАН (Москва)
Кодной из важнейших характеристик минерального сырья и продуктов его обогащения относится гранулометрический состав твёрдой фазы. Информация о распределении частиц по крупности необходима на этапе технологического проектирования (для прогнозирования технологических показателей разделительных процессов, выбора наиболее эффективного оборудования и определения оптимальных значений режимных параметров), а также для оценки эффективности разделительных технологий на действующих предприятиях. Специфика процессов обогащения минерального сырья требует особого внимания к гранулометрическим характеристикам тонкодисперсных материалов (необогащенных шламов, концентратов и отходов флотации), поскольку доля частиц микронной и субмикронной крупности оказывает существенное влияние на технологические показатели процессов обогащения, классификации, сгущения и обезвоживания.
Ниже рассмотрены современные методы дисперсионного анализа, получившие наибольшее распространение в исследовательской практике.
Ситовый анализ [1] – заключается в разделении исследуемого материала на отдельные классы по крупности при помощи набора сит с различными размерами отверстий. Метод позволяет определять физико-химические характеристики отдельных классов крупности. Нижний предел измерений – 40 мкм.
Седиментационный анализ [2] – позволяет определить диаметр частиц твёрдой фазы в зависимости от скорости их осаждения в дисперсионной среде по закону Стокса. Аппаратурное оформление метода весьма разнообразно: торсионные весы; весы Фигуровского; седиментометр Вигнера; ультрацентрифуги. В последнее время получили распространение седиментографы [3]. Недостатки седиментационных методов заключаются в искажении результатов измерений вследствие агрегации частиц, а также в значительных затратах времени на анализ систем, содержащих субмикронные частицы.
Оптическая микроскопия – широко применяется для дисперсионного анализа порошков и суспензий с диаметром частиц от 1 до 300–400 мкм. Цифровая обработка изображения позволяет определить не только размеры, но и параметры, характеризующие форму частиц. Для дисперсионного анализа суспензий требуется предварительная обработка с целью предотвращения образования агрегатов.
Электронная микроскопия – применяется для исследования частиц крупностью менее 1 мкм и требует выполнения весьма трудоёмких операций по подготовке проб исследуемых материалов к измерению.
Турбидиметрия и нефелометрия [4] – основаны на рассеянии лучей света в дисперсных системах, содержащих частицы крупностью менее 1 мкм. Существенным недостатком данных методов является низкая точность измерений. Лазерная дифракция – Метод основан на зависимости величины угла отклонения лазерного луча от диаметра частицы [5]. Диапазон крупности исследуемых частиц – от 0,3 до 300 мкм. Измерение осуществляется в циркулирующем потоке суспензии при постоянном перемешивании.
По нашему мнению, последний из описанных методов является наиболее эффективным для исследования гранулометрических характеристик тонкодисперсных продуктов обогащения, содержащих частицы микронной и субмикронной крупности, благодаря высокой точности, широкому диапазону измерений, малой трудоемкости, возможности исследования пробы без предварительной подготовки и отсутствию погрешностей, обусловленных агрегацией частиц.
Ранее было показано, что увеличение электрохимической активности сульфидов при измельчении связано с ростом удельной поверхности, имеющей важнейшее значение для флотации [6]. Для халькозин-борнитовой смеси методом лазерной дифракции было установлено, что частицы диаметром менее 5 мкм, занимая ничтожную долю в объеме измельченного минерала, обладают значительной поверхностью. При среднем размере частиц в смеси 134,2 мкм (и нормальном распределении) доля поверхности, приходящаяся на частицы диаметром менее 5 мкм, превысила 30%.
Определение гранулометрического состава шлама и продуктов флотации углей, содержащих частицы микронной и субмикронной крупности, показало возможность прогнозирования результатов флокуляции данных продуктов.
Исследования проводили с пробами суспензий необогащённого угольного шлама, а также продуктов обогащения: концентрата и отходов флотации. Гранулометрический состав твёрдой фазы определяли методом лазерной дифракции. Дифференциальные кривые распределения частиц исследованных продуктов по крупности представлены на рис. 1, причём интервал разбиения по оси абсцисс был принят равным 0,1 мкм.
Количество частиц ni для каждого i-го узкого класса крупности рассчитывалось по формуле:
где mi – масса i-го класса крупности; ρ – плотность частиц; dcp – средний диаметр частиц i-го класса крупности.
На рис. 2 представлено распределение количества частиц шлама, концентрата и отходов флотации по классам крупности (в пересчёте на 1 г пробы).
Как можно видеть на рис. 1, в твёрдой фазе исследованных отходов флотации содержится 5,2% (по массе) частиц крупностью менее 1 мкм; наибольший выход соответствует классу 1–2 мкм. В соответствии с данными, представленными на рис. 2, количество частиц крупностью менее 1 мкм в исследованной пробе составляет 2,4M1014 на 1 г, т.е. около 99,0% от общего количества частиц.
Полученные данные по гранулометрическому составу отходов флотации позволили предположить возможность раздельного по времени образования агрегатов ортокинетической (крупность частиц свыше 1 мкм) и перикинетической (частицы субмикронной крупности) флокуляции, поскольку, согласно [7], суммарное время адсорбции полимера и образования флокул по второму механизму значительно больше, чем по первому.
Результаты опытов по осаждению исследованных суспензий с применением флокулянта позволили установить следующее:
- частицы крупностью свыше 1 мкм образуют флокулы диаметром 200–1000 мкм в течение 3–5 с; скорость осаждения – до 6 мм/с.
- для субмикронных частиц время образования флокул составило 600–900 с; скорость осаждения – не более 0,5 мм/с; в отличие от агрегатов ортокинетического процесса, образуются флокулы, состоящие из одной макромолекулы полимера и нескольких десятков частиц.
Концентрат флотации содержит значительно меньше частиц субмикронной крупности по сравнению с отходами флотации (1,2% против 5,2% по массе, см. рис. 2); по количеству – 98,4% против 99,0%. Наибольший выход по массе соответствует классу 3–5 мкм. Принимая во внимание агрегативную неустойчивость суспензии угольных частиц [8], логично предположить, что последние могут самопроизвольно образовывать агрегаты за счёт коагуляции (по ортокинетическому механизму), а добавление флокулянта приводит к их укрупнению. Другими словами, образуются флокулы второго порядка, по структуре, в общем, аналогичные агрегатам ортокинетической флокуляции отходов флотации, причём частицы субмикронной крупности захватываются данными флокулами. Это подтверждено результатами исследования методом оптической микроскопии.
Необогащённый шлам, как видно на рис. 2 и 3, по своей гранулометрической характеристике занимает промежуточное положение между отходами и концентратом флотации.
Выход частиц крупностью менее 1 мкм составляет 3,3% по массе и 98,7% по количеству. Твёрдая фаза шлама содержит угольные частицы с нижним пределом крупности 15–20 мкм; более мелкие частицы представляют собой промежуточную фракцию (сростки, вкрапления), а также породу (в основном – глинистые минералы). Следовательно, при флокуляции шлама угольные частицы будут сравнительно быстро агрегироваться по ортокинетическому механизму. Частицы промежуточной фракции и породы крупностью свыше 1 мкм будут образовывать флокулы по аналогичному механизму, но с меньшей скоростью. Через относительно большой промежуток времени частицы породы субмикронной крупности образуют агрегаты по перикинетическому механизму. Таким образом, зная скорость осаждения флокул различной природы, можно осуществлять отбор низкозольной угольной фракции, другими словами, разделять шлам на угольную и породную фракции путём селективной флокуляции. Возможность реализации данного процесса подтверждена экспериментально [9].
Выводы
Методом лазерной дифракции определены гранулометрические характеристики необогащённого шлама, концентрата и отходов флотации углей. Установлено, что выход частиц крупностью менее 1 мкм составляет 1,2–5,2% по массе и 98,4–99,0% по количеству.
Результаты опытов по флокуляции отходов флотации позволили выявить различия в скорости образования и в строении флокул частиц микронной и субмикронной крупности. Установлено: частицы концентрата флотации как микронной, так и субмикронной крупности принимают участие в образовании флокул по ортокинетическому механизму; необогащённый угольный шлам может быть разделён на угольную и породную фракции путём селективной флокуляции.
Список использованых источников:
1. ГОСТ 209382. Топливо твёрдое. Ситовый метод определения гранулометрического состава.
2. Ходаков Г.С., Юдкин Ю.П. Седиментационный анализ высокодисперсных систем. – М.: Химия, 1981. – 192 с.
3. Коузов П.А., Скрябина Л.Я. Методы определения физикохимических свойств про мышленных пылей. – Л.: Химия, 1983. – 143 с.
4. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные систе мы. Учебник для вузов. – 2е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1988. – 464 с.
5. ISO 13320:2009. Particle size analysis – Laser diffraction methods
6. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е. Электрохимия сульфидов: Теория и практика фло тации. – М.: Наука, 1993. – 206 с.
7. Мягченков В.А. и др. Полиакриламидные флокулянты. – Казань: КГТУ, 1998. – 288 с.
8. Рубинштейн Ю.Б., Яровая О.В., Гольберг Г.Ю., Новак В.И. Обоснование применения полиакриламидных флокулянтов для селективного разделения угольных шламов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2011, № 2. – c. 97–102.
9. Новак В.И., Гольберг Г.Ю. Исследование селективной флокуляции тонкодисперсных угольных шламов // Вода: Химия и экология. – 2010, № 4. – c. 9–13.
