Методы обогащения сырья реферат

Обновлено: 07.07.2024

РУДЫ ОБОГАЩЕНИЕ, методы переработки природного минерального сырья, которое представляет собой естественную смесь ценных компонентов и пустой породы, с целью получения концентратов, существенно обогащенных одним или несколькими ценными компонентами. Обогащение руды осуществляется преимущественно механическими, а также термическими и химическими методами.

Исторически обстоятельства сложились таким образом, что обогащение полезных ископаемых началось с обогащения руд; в связи с необходимостью дальнейшей переработки концентратов, полученных в результате обогащения руд, а также другого природного сырья, которое приобрело промышленную значимость, появились и другие отрасли горного дела. Первоначальные процессы обогащения руды заключались в промывке россыпных месторождений золота и дроблении крупных глыб горных пород, обогащенных самородными металлами, такими, как золото, серебро и медь. Г.Агрикола в своем труде О горном деле (De re metallica, 1556) цитирует записи, свидетельствующие о промывке россыпного золота раньше 4000 до н.э. Добыча золота из жил путем дробления и промывки производилась уже в 2400 до н.э. Сильное нагревание свинцово-серебряных руд практиковалось в Греции в 3–2 в. до н.э. Агрикола описал сложную переработку руд благородных и цветных металлов посредством методов, элементы которых включает и современная гравитационная концентрация.

К главным процессам обогащения руды относятся измельчение руды и выделение концентрата. Измельчение заключается в дроблении природного материала, обычно механическими методами, с получением смеси частиц ценных и ненужных компонентов. Дробление может также дополняться химическим разложением молекул компонентов для освобождения полезных атомов. Выделение, или концентрация, состоит в обособлении полезных частиц одного или нескольких продуктов, называемых концентратами, и исключении ненужных частиц пустой породы (хвостов, или отходов). Частицы, которые не попали ни в концентрат, ни в отходы, называются промежуточным продуктом и обычно требуют дальнейшей переработки.

Дробление.

К дроблению относятся механические процессы, посредством которых добытая в руднике порода разбивается до размеров, подходящих для дальнейшего измельчения посредством размалывания. Устройства, которые разбивают добытое в руднике сырье, относятся к первичным дробилкам; дробилки щекового и конусного типов среди них являются основными. Вторичное дробление осуществляется в один, два, реже в три этапа.

Размалывание.

Размалывание представляет собой конечный этап механического отделения полезных минералов от пустой породы. Обычно оно производится в водной среде посредством машин, в которых порода измельчается при помощи чугунных или стальных шаров, кремневой гальки, а также гальки, образующейся из твердых кусков руды или вмещающей породы.

Грохочение.

Грохочение применяется для приготовления материала определенной размерности, поступающего на концентрирование. Грохотами обычно разделяют зерна, размер которых превышает 3–5 мм; механические классификаторы используются для более тонкой сепарации мокрого материала.

Грохота.

Большинство грохотов относится к вибрационному типу. Их главным элементом является сито, пластина с отверстиями или какая-либо другая плоская перфорированная конструкция (обычно устанавливаемая наклонно под углом 20–40 ° ), которой придается вибрация с частотой 500–3600 циклов в минуту.

Механические классификаторы.

Механические классификаторы представляют собой прямоугольные лотки с наклонным дном, которым сообщается встряхивающее и возвратно-поступательное движение. Материал, подлежащий разделению по крупности зерен, смешивается с водой, подается на верхний край классификатора и перемещается под действием силы тяжести в углубление на нижнем крае лотка. Там более тяжелые и крупные частицы оседают на дно и забираются конвейером. Более легкие и мелкие частички выносятся потоком воды.

Центробежные конусные классификаторы.

В центробежных конусных классификаторах для выделения рудных частиц используются центробежные силы в водной среде. Процесс разделения в таких классификаторах позволяет получить мелкозернистую песчано-шламовую фракцию, пригодную для дальнейшего концентрирования методом флотации.

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ

Механические методы обогащения позволяют отделить ценные рудные частицы от частиц пустой породы с использованием чисто физических процессов, без химических превращений.

Гравитационная концентрация.

Гравитационная концентрация основана на использовании разной плотности различных минералов. Частицы разной плотности вводятся в жидкую среду, плотность которой имеет промежуточное значение между плотностями минералов, подлежащих разделению. Этот принцип можно проиллюстрировать отделением песка от опилок, когда их бросают в воду; опилки всплывают, а песок тонет в воде.

Обогащение в тяжелой среде.

Метод обогащения в тяжелой среде основан на использовании суспензии, состоящей, помимо частиц руды, из воды и твердого компонента. Плотность суспензии варьируется от 2,5 до 3,5 в зависимости от свойств разделяемых минералов. При этом используются конические или пирамидальные емкости.

Отсадочные машины.

Отсадочная машина – это один из видов гравитационного концентратора, в котором суспензия состоит из воды и рудных частиц.

В отсадочных машинах непрерывного действия имеются по крайней мере два отделения. Тяжелые частицы, попавшие в приемное отделение, скапливаются на дне; более легкие частицы всплывают. Подаваемый материал захватывается текущей водой и поступает в поверхностный слой на нижней части уклона, который стремится выплеснуться через край. Однако тяжелый материал проседает через более легкий и оказывается в придонном слое. Легкий материал смешивается с верхним слоем, и поперечный поток воды сносит его через перегородку в соседнее отделение, где происходит аналогичная сепарация. Автоматические разгрузочные устройства удаляют придонный слой с такой скоростью, чтобы он сохранял необходимую толщину.

Концентрационные столы.

Концентрационные столы представляют собой гравитационные концентраторы, приспособленные для переработки материала песчаной фракции с размером зерна менее 2,5 мм. Главный их элемент – это покрытая линолеумом прямоугольная дека шириной 1,2–1,5 м и длиной около 4,8 м. Она устанавливается с небольшим регулируемым поперечным уклоном и испытывает возвратно-поступательное движение вдоль длинной стороны с частотой 175–300 циклов в минуту и амплитудой от 6 до 25 мм.

Дека имеет рифленую поверхность; при этом высота ее гребней уменьшается в направлении диагонали деки от края стола, где производится подача материала, к его выгрузочному концу. Водная суспензия попадает в бороздки и там расслаивается: более тяжелый материал оседает на дно, а более легкий оказывается наверху. Под воздействием возвратно-поступательного движения легкий материал передвигается по деке. Поскольку высота гребней к выгрузочному концу стола уменьшается, верхний слой смывается потоком воды, идущим поперек стола, и уносится вниз к его боковой стороне, тогда как более тяжелый материал переносится к выгрузочному концу.

Шлюзы.

Концентрационный шлюз представляет собой наклонный желоб с шероховатым дном, вдоль которого перемещается гравий россыпи (золотоносной или оловоносной), увлекаемый потоком воды; при этом тяжелые минералы оседают на дне углублений и удерживаются там, тогда как легкие выносятся. Шероховатость дна создается деревянными брусками, рейками, рифленой резиной, небольшими жердями и даже железнодорожными рельсами, устанавливаемыми вдоль или поперек желоба. Для переработки мелкозернистого песка и шлама дно шлюза покрывают мешковиной, брезентом или другим подобным материалом, который обычно прикрепляется металлической решеткой или грубой проволочной сеткой. При переработке золотоносного гравия для сепарации довольно часто используется ртуть благодаря ее способности прилипать к мелким частичкам золота и удерживать их в потоке воды. Ширина шлюза составляет от 0,5 до 2 м, а длина – от 3–6 м до 1,5 км и более. Наклон варьируют в пределах 2,0–12,5 см/м; при этом в нижней части шлюза преобладает тонкозернистый материал с большим количеством воды, а в верхней части – более грубозернистый с меньшим количеством воды. Периодически подачу материала прекращают и создают легкий поток воды, рифли снимают, начиная с выходного конца, осевший песок переворачивают лопатами для отмывки легкого песка, а оставшуюся часть сгребают в бадьи. Очищенный золотоносный продукт затем обрабатывается в промывочном лотке (диаметром 0,45 м и глубиной 5–8 см) с наклонными под углом 45 ° стенками. Когда песок вместе с водой в лотке встряхивается, тяжелый материал оседает, а легкие отходы смываются через край.

Флотация.

Флотация основана на различиях физико-химических свойств поверхности минералов в зависимости от их состава, что вызывает селективное прилипание частиц к пузырькам воздуха в воде. Агрегаты, состоящие из пузырьков и прилипших частичек, всплывают на поверхность воды, тогда как не прилипшие к пузырькам частицы оседают, в результате чего происходит разделение минералов.

Прилипание к пузырькам усиливается при селективном покрытии частиц одного из минералов поверхностно-активным веществом. Примером такого вещества может служить парафин. Погрузите покрытую парафином частицу в газированную воду, и пузырьки выделившегося углекислого газа прилипнут к нему. Если частица достаточно маленькая, то она всплывет. Углеводородные ионы, в которых химически активная группа представлена производными тиокислот (ксантогенаты, тиофосфаты, меркаптаны и подобные им соединения), взаимодействуют предпочтительно с ионами тяжелых металлов.

Флотация обеспечивает получение высокосортных концентратов. При этом флотационные реагенты составляют главную статью расходов. Этот процесс позволяет разделить практически любые два минерала, которые содержат существенно разные химические элементы или ионные группы.

Электрическая и магнитная сепарация.

Сепарация такого рода основана на различной поверхностной проводимости или магнитной восприимчивости разных минералов.

Магнитная сепарация.

Магнитная сепарация применяется для обогащения руд, содержащих минералы с относительно высокой магнитной восприимчивостью. К ним относятся магнетит, франклинит, ильменит и пирротин, а также некоторые другие минералы железа, поверхности которых могут быть приданы нужные свойства путем низкотемпературного обжига. Сепарация производится как в водной, так и в сухой среде. Сухая сепарация больше подходит для крупных зерен, мокрая – для тонкозернистых песков и шламов. Обычный магнитный сепаратор представляет собой устройство, в котором слой руды толщиной в несколько зерен перемещается непрерывно в магнитном поле. Магнитные частицы вытягиваются из потока зерен лентой и собираются для дальнейшей переработки; немагнитные частицы остаются в потоке.

Электростатическая сепарация.

Электростатическая сепарация основана на различной способности минералов пропускать электроны по своей поверхности, когда они находятся под поляризующим воздействием электрического поля. В результате частицы разного состава заряжаются в разной степени при определенных значениях напряженности этого поля и времени его воздействия и, как следствие, по разному реагируют на одновременно действующие на них электрические и другие силы, обычно гравитационные. Если таким заряженным частицам предоставить возможность свободно перемещаться, то направления их движения будут различаться, что и используется для разделения.

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ

Химические методы обогащения включают, в качестве предварительного этапа, измельчение руды, которое открывает доступ химическим реагентам к ценным компонентам руды, после чего облегчается извлечение этих компонентов. Химические методы могут быть применены как непосредственно к рудам, так и к концентратам, полученным в результате обогащения руд механическими методами. Терминология методов химического обогащения до некоторой степени запутана. В рамках этой статьи разделение в расплаве относится к процессу плавления, а разделение путем селективных химических реакций – к процессу выщелачивания.

Плавление.

Плавление – это химический процесс, происходящий при высоких температурах, в ходе которого ценный металл и пустая порода переходят в расплавленное состояние. Поскольку металл имеет более высокую плотность и нерастворим в расплавленной пустой породе, он отделяется от последней и погружается на дно. Метод плавления имеет свои специфические особенности для каждого металла. Например, свинцовый концентрат смешивается с твердыми реагентами в определенных соотношениях, чтобы получить загрузку печи такого состава, которая при нагревании до достаточно высоких температур приводит к образованию за счет пустой породы сложных силикатов (шлака), остающихся на поверхности расплавленного металлического свинца. При выпускании металла со дна печи получается черновой свинец. При наличии в свинцовом концентрате меди образуются три слоя: нижний слой свинца, средний слой сульфида меди (штейн) и верхний слой шлака. Они выпускаются из печи раздельно. Штейн затем перерабатывается в другой печи (конвертере), через которую продувают воздух для удаления серы, получая в результате черновую (пористую) медь.

Обжиг.

Обжиг в ходе подготовки к выщелачиванию применяется либо для изменения химического состава полезных составляющих, что делает их пригодными для выщелачивания, либо для удаления некоторых примесей, присутствие которых значительно затрудняет и удорожает процесс выщелачивания ценных компонентов. Например, некоторые руды золота, содержащие мышьяк и серу, перед выщелачиванием подвергают обжигу для удаления этих составляющих.

Выщелачивание.

При выщелачивании ценные компоненты руды растворяются и отделяются от нерастворимого остатка посредством подходящего растворителя. В некоторых случаях для перевода ценного компонента в растворимую форму добавляется реагент. Эффективность (скорость и полнота протекания) процесса зависит от размера частиц, свойств реагентов, применяемых для выщелачивания, температуры и метода приведения в соприкосновение руды с растворителем или реагентами. Обычно чем меньше размер частиц, выше температура и концентрация выщелачивающих химических соединений, тем быстрее идет процесс.

Методы непосредственного воздействия на руду выщелачивающих растворов.

К этим методам относятся кучное выщелачивание, выщелачивание при просачивании и выщелачивание при перемешивании. Эти методы могут применяться как в периодических, так и в непрерывных процессах. В свою очередь непрерывные процессы могут быть реализованы как прямоточные либо как противоточные. В прямоточном процессе выщелачивающий раствор движется вместе с рудой и пополняется по мере его истощения. В противоточном процессе выщелачивающий раствор движется навстречу потоку руды. При этом передовой фронт раствора, встречаемый свежей порцией руды, обеднен реагентами и насыщен экстрагированным материалом, а тыловые порции раствора, которые позже встречаются с рудой, представлены свежим выщелачивающим раствором.

Кучное выщелачивание применяется для переработки руд, содержащих легко растворимые полезные компоненты; такие руды должны быть относительно пористыми и недорогими (обычно они добываются в открытых разработках). Иногда кучное выщелачивание используется для переработки отвалов, возникших в результате процессов предшествующей добычи и утилизации руды, когда затраты на добычу уже произведены. Для загрузки руды подготавливается слабо наклонная поверхность, непроницаемая для выщелачивающих растворов. Вдоль и поперек этой поверхности создаются водосборные углубления для дренажа. После загрузки руда заливается большим количеством выщелачивающего раствора, достаточным для того, чтобы пропитать всю ее толщу. Раствор проникает между частицами руды и производит растворение полезных компонентов. Через некоторый период времени материал высушивают и извлекают корку, образованную растворившимися ценными составляющими, а обработанную рыхлую породу смывают в дренажную систему.

Выщелачивание путем просачивания используется при переработке руд, которые при дроблении измельчаются плохо и не содержат природного шлама или глины. Это довольно медленный процесс. Выщелачивание при просачивании осуществляется главным образом в баках, хорошо приспособленных для загрузки и разгрузки. Дно бака должно быть эффективным фильтром, позволяющим производить через него закачку и откачку раствора. Баки загружаются раздробленной рудой определенной фракции крупности; иногда в целях более плотной и равномерной загрузки она смачивается. Затем выщелачивающий раствор закачивается в бак и впитывается в руду. По истечении необходимого времени выдержки раствор с выщелоченными компонентами откачивается, а руда промывается для удаления остатков выщелачивающего раствора.

Выщелачивание с перемешиванием обычно применяется при переработке высокосортных руд или концентратов с относительно небольшим объемом материала, подлежащего выщелачиванию, а также руд, содержащих тонкую рассеянную вкрапленность полезных компонентов либо измельченных до весьма мелкозернистой фракции. Выщелачивание с перемешиванием позволяет сократить время взаимодействия растворов с рудой до нескольких часов по сравнению с сутками, которые требуются для выщелачивания при просачивании.

Извлечение ценных компонентов.

Извлечение ценных компонентов из растворов после выщелачивания, содержащих растворенные полезные составляющие, может осуществляться путем химического осаждения, экстракции растворителем, ионообменным методом или электролизом.

Для химического осаждения раствор после выщелачивания подвергается воздействию соответствующих химических реагентов, в результате чего ценные компоненты переходят в форму нерастворимых соединений, которые выпадают в осадок, а затем отделяются путем отсадки или фильтрования.

Экстракция растворителем представляет собой сравнительно новый метод, предложенный для переработки урановых руд. Раствор, содержащий выщелоченные ценные компоненты (называемый водной фазой), взаимодействует с несмешивающимся органическим растворителем (называемым органической фазой), в результате чего полезная составляющая переходит из водной фазы в органическую. Затем органическая фаза, несущая ценные компоненты, отделяется и взаимодействует с другой водной фазой, куда компоненты и переходят; этот процесс называется десорбированием. Новая водная фаза с извлеченными ценными компонентами обрабатывается с целью их осаждения. Органической фазой служит какой-либо органический растворитель, например, трибутилфосфат, а в качестве разбавителя обычно используется керосин.

Ионообменный процесс извлечения из руды ценных компонентов разработан сравнительно недавно. Он основан на том явлении, что синтетические смолы могут селективно экстрагировать нужные компоненты из содержащих их растворов. Ионообменные смолы синтезируются путем полимеризации с отщеплением воды. После полимеризации в смоле возникают функциональные группы, например, карбоксиловая (– COONa), сульфониловая (– SO₃Na) или аминовая (– NH₂ Ч HCl). Первые два примера соответствуют катионообменной смоле, ион натрия (Na +1 ) которой обменивается на положительно заряженный ион, содержащий ценный компонент; отрицательно заряженный ион хлора (Cl –1 ) анионообменной смолы с аминовой группой обменивается на отрицательно заряженный ион, содержащий ценный компонент.

Содержание

Введение………………………………………………………………..…..…4
1. Методы обогащения сырья…………………………………………. 6
1.1Механические методы обогащения………………………………..…. 6
1.2.Физические методы обогащения……………………………………..…..7
1.3. Химические методы обогащения……………………………………. 8
1.4. Физико-химические методы обогащения…………………………..…..9
2.Флотация как один из основных методов обогащения сырья…..…10
2.1. Особенности флотационного процесса…………………………..…. 10
3. Сущность флотационного процесса……………………………. ……12
4. Виды флотации …………………………………………………….……14
4.1. Флотационное разделение минералов на поверхности жидкость-жидкость. Масляная флотация . 14
4.2. Флотационное разделение минералов на поверхности жидкость-газ. Пленочная флотация…………………………………………………. …….15
4.3. Флотационное разделение минералов на поверхности твердое-жидкость и твердое-газ………………………………………………….…. 19
5. Флотационные реагенты……………………………………………..…20
6. Значение флотационного процесса………………………………….…22
6.1. Проблема расширения минеральных ресурсов……………………..…22
6.2. Проблема комплексного использования полезных ископаемых…..…23
5.3. Проблема обогащения шламов………………………………………. 23
Заключение…………………………………………………………………..24
Список использованных источников…………………………………….25
Приложения………………………………………………………………….26

Работа состоит из 1 файл

Физико-химические методы обогащения сырья 1.docx

1. Методы обогащения сырья………………… ………………………. 6

1.1Механические методы обогащения………………………………. .…. 6

1.2.Физические методы обогащения………………………………… …..…..7

1.3. Химические методы обогащения…… ………………………………. 8

1.4. Физико-химические методы обогащения…………………………..…..9

2.Флотация как один из основных методов обогащения сырья…..…10

2.1. Особенности флотационного процесса…………………………..…. 10

3. Сущность флотационного процесса……………………………. ……12

4.1. Флотационное разделение минералов на поверхности жидкость- жидкость. Масляная флотация . . . 14

4.2. Флотационное разделение минералов на поверхности жидкость-газ. Пленочная флотация…………………………………………………. …….15

4.3. Флотационное разделение минералов на поверхности твердое- жидкость и твердое-газ…………………………………………… …….…. 19

6. Значение флотационного процесса………………………………….…22

6.1. Проблема расширения минеральных ресурсов……………………..…22

6.2. Проблема комплексного использования полезных ископаемых…..…23

5.3. Проблема обогащения шламов………………………………………. 23

Список использованных источников…………………………………….25

Исторически обстоятельства сложились таким образом, что обогащение полезных ископаемых началось с обогащения руд; в связи с необходимостью дальнейшей переработки концентратов, полученных в результате обогащения руд, а также другого природного сырья, которое приобрело промышленную значимость, появились и другие отрасли горного дела. Первоначальные процессы обогащения руды заключались в промывке россыпных месторождений золота и дроблении крупных глыб горных пород, обогащенных самородными металлами, такими, как золото, серебро и медь. Г.Агрикола в своем труде О горном деле (De re metallica, 1556) цитирует записи, свидетельствующие о промывке россыпного золота раньше 4000 до н.э. Добыча золота из жил путем дробления и промывки производилась уже в 2400 до н.э. Сильное нагревание свинцово-серебряных руд практиковалось в Греции в 3–2 в. до н.э. Агрикола описал сложную переработку руд благородных и цветных металлов посредством методов, элементы которых включает и современная гравитационная концентрация.

Обогащением руд называется совокупность процессов первичной обработки минерального сырья, цель которого - отделение всех полезных минералов от пустой породы, а при необходимости - взаимное разделение полезных минералов.

Выделение, или концентрация, состоит в обособлении полезных частиц одного или нескольких продуктов, называемых концентратами, и исключении ненужных частиц пустой породы (хвостов, или отходов).

Концентратом называется продукт обогащения, содержащий значительно больше (в десятки, а иногда и в сотни раз) ценного компонента по сравнению с рудой. По минеральному и химическому составу он должен удовлетворять определенным требованиям (кондициям).

Хвосты - это отходы обогащения, содержащие главным образом минералы пустой породы и незначительное количество полезных компонентов, извлечение которых при современном уровне технологии и техники обогащения затруднено или экономически невыгодно. Частицы, которые не попали ни в концентрат, ни в отходы, называются промежуточным продуктом и обычно требуют дальнейшей переработки.

1. Методы обогащения сырья

1.1.Механические методы обогащения

Дробление. К дроблению относятся механические процессы, посредством которых добытая в руднике порода разбивается до размеров, подходящих для дальнейшего измельчения посредством размалывания. Устройства, которые разбивают добытое в руднике сырье, относятся к первичным дробилкам; дробилки щекового и конусного типов среди них являются основными. Вторичное дробление осуществляется в один, два, реже в три этапа.

Размалывание. Размалывание представляет собой конечный этап механического отделения полезных минералов от пустой породы. Обычно оно производится в водной среде посредством машин, в которых порода измельчается при помощи чугунных или стальных шаров, кремневой гальки, а также гальки, образующейся из твердых кусков руды или вмещающей породы.

Грохочение. Грохочение применяется для приготовления материала определенной размерности, поступающего на концентрирование. Грохотами обычно разделяют зерна, размер которых превышает 3–5 мм; механические классификаторы используются для более тонкой сепарации мокрого материала.

Гравитационная концентрация. Гравитационная концентрация основана на использовании разной плотности различных минералов. Частицы разной плотности вводятся в жидкую среду, плотность которой имеет промежуточное значение между плотностями минералов, подлежащих разделению. Этот принцип можно проиллюстрировать отделением песка от опилок, когда их бросают в воду; опилки всплывают, а песок тонет в воде.

1.2. Физические методы обогащения

Электрическая и магнитная сепарация. Сепарация такого рода основана на различной поверхностной проводимости или магнитной восприимчивости разных минералов.

Магнитная сепарация. Магнитная сепарация применяется для обогащения руд, содержащих минералы с относительно высокой магнитной восприимчивостью. К ним относятся магнетит, франклинит, ильменит и пирротин, а также некоторые другие минералы железа, поверхности которых могут быть приданы нужные свойства путем низкотемпературного обжига. Сепарация производится как в водной, так и в сухой среде. Сухая сепарация больше подходит для крупных зерен, мокрая – для тонкозернистых песков и шламов. Обычный магнитный сепаратор представляет собой устройство, в котором слой руды толщиной в несколько зерен перемещается непрерывно в магнитном поле. Магнитные частицы вытягиваются из потока зерен лентой и собираются для дальнейшей переработки; немагнитные частицы остаются в потоке.

Электростатическая сепарация. Электростатическая сепарация основана на различной способности минералов пропускать электроны по своей поверхности, когда они находятся под поляризующим воздействием электрического поля. В результате частицы разного состава заряжаются в разной степени при определенных значениях напряженности этого поля и времени его воздействия и, как следствие, по разному реагируют на одновременно действующие на них электрические и другие силы, обычно гравитационные. Если таким заряженным частицам предоставить возможность свободно перемещаться, то направления их движения будут различаться, что и используется для разделения.

1.3.Химические методы обогащения

Плавление. Плавление – это химический процесс, происходящий при высоких температурах, в ходе которого ценный металл и пустая порода переходят в расплавленное состояние. Поскольку металл имеет более высокую плотность и нерастворим в расплавленной пустой породе, он отделяется от последней и погружается на дно. Метод плавления имеет свои специфические особенности для каждого металла. Например, свинцовый концентрат смешивается с твердыми реагентами в определенных соотношениях, чтобы получить загрузку печи такого состава, которая при нагревании до достаточно высоких температур приводит к образованию за счет пустой породы сложных силикатов (шлака), остающихся на поверхности расплавленного металлического свинца. При выпускании металла со дна печи получается черновой свинец. При наличии в свинцовом концентрате меди образуются три слоя: нижний слой свинца, средний слой сульфида меди (штейн) и верхний слой шлака. Они выпускаются из печи раздельно. Штейн затем перерабатывается в другой печи (конвертере), через которую продувают воздух для удаления серы, получая в результате черновую (пористую) медь.

Обжиг. Обжиг в ходе подготовки к выщелачиванию применяется либо для изменения химического состава полезных составляющих, что делает их пригодными для выщелачивания, либо для удаления некоторых примесей, присутствие которых значительно затрудняет и удорожает процесс выщелачивания ценных компонентов. Например, некоторые руды золота, содержащие мышьяк и серу, перед выщелачиванием подвергают обжигу для удаления этих составляющих.

Выщелачивание. При выщелачивании ценные компоненты руды растворяются и отделяются от нерастворимого остатка посредством подходящего растворителя. В некоторых случаях для перевода ценного компонента в растворимую форму добавляется реагент. Эффективность (скорость и полнота протекания) процесса зависит от размера частиц, свойств реагентов, применяемых для выщелачивания, температуры и метода приведения в соприкосновение руды с растворителем или реагентами. Обычно чем меньше размер частиц, выше температура и концентрация выщелачивающих химических соединений, тем быстрее идет процесс.

К физико-химическим способам обогащения относится метод пенной флотации. В зависимости от способа взаимодействия минеральных частиц с жидкой и газообразной фазами, разделяют пленочную, масляную, пенную флотации, пенную сепарацию и флотогравитацию.

2.Флотация как один из основных методов обогащения сырья

Флотация – один из основных методов обогащения полезных ископаемых, применяется также для очистки воды от органических веществ и твёрдых взвесей, разделения смесей, ускорения отстаивания в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и др. отраслях промышленности.

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 (Приложение 2).

2.1. 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:

- 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.

- 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.

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/см 3 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.

Химическая промышленность характеризуется высокой материалоёмкостью производства. На одну тонну готовой химической продукции расходуется, как правило, несколько тонн сырья и материалов. Отсюда следует, что себестоимость химической продукции в значительной мере определяется качеством сырья, способами и стоимостью его получения и подготовки. В химической промышленности затраты на сырьё в себестоимости продукции составляют 60-70% и более.

От вида и качества сырья существенно зависит полнота использования производственных мощностей отраслей химической промышленности, производительность тепла, продолжительность работы оборудования, затраты труда и т.д. Свойства сырья, содержание в нём полезных и вредных компонентов определяют применяемую технологию его обработки.

Виды сырья весьма разнообразны, и их можно разделить на следующие группы:

минеральное сырьё;
растительное и животное сырьё;
воздух, вода.

1. Минеральное сырьё – полезные ископаемые, добываемые из земных недр.

Полезные ископаемые в свою очередь подразделяются на:

рудные (получение металлов) важные полиметаллические руды
нерудные (удобрения, соли, H + , OH - стекло и т.д.)
горючие (угли, нефть, газ, сланцы)

Рудное сырьё – это горные породы, из которых экологически выгодно получать металлы. Металлы в нём находятся большей частью в виде оксидов и сульфидов. Руды цветных металлов довольно часто содержат в своём составе соединения нескольких металлов – это сульфиды Pb, Cu, Zn, Ag, Ni и др. Такие руды называют полиметаллическими или комплексными. Непременной составной частью всех промышленных руд является FeS₂ – пирит. При переработке некоторых руд получают наряду с металлами и другие продукты. Так, например, одновременно с Cu, Zn, Ni при переработке сульфидных руд получают и H₂SO₄.

Нерудное сырьё – это горные породы, используемые в производстве неметаллических материалов (кроме хлоридов щелочных металлов и Mg). Этот вид сырья или непосредственно используется в народном хозяйстве (без химической переработки) или служит для того или иного химического производства. Это сырьё используют в производстве удобрений, солей, кислот, щелочей, цемента, стекла, керамики и т.д.

Нерудное сырьё условно делят на следующие группы:

строительные материалы – сырьё используется непосредственно или после механической или физико-химической отработки (гравий, песок, глина и т.д.)
индустриальное сырьё – используется в производстве без обработки (графит, слюда, корунд)
химическое минеральное сырьё – используют непосредственно после химической обработки (сера, селитра, фосфорит, апатит, сильвинит, каменная и другие соли)
драгоценное, полудрагоценное и поделочное сырьё (алмаз, изумруд, рубин, малахит, яшма, мрамор и т.д.)

Горючее минеральное сырьё – ископаемые, которые могут служить в качестве топлива (угли, нефть, газ, горючие сланцы и др.)

2. Растительное и животное сырьё – это продукты сельского (земледелия, животноводства, овощеводства), а также мясного и рыбного хозяйства.

По своему назначению оно подразделяется на пищевое и техническое. К пищевому сырью относятся картофель, сахарная свекла, хлебные злаки и т.д. Химическая и другие отрасли промышленности потребляют растительное и животное сырьё, непригодное для пищи (хлопок, солома, лён, китовый жир, когти и т.д.). Деление сырья на пищевое и техническое в некоторых случаях условно (картофель → спирт).

3. Воздух и вода являются самым дешёвым и доступным сырьём. Воздух – практически неисчерпаемый источник N₂ и O_2. H₂O не только непосредственный источник H₂ и O₂, но и участвует практически во всех химических процессах, а также используется как растворитель.

Экономический потенциал любой страны в современных условиях в большей степени определяется природными ресурсами полезных ископаемых, масштабами и качественной характеристикой их местоположений, а также уровнем развития сырьевых отраслей промышленности.

Сырьевые ресурсы современной промышленности очень разнообразны, причем с развитием новой техники, внедрением более эффективных методов производства сырьевая база постоянно расширяется за счёт открытия новых месторождений, освоения новых видов сырья и более полного использования всех его компонентов.

Отечественная промышленность имеет мощную сырьевую базу и располагает запасами всех необходимых ей видов минерального и органического сырья. В настоящее время США занимает первое место в мире по добыче запасов P, каменных солей, NaCl, Na₂SO₄, асбеста, торфа, древесины и т.д. У нас одна из первых мест по разведанным залежам нефти и газа. И разведанные запасы сырья из года в год увеличиваются.

На современном этапе развития промышленности большое значение приобретает рациональное использование сырья, которое предполагает следующие мероприятия. Рациональное использование сырья позволяет повысить экологическую эффективность производства, т.к. стоимость сырья составляет основную долю в себестоимости химической продукции. В связи с этим стремятся использовать более дешёвое, особенно местное сырьё. Например, в настоящее время в качестве углеводородного сырья всё шире используют нефть и газ, а не каменный уголь, этиловый спирт, полученный из пищевого сырья заменяют на гидролизный из древесины.

Всякое ископаемое сырьё после его добычи из земной коры, кроме полезной минеральной части, всегда содержит некоторое количество малоценных или бесценных, а иногда и вредных для данного производства примесей – пустой породы. Поэтому процесс получения минерального сырья не ограничивается только выемкой его из месторождений. До поступления в производство сырьё подвергают такой обработке, чтобы его состав и свойства удовлетворяли требованиям данного технологического процесса. Такое изменение состава минерального сырья, заключающееся в увеличении концентрации в нём полезной части называют обогащением.

Обогащение полезных ископаемых, как правило, сложный и дорогостоящий процесс. Однако, не смотря на дополнительные затраты, связанные с обогащением, оно обеспечивает значительный эффект, определяемый:

1) возможностью расширения сырьевой базы за счёт комплексного использования сырья и вовлечения в эксплуатацию бедных по содержанию основного компонента минералов и руд.

2) более полное использование оборудования на химических предприятиях за счёт переработки высококонцентрированного сырья.

3) существенным улучшением качества готовой химической продукции.

4) значительной экономией транспортных средств, вследствие уменьшения перевозок, приходящихся на долю пустой породы.

Обогащению могут подвергаться твёрдые материалы (например, горные породы) жидкости и растворы, а также газовые смеси.

В случае обогащения твёрдых материалов полученный продукт называют концентратом, а отходы – хвостами. В тех случаях, когда в сырье содержится несколько полезных составляющих, его делят на отдельные части (фракции), обогащенные тем или иным компонентом, т.е. из сложного сырья получают несколько концентратов, что позволяет более полно (комплексно) использовать сырьё.

Методы обогащения твёрдых материалов весьма разнообразны, они основаны на различии физических и химических свойств веществ, входящих в состав сырья, например, прочности, плотности, твёрдости, растворимости, магнитной проницаемости и т.д.

Главная задача – комплексное использование сырья.

Извлекая из сырья основной продукт, сырьё обогащается по другим компонентам, которые подчас являются более дорогими, чем основной продукт.

Например: производство цинка

ZnO (CuO, PbO, CdO, Au, Ag, РЗЭ, Pt)

Zn Cu-Pb+Pt Cu-Cd+Pt

Cu+Pt Pb+Pt Cd Cu+Pt → Cu

Отходы производства используются либо на самом производстве, либо используют на другие производства. Например, цементная промышленность использует шлаки (металлы), сельскохозяйственная промышленность использует шлаки с фосфором. Ti, V и др. извлекают из металлургических шлаков. Из отходов производства сейчас выпускают ТНП.

Особенно это относится к металлургической и целлюлозно-бумажной промышленности. Используется металлолом, макулатура и т.д.

Это особенно приобретает значение при длинных перевозках, т.к. сокращение перевозок снижает себестоимость продукции.

Этиловый спирт не из картофеля, а гидролизный или из этилена. При синтезе синтетического каучука спирт как сырьевой продукт заменяют на бутан (из природного газа).

Основные методы обогащения твёрдых веществ:

1. Рассеивание (грохочение) основано на том, что минералы, входящие в состав сырья, имеют различную прочность, поэтому при дроблении менее прочные (хрупкие) минералы дробятся на более мелкие зёрна, чем прочные (вязкие) материалы. Если после измельчения просеять такое сырьё через сито с отверстиями различного размера, то можно получить фракции, обогащённые тем или иным минералом.

2. Гравитационное разделение основано на различии скоростей осаждения частиц в жидкости или газе в зависимости от плотности или хрупкости этих частиц. Если осаждение производят в жидкости (чаще всего в воде), его называют мокрым гравитационным обогащением, если осаждение ведут в газе (чаще в воздухе), его называют сухим гравитационным обогащением.

3. Магнитная сепарация применяется для обогащения магнитновосприимчивых материалов от немагнитных, а также для удаления стальных предметов, случайно попавших в руду; так отделяют магнитный железняк от пустой породы.

4. Флотационное обогащение основано на различной смачиваемости зёрен отдельных минералов водой. Частицы несмачиваемого (гидрофобного) материала не преодолевают силы поверхностного натяжения воды и остаются на её поверхности. Частицы смачиваемого (гидрофильного) материала обволакиваются плёнкой жидкости и опускаются на дно аппарата. Несмачиваемый материал снимают с поверхности жидкости, отделяя от руды.

Жидкие растворы различных веществ концентрируют упариванием растворителя, вымораживанием, выделением примесей в осадок или в газовую фазу.

Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной конденсацией, т.е. переводят их в жидкое состояние при постепенном понижении температуры и сжатии. Этот метод основан на различии температур конденсации компонентов газовой смеси. В других случаях газовую смесь сначала превращают в жидкость, а затем последовательным испарением её разделяют на индивидуальные компоненты. Разделение газовых смесей осуществляется также поглощением отдельных газов жидкостями (абсорбция) или твёрдыми веществами (адсорбция) с последующим выделением их из сорбентов в поглощенном виде.

А теперь перейдём к более подробному ознакомлению с теоретическими основами и технологиями процессов обогащения.

Как уже выяснили, первой стадией любого процесса обогащения твёрдых тел является стадия измельчения. В зависимости от размеров кусков исходного и измельчённого материала различают следующие классы измельчения:

Одним из важнейших технико-экономических показателей процессов измельчения твёрдых материалов является расход энергии для совершения работы измельчения. Если предположить, что измельчение тело является однородным, абсолютно упругим и делится по строго определённому геометрическому закону, то расход энергии должен быть пропорционален величине вновь образованной поверхности в измельчённом материале (поверхностная гипотеза Риттингера 1867 г.)

Так, например, тело кубической формы с длиной ребра d_н имеет поверхность F_н=6d_н 3 . Разрежем этот куб на z маленьких кубиков с длиной ребра d_к. Число этих кубиков будет равно d_н 3 /d_к 3 , а их суммарная поверхность F_x=6(d/d)=6d_к 2 i₀. Вновь образованная поверхность выражается формулой F=F_x–F_н=6d(i–1).

Принимая, что на образование единицы поверхности затрачивается работа А_у, получим выражение для работы на измельчение рассматриваемого тела

Величина А_у теоретическому определению не поддается и находится опытным путем в каждом конкретном случае применительно к данному материалу, данной машине и данной степени измельчения. Она одновременно и отражает отклонение от всех ранее сделанных предположений. Величина А всегда больше теоретической т.к. энергия дополнительно тратится на деформацию тела. Теория также не учитывает различную форму кусков материала и применима лишь в случаях измельчения резаньем и истиранием и для мелкого дробления.

При измельчении материала методами раздавливания, удара и для хрупкого и среднего дробления практически оправдывается гипотеза Кирпичева-Кика (1874), базирующаяся на теории упругости, согласно которой расход энергии пропорционален разрушающему напряжению, и энергия расходуется на деформацию материала до его разрушения.

Вывод: под действием силы Р кусок материала деформируется до разрушения

σ_р – разность напряжения

l – начальный размер

Работа A = PΔl если P=относительное сжатие (по закону Гука)

E – модуль упругости

Разнообразие физико-химических свойств твердых материалов привело к созданию ряда измельчающих машин, отличающихся принципом действия.

Принципы измельчения твердых материалов следующие:

В зависимости от свойств материала применяют тот или иной метод, или сразу несколько методов.

Сырьё, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определённым требованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процесс подготовки и обогащения сырья. Методы подготовки и обогащения сырья зависят от го агрегатного состояния.

Подготовка твёрдого сырья включает классификацию, измельчение, сушку.

Подготовка жидкого сырья заключается в очистке его от газообразных и твёрдых примесей: фильтрование, циклонирование, центрифугирование, отстаивание. Газообразные примеси могут быть удалены интенсивным механическим перемешиванием или нагревом.

Газообразное сырьё подвергается предварительной очистке от жидких и твёрдых примесей. Для этого используются методы, аналогичные методам очистки жидкого сырь от твёрдых примесей, а также очистка под действием электростатических сил.

Обогащением называется процесс отделения полезной части сырья (полезного компонента) от пустой породы (балласта) в целях повышения концентрации полезного компонента. В результате обогащения сырьё разделяется на концентрат полезного компонента и хвосты с преобладанием в них пустой породы.

Назовём количественные показатели процесса обогащения.

1. выход концентрата - отношение массы полученного концентрата к массе обогащаемого сырья :

2. Степень извлечения полезного компонента - отношение массы полезного компонента в концентрате к его массе в обогащённом сырье :

3. Степень обогащения сырья - отношение массовой доли полезного компонента в концентрате к массовой доле его в обогащенном сырье :

При обогащении твёрдого сырья используются физические, химические и физико-химические методы.

Физические методы обогащения твёрдого сырья. Это методы:

Гравитационный, основанный на разной скорости оседания частиц различной плотности и размеров в потоке газов или жидкости либо в поле центробежной силы; электромагнитный. Основанный на различной магнитной проницаемости компонентов сырья; электростатический, основанный на различной электрической проводимости компонентов сырья; термический, основанный на разности плавкости компонентов сырья.

Гравитационное обогащение используется для разделения минералов, содержащих в своём составе компоненты, значительно отличающиеся по прочности и плотности. Гравитационное обогащение делится на мокрое и сухое.

Электромагнитное обогащение используется для отделения магнитно-восприимчивых материалов от немагнитных.

Принцип устройства электростатических сепараторов аналогичен электромагнитным, но вместо магнита в них установлен электрод с отрицательным зарядом. Частицы с высокой электропроводимостью заряжаются отрицательно и отталкиваются в бункер, а диэлектрики ссыпаются в бункер, расположенный под транспортером.

Термическое обогащение основано на различных температура плавления компонентов и применяется для выделения полезного продукта из породы.

Химические методы обогащения твёрдого сырья. Химическое обогащение основано на взаимодействии химических реагентов с полезным продуктом в породе с последующим выделением образовавшихся соединений осаждением, испарением, плавлением и т.д.

Физико-химические методы обогащения твёрдого сырья. К физико-химическим методам обогащения сырья относится флотация.

Флотация – метод обогащения твёрдого сырья, основанный на различии в смачиваемости его компонентов. Смачиваеость твёрдого тела определяется адгезией жидкости к его поверхности.

Процесс флотации – гетерогенный процесс, характеризующийся наличием трёх фаз: - твердой (т), жидкой(ж), газообразной(г).

На границе раздела фаз работа адгезии равна:

Где - поверхностное натяжение на границе раздела соответствующих фаз.

Взаимодействие фаз в процессе флотации определяется значением поверхностных натяжений на границе раздела фаз.

Поверхностные натяжения направлены по касательной к соответствующей поверхности. Угол между поверхностным натяжением на границе жидкости с газовой средой и площадью контакта называется краевым углом смачивания (θ). В случае гидрофильной поверхности твёрдого тела (а) краевой угол смачивания θ 90º.

Частицы с гидрофобной поверхностью не смачиваются жидкостью, что приводит к образованию на их поверхности воздушной оболочки, способствующей всплыванию части.

Для ускорения процесса флотации систему вспенивают путём интенсивного перемешивания (механическая флотация) или барботажа воздуха через систему (пневматическая флотация). В процессе флотации гидрофобный компонент образует с пузырьками воздуха минерализованную пену, отделяемую от жидкой фазы, в которой остаются гидрофильные компоненты.

Процесс флотации во многом зависит от различия в гидрофобности (гидрофильности) компонентов обогащаемого сырья.

Для ускорения процесса флотации и увеличения выхода флотируемого компонента в систему вводят специальные реагенты, относящиеся к группе поверхностно-активных веществ, - коллекторы, которые увеличивают гидрофобность полезного компонента.

Их природа зависит от состава конкретного флотируемого сырья.

Для создания устойчивой пены и улучшения разделения компонентов флотируемого сырья в систему помимо коллекторов вводят другие флотореагенты: подавители, пенообразователи и регуляторы рН среды.

Использование различных флотореагентов позволяет осуществлять флотацию сложного минерального сырья селективно, т.е. последовательно выделять различные фракции.

Применение поверхностно-активных реагентов резко изменяет поверхностное натяжение и краевой угол смачивания, т.е. смещает равновесие на границе фаз и увеличивает скорость флотации процесса.

Обогащение жидкого сырья осуществляется концентрацией выпариванием или донасыщением полезным компонентом, выделение каких-либо компонентов в осадок путём кристаллизации или в газовую фазу десорбцией или испарением. Для разделения жидких смесей применяется также жидкостная экстракция.

Обогащение газообразного сырья осуществляется его разделением следующими способами: абсорбционно-десорбционным, последовательной концентрации газов при сжатии и понижении температуры; последовательным испарением газов из предварительно сжиженной смеси.

Читайте также: