1 - flotacja

ZAKŁAD TECHNIKI
WODNO-MUŁOWEJ
I UTYLIZACJI ODPADÓW
INSTRUKCJA DO LABORATORIUM
Z UNIESZKODLIWIANIA ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
BADANIE WPŁYWU UZIARNIENIA ORAZ ZAGĘSZCZENIA
KOSZALIN 2016
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESU
W metodzie flotacyjnego wzbogacania wykorzystuje się różnice we własnościach powierzchniowych minerałów, dodatkowo zwiększone przez zastosowanie
substancji powierzchniowo czynnych.
Model jakościowy procesu flotacji jest następujący: ziarna hydrofobowe, słabo
zwilżalne wodą, przyczepione do pęcherzyków powietrza wynoszone są nad powierzchnię mętów flotacyjnych - do piany. Ziarna hydrofilne, dobrze zwilżane przez
wodę - toną.
Dla umożliwienia tworzenia się trwałych w pewnym określonym stopniu pęcherzyków powietrza oraz umożliwienia powstawania zjawiska przyczepiania się do nich
określonych ziarn materiału surowego — wprowadza się do zawiesiny flotacyjnej odczynniki flotacyjne, stanowiące w procesie wzbogacania flotacyjnego istotny czynnik
technologiczny rozdziału kopaliny surowej.
Klasyfikacja odczynników flotacyjnych
Odczynniki flotacyjne ze względu na ich rolę i działanie w procesie flotacji
dzielą się na:
 zbierające (zbieracze),
 pianotwórcze (spieniacze),
 modyfikujące (regulatory).
Odczynniki zbie rające
Zbieracze są to związki organiczne, które gromadząc się na granicy faz ciało
stałe - ciecz, selektywnie zwiększają hydrofobowość powierzchni cząstek mineralnych. Odczynniki zbierające, zwane też kolektorami, można usystematyzować - ze
względu na ich własności jonowe, następująco:
 jonowe:
 anionowe: zawierają grupę:
o tiolową (-SH), np. merkaptany, ksantogeniany, dwutiokarbamlniany,
o karboksylową (-COOH), np. olejan sodu;
o grupę sulfonową (-SO3H),
o siarczanową (-SO3OH),
o fosforanową (-OPO3H2).
 kationowe:
o pierwszo-, drugo-, trzeciorzędowe aminy,
o sole amonowe
o organiczne związki azotowe, w których atom azotu wchodzi w skład struktury cyklicznej, np. pirydyna, chinolina).
 amfoteryczne: np. kwas cetyloaminooctowy.
 niejonowe:
są nierozpuszczalne w wodzie i dlatego są stosowane w postaci emulsji, np.
nafta.
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
2
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
Odczynniki pianotwórcze
Odczynniki te obniżają napięcie powierzchniowe na granicy faz ciecz - gaz,
dzięki czemu zwiększają dyspersję powietrza w mętach flotacyjnych, stabilizują banieczki powietrza i przeciwdziałają ich zlepianiu się, tworzą pianę o właściwej strukturze i czasie trwania piany, współdziałają one w procesie flotacji z odczynnikami zbierającymi.
Odczynniki pianotwórcze dzielą się na:
 kwasowe:
 fenolowe:
o fenol,
o krezole,
o ksylenole.
 alkilo-, arylosulfoniany
 zasadowe:
 ciężkie zasady pirydynowe:
o pirydyna,
o chinolina.
 obojętne:
 odczynniki terpenowe:
o olej sosnowy,
o synpinol,
o terflot: AT-20, AT-60, AT-80.
 alkohole:
o alifatyczne – np. heksanol,
o alicykliczne – np. cykloheksanol,
o wielofunkcyjne – np. alkohol dwuacetanowy.
 etery:
o polietylenoglikole,
o odczynnik typu trójetoksybutanu TEB,
o estry.
Odczynniki modyfikujące
Zadaniem modyfikatorów jest zwiększenie selektywności działania odczynników zbierających.
Aktywatory
Są to związki, których zadaniem jest podwyższenie adsorpcji zbieracza na
powierzchni mineralnej, np: kwas siarkowy i kwas solny służą do usuwania zanieczyszczeń z powierzchni mineralnej.
Depresory
Są to związki, których zadaniem jest utrudnianie adsorpcji zbieracza na powierzchni mineralnej, np.:
 siarczek sodu i inne rozpuszczalne siarczki, głównie dla depresji minerałów
siarczkowych,
 cyjanki we flotacji selektywnej rud siarczkowych,
 chromiany i dwuchromiany dla galeny,
 krzemian sodu (szkło wodne) dla depresji kwarcu i innych typowych minerałów
skały płonnej,
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
3
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH

FLOTACJA
regulatory organiczne nie dysocjujące na jony (np.: krochmal, dekstryny, substancje garbujące i inne) dla depresji minerałów niesiarczkowych.
Regulatory odczynu
Są to związki chemiczne, których zadaniem jest:
 regulowanie stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych,
 stężenia formy jonowej i cząsteczkowej zbieracza, depresora i aktywatora.
 W procesie flotacyjnym stosuje się:
 regulatory zasadowe np.: wodorotlenek sodu, tlenek wapnia, węglan sodowy,
 regulatory kwasowe np.: kwas siarkowy, kwas solny oraz kwas fluorowodorowy.
Jony wodorowe oraz wodorotlenowe adsorbują się na powierzchni ziaren mineralnych, wywołując zmianę ich hydratacji. Jeżeli jony te są potencjałotwórcze dla
danego minerału, to przez ich adsorpcję w podwójnej warstwie elektrycznej następuje zmiana potencjału powierzchni, co wpływa na przebieg flotacji. Regulatory zasadowe wpływają także na stężenie w mętach flotacyjnych jonów metali ciężkich, które
mogą aktywować powierzchnię minerału. Regulatory tworzą z jonami tych metali
trudno rozpuszczalne wodorotlenki, co wywołuje zmianę stężenia jonów w mętach
flotacyjnych.
Peptyzatory i flokulatory
Peptyzatory mają za zadanie uniemożliwić tworzenie się agregatów ziarn minerałów użytecznych z ziarnami minerałów nieużytecznych. Działanie peptyzujące
wykazują elektrolity, przy czym istotne jest, aby jeden z jonów peptyzatora był jonem
potencjałotwórczym w stosunku do minerału peptyzowanego. Najczęściej jako peptyzatora używa się szkła wodnego.
Flokulatory są związkami, których dodanie do mętów flotacyjnych wywołuje
powstawanie większych agregatów z drobnych ziarn. Stosuje się je dla zapobieżenia
tworzenia się pokryć mułowych skały płonnej na ziarnach minerałów. Mają one za
zadanie utworzyć agregaty ziarn skały płonnej lub ziarn minerałów użytecznych.
Między innymi powinny powstawać, w wyniku działania flokulantów, agregaty ziarn
skały płonnej z ziarnami minerałów użytecznych.
FLOTACJA WĘGLA
Charakterystyka węgla
Flotacja węgla jest mniej skomplikowana niż flotacja rud, tym niemniej jest ona
zależna od szeregu parametrów:
Czynniki związane z charakterystyką węgla:
 stopień uwęglenia,
 skład petrograficzny,
 utlenienie,
 charakter zrostów.
Charakterystyka mętów:
 gęstość,
 odczyn pH,
 temperatura,
 kształt i wielkość ziarn,
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
4
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
reżim odczynnikowy:
 typ odczynnika,
 jego zużycie,
 sposób dozowania
 czas kontaktu,
parametry związane z budową i działaniem maszyny flotacyjnej:
 napowietrzanie mętów,
 intensywność mieszania,
 czas flotacji,
 odbiór produktu pianowego.
Wszystkie własności fizyczne i chemiczne węgla zależą od stopnia jego uwęglenia. Stopień uwęglenia charakteryzuje się zawartością w węglu części lotnych. W
procesie tym zwiększa się cząsteczkowe uporządkowanie węgla, następuje wzrost
zawartości w nim pierwiastka węgla oraz obniżenie zawartości tlenu. Wzrost stopnia
uwęglenia powoduje zwiększenie gęstości węgla oraz jego połysku. Węgle o średnim
stopniu uwęglenia charakteryzują się maksymalną wartością ciepła spalania, koksowalnością oraz hydrofobowością. Doświadczalnie potwierdzono najlepszą flotowalność węgli o średnim stopniu uwęglenia.
W węglach zawsze występują pewne domieszki nieorganiczne. O ich wartości
sądzi się po ilości powstałego popiołu po spaleniu węgla. Dla flotacyjnego wzbogacania węgla największe znaczenie ma postać domieszek mineralnych, w jakich występują popiołowe składniki węgla, oraz stopień rozdrobienia minerałów. Jako pierwsze flotują zawsze ziarna z minimalną ilością domieszek, po czym do produktu pianowego przechodzą ziarna z coraz większą ich ilością. Taka prawidłowość odnosi się
głównie do minerałów ilastych, których hydrofilny charakter powoduje zwiększenie
hydratacji powierzchni węgla.
Odczynniki apolarne w procesie flotacji węgla
Odczynniki, które nie są zdolne do wymiany elektronów oraz mają budowę
symetryczną, noszą nazwę apolarnych. Takie własności są podstawą ich małej aktywności chemicznej, niedużej rozpuszczalności w wodzie oraz bardzo wysokiej hydrofobowości i niedużej aktywności powierzchniowej. Są one używane w formie
emulsji i w takiej postaci oddziałują z powierzchnią ziarn przy flotacji. Przytwierdzanie
się kropelek odczynników apolarnych do ziarenek węglowych następuje dzięki siłom
van der Waalsa. Proces przyczepiania się apolarnego zbieracza do ziarna węgla jest
tym bardziej prawdopodobny, im hydratacja powierzchni jest mniejsza. W pierwszym
etapie następuje hydrofobizacja powierzchni ziaren wzdłuż krawędzi kontaktu trzech
faz, a następnie ich flokulacja. Proces flokulacji węgla można zaobserwować nieuzbrojonym okiem. Flokuły węgla posiadają dużą aktywność flotacyjną, z uwagi m.in.
na znaczną ilość w sobie pęcherzyków powietrza.
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
5
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
ĆWICZENIA LABORATORYJNE
Cel i zakres ćwiczeń
Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu wybranych parametrów technologicznych na wyniki flotacji węgla.
Opis stanowiska badawczego
Doświadczenie prowadzi się we flotowniku typu mechaniczno (agitacyjno) pneumatycznego, którego schemat został przedstawiony na rysunku 1.
W obudowie flotownika znajduje się pionowy wał napędzany silnikiem poprzez
układ pasków klinowych. Wirnik o budowie klatkowej jest umocowany w dolnym końcu wału. Współosiowo do wału wirnika umieszczona jest rura powietrzna zaopatrzona w króciec doprowadzający sprężone powietrze. Nadawę do flotownika doprowadza się do komory flotacyjnej. Wytwarzanie pęcherzyków powietrza następuje przez
szybkie mieszanie mętów flotacyjnych wirnikiem oraz przez wprowadzenie do rury w
sposób ciągły sprężonego powietrza. Piana z koncentratem zgarniana jest z powierzchni mętów flotacyjnych zgarniaczami skrzydełkowymi.
Rys. 1. Laboratoryjny flotownik mechaniczno-pneumatyczny
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
6
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
Część I
Analiza wpływu uziarnienia na wyniki flotacji



Wykonać kolejno flotację następujących klas ziarnowych węgla:
d1 = 0÷0,1 mm,
d2 = 0,1÷0,3 mm,
d3 = 0,3÷0,5 mm.
Sposób przeprowadzenia ćwiczenia
1. przygotować w trzech zlewkach
o pojemności 400 mL (poz. a na
rysunku 2.) zawiesinę flotacyjną
o zagęszczeniu =100 g/L (przyjąć
stosunek wagowy węgla danej klasy ziarnowej d1÷3 do piasku 1:1, tj.
20 g węgla oraz 20 g piasku,
Q1=40 g),
2. mieszać za pomocą mieszadła
mechanicznego przez 10 minut
– poz. b na rysunku 2.,
Rys. 2.
3. przenieść zawiesinę do komory
flotacyjnej – poz. a na rysunku 3.,
4. włączyć wirnik
(górny przycisk na rysunku 4),
5. dodać 5 kropli zbieracza (nafty),
6. włączyć strumień
sprężonego powietrza,
7. dodać 5 kropli odczynnika
spieniającego (olejku sosnowego),
Rys. 3.
Rys. 4.
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
7
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
8. zbierać koncentrat z powierzchni
mętów flotacyjnych przez 5 minut
– rysunek 5,
9. wyłączyć wirnik
(dolny przycisk na rysunku 4),
10. wyłączyć dopływ sprężonego powietrza
11. otrzymane koncentraty wysuszyć
i następnie zważyć (q11, q12, q13).
Rys. 5.
Część II
Rola zagęszczenia w procesie flotacji węgla
Wykonać kolejno flotację zawiesiny o następujących zagęszczeniach:
 1 = 50 g/L (V=400 mL, QSw=10 g, QSk=10 g),
 2 = 100 g/L (V=400 mL, QSw=20 g, QSk=20 g),
 3 = 150 g/L (V=400 mL, QSw=30 g, QSk=30 g),
gdzie:
 V – objętość fazy ciekłej (wody) [mL],
 QSw – masa fazy stałej węgla [g],
 QSk – masa fazy stałej kwarcu [g].
Sposób przeprowadzenia ćwiczenia.
1. przygotować w trzech zlewkach o pojemności 400 mL zawiesinę węglową o
uziarnieniu wskazanym przez prowadzącego (przyjąć stosunek wagowy węgla do
piasku 1:1),
2. mieszać za pomocą mieszadła mechanicznego przez 10 minut,
3. przenieść zawiesinę do komory flotacyjnej,
4. włączyć wirnik,
5. dodać 5 kropli zbieracza (nafty),
6. włączyć strumień sprężonego powietrza,
7. dodać 5 kropli odczynnika spieniającego (olejku sosnowego),
8. zbierać koncentrat z powierzchni mętów flotacyjnych przez 5 minut,
9. wyłączyć wirnik i dopływ sprężonego powietrza
10. otrzymane koncentraty wysuszyć i następnie zważyć (q21, q22, q23).
Część III
1. Pobieramy odważki (poprzednio otrzymanych koncentratów w częściach I i II) do
tygielków porcelanowych (na wadze analitycznej), w ilości 1±0,0002 g (w przypadku mniejszej masy koncentratu bierzemy całość), odpowiednio z:
 surowca (0,5 g węgla o uziarnieniu 0,1÷0,3 mm i 0,5 g piasku) - ms0,
 wysuszonych próbek o masie q11, q12 i q13 (otrzymanych w części I doświadczenia) - ms11, ms12, ms13,
 wysuszonych próbek o masie q21, q22 i q23 (otrzymanych w części II doświadczenia) - ms21, ms22, ms23.
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
8
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
2. prażymy w temperaturze 815°C ± 10°C do uzyskania stałej masy,
3. pozostałość po prażeniu ważymy uzyskując z:
 surowca: mi0,
 próbek otrzymanych w części I doświadczenia: mi11, mi12, mi13,
 próbek otrzymanych w części II doświadczenia: m i21, mi22, mi23
Sposób opracowania ćwiczenia
Wychód węgla  [%] w otrzymanych koncentratach:

q
 100 [%]
Q
gdzie:
 q – masa koncentratu [g],
 Q – masa nadawy [g].
Zawartość popiołu w nadawie  [%]:
m
  i0  100 [%]
ms0
gdzie:
 mi0 – masa próbki surowca po prażeniu [g],
 ms0 – masa próbki surowca przed prażeniem [g].
Zawartość popiołu w koncentracie  [%]:
m
  i  100 [%]
ms
gdzie:
 mi – masa próbki koncentratu po prażeniu [g],
 ms – masa próbki koncentratu przed prażeniem [g].
Uzysku  [%] części palnych i lotnych w koncentracie:
1 3 
100  
 [%]
100  
gdzie:
  – zawartość popiołu w koncentracie [%],
  – zawartość popiołu w nadawie [%],
  – wychód węgla w otrzymanych koncentratach [%].
Część I
Tab.1. Wyniki badań wpływu wielkości poszczególnych frakcji ziarnowych d [mm] na wychód
 [%], zawartość popiołu W [%] oraz uzysk części palnych i lotnych w koncentracie 
[%] w procesie flotacji
FRAKCJA
d
[mm]
0,0÷0,1
0,1÷0,3
0,3÷0,5
NADAWA
Q
[g]
Q11
MASA
KONCENTRAT
q
[g]
q11
q12
q13
WYCHÓD

[%]
11
12
13
ZAWARTOŚĆ POPIOŁU
NADAWA KONCENTRAT


[%]
[%]
11
11
12
13
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
UZYSK

[%]
11
12
13
9
UNIESZKODLIWIANIE ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
FLOTACJA
Zilustrować wykresem słupkowym zależności  = f(d) i  = f(d). Przeprowadzić
analizę otrzymanych wyników i podać wnioski końcowe.
Część II
Tab.2. Wyniki badań wpływu wielkości zagęszczenia  [g/L] na wychód  [%], zawartość
popiołu W [%] oraz uzysk części palnych i lotnych w koncentracie  [%] w procesie
flotacji
ZAGĘSZCZENIE

[g/L]
50
100
150
MASA
NADAWA KONCENTRAT
Q
q
[g]
[g]
Q21
q21
Q22
q22
Q23
q23
WYCHÓD

[%]
21
22
23
ZAWARTOŚĆ POPIOŁU
NADAWA KONCENTRAT


[%]
[%]
21
21
22
23
UZYSK

[%]
21
22
23
Zilustrować wykresem słupkowym zależności  = f() i  = f(). Przeprowadzić
analizę otrzymanych wyników i podać wnioski końcowe.
LITERATURA
[1]. Małysa E., Ociepa Z., Oruba F., Sanak-Rydlewska S.: „Ćwiczenia laboratoryjne z
flotacji”, skrypt uczelniany nr 858 AGH Kraków, 1981,
[2]. Blaschke J.: „Procesy technologiczne w przeróbce kopalin użytecznych”, skrypt
uczelniany nr 1058 AGH Kraków, 1987,
[3]. J. Blaschke St. , Blaschke H.: „Technika wzbogacania węgla”, cz. II, skrypt uczelniany nr 716 AGH Kraków, 1979,
[4]. Blaschke St. , Blaschke H.: „Maszyny i urządzenia do przeróbki kopalin – flotowniki”, AGH Kraków, 1991.
ZAKŁAD TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW
10