Принципы флотационной очистки. Что такое флотация: преимущества и недостатки этого способа очистки Эффективность метода флотации: важные параметры

Общепринятая схема очистных сооружений как локального, так и централизованног о общегородского типа в обязательном порядке включает в себя этап осаждения. Отстоянные стоки чаще всего поступают на ступень биологической очистки.

Однако отстойники справляются с удалением только крупных взвесей, которые тяжелее воды. Многие микрочастицы и вещества в коллоидной форме легче водной среды, поэтому не подвергаются осаждению. Эту проблему решают при помощи ступени флотационной очистки, основанной на сложном физико-химическо м процессе. Именно о флотации пойдет речь в нашей статье.

Что такое флотация?

В переводе с английского языка флотацию дословно можно обозначить как плавание на поверхности воды. В области очистки сточных вод флотация применяется в качестве метода выделения мелких твердых частиц, коллоидных взвесей, некоторых растворенных веществ. В основе процесса лежит индивидуальная способность различных соединений к смачиванию и поведение на границе раздела фаз жидкость-газ. Несмачиваемыми водой являются гидрофобные вещества. Гидрофильные соединения обладают хорошей способностью к смачиванию.

Обобщенно и упрощенно флотацию можно описать следующим образом:

в очищаемую воду подают диспергированный воздух;
гидрофобные частицы приближаются к пузырьку воздуха;
водная прослойка между гидрофобной частицей и воздушным пузырем постепенно истончается и разрывает в связи с тем, что сила взаимодействия между молекулами воды больше чем сила адгезивного контакт вода-частица;
образуется комплекс гидрофобной частицы с пузырьком газа;
этот флотирующий комплекс всплывает на поверхность стоков, так как он менее плотный чем гетерогенная система, в которой он находится.

Так на поверхности стоков образуется пенный слой, который постепенно удаляется специальным механизмом.

Отчего зависит эффективность флотации для очистки воды

На процесс флотации может повлиять многое. Но наиболее сильное воздействие оказывают описанные ниже факторы.

Область применения флотации

Флотация позволяет очистить воду от взвесей, не подвергающихся осаждению, в связи с тем, что они имеют близкую к воде плотность. Флотационный процесс применяют для удаления из воды ПАВ, нефтепродуктов, волокнистых загрязнителей, жиров и т. п., а также некоторых растворенных веществ, в последнем случае очистка называется пенной сепарацией. Кроме того, флотацию применяют для удаления из стоков взвесей активного ила.

Преимущества и недостатки очистки стоков флотацией

Флотация является одним из самых популярных способов очистки сточных вод. Без флотационного процесса редко обходятся очистные промышленные и ливневые сооружения. Все связано с рядом преимуществ флотационной очистки стоков.

Относительно небольшие затраты в процессе эксплуатации.
Простота оборудования.
Возможность выделения определенных загрязнителей.
Скорость процесса флотационной очистки от некоторых взвесей выше скорости оседания.
Возможность удаления таких загрязнителей как нефтепродукты.
Продуктом флотации является шлам с не очень высоким содержанием воды.

С особенностью самого флотационного процесса связаны и его минусы.

Так как флотация зависит от гидрофобности вещества, применять ее можно для удаления не всех загрязняющих компонентов.
Зачастую приходится использовать реагенты для повышения гидрофобности загрязнителей и устойчивости полученной пены.
Необходимо точно производить настройку оборудования, подающего воздух с целью получения пузырьков определенного диаметра.

Виды флотационной очистки сточных вод

В основе разделения на виды очистки сточных вод методом флотации лежит способ насыщения стоков воздухом и механизм его диспергирования.

Выделение воздушных пузырьков из раствора

Из раствора пузырьки воздуха определенного размера выделяют методом напорной и вакуумной флотации. В первом случае в воду под давлением нагнетают воздух, после этого резко понижают давление в системе, в результате чего в толще сточной воды выделяются воздушные пузырьки.

Вакуумная флотация по принципу схожа с напорной, но исполнение отличается. Сначала вода поступает в аэрационную камеру (1), где контактирует с воздухом и насыщается им, после этого в дезаэраторе (2) удаляется нерастворившийся в воде воздух. Потом вода поступает в камеру флотации (3), где происходит понижение давления в сточной воде, в результате чего образуются воздушные пузырьки.

Оба способа прекрасно подходят для очистки сточных вод от мелкодисперсных загрязнителей.

Механическое насыщение воды диспергированным воздухом

Обогащение воды пузырьками воздуха можно произвести механическим путем. Для этого могут применяться 3 метода: перемешивание воды при помощи небольшой турбины (импеллерные установки), колесом, соединенным с центробежным насосом (безнапорная флотация) или введением воздуха через форсунки труб, уложенных на дне флотационной камеры (пневматическая установка). Во время перемешивания образуются завихрения, благодаря которым стоки насыщаются пузырьками воздуха.

Импеллеры позволяют получить пузырьки небольшого диаметра и применяются для удаления нефтепродуктов и жиров. Этот метод дает возможность регулировать объем пузырьков: чем выше скорость вращения турбины, тем мельче пузырьки. Безнапорные установки позволяют получать более крупные пузырьки, которые не эффективны для удаления мелких взвесей. Безнапорную флотацию применяют для удаления жировых загрязнений, а также частиц шерсти и волокон. Пневматическая флотация используется в том случае, когда необходимо очистить воды, являющиеся агрессивными для таких механических конструкций как импеллер или колесо насоса.

Пропускание воздушных масс через материал с порами

Простым способом диспергирования воздушного потока является пропускание его перед подачей через пористые материалы (на рисунке обозначен цифрой 2), например, пластины с щелевидными прорезями. Чем меньше отверстие, тем меньше диаметр пузырьков.

Получение пузырьков газа из раствора путем электролиза

При этом способе в сточные воды помещают 2 электрода, через которые пропускают ток. Это приводит к выделению возле электродов газовых пузырьков кислорода и водорода. Кроме того, часто используют электроды из алюминия или железа. Соединения этих металлов выделяются в сточную воду и представляют собой коагулянты, приводящие к объединению взвешенных загрязнителей в хлопья. Хлопьевидные частицы контактируют с воздушными пузырьками и поднимаются на поверхность стоков.

Реагенты, применяемые во флотационной очистке

В процессе очистки методом флотации могут применяться реагенты, действие которых различается по двум основным направлениям: повышение гидрофобности и стабилизация пены.

Так как многие загрязнители могут содержать как гидрофобную, так и гидрофильную группу, то их способность к смачиванию снижена, поэтому флотация затруднена. В этом случае прибегают к добавлению в сточные воды реагентов, которые называют собирателями. Они также содержат гидрофильную (полярную) и гидрофобную (неполярную) группы. Взаимодействие между собирателем и загрязнителем происходит на уровне полярных концов. Гидрофобная группа реагента остается свободной.

В качестве собирателей в очистке сточных вод применяют поверхностно-акт ивные вещества: нефтепродукты, масла, меркаптан, аммонийные соли и т.п.

Другой группой флотационных реагентов являются пенообразователи. Они защищают пузырек от разрушения, таким образом повышая эффективность удаления загрязняющей частицы. К стабилизаторам пены относятся масло сосны, крезол, фенолы и др.

Заключительное слово

Флотация при всех своих положительных характеристиках не является самостоятельной очисткой. Это одно из звеньев очистных сооружений, позволяющее удалить их воды те вещества, которые не удалось убрать отстаиванием. Именно поэтому флотаторы устанавливаются зачастую после отстойников.

На процесс пенной флотации оказывают влияние многие факторы. Рассмотрим кратко влияние наиболее значимых из них. Минералогический состав и свойства полезного ископаемого являются факторами, определяющими степень предварительного измельчения руды, расход и номенклатуру флотационных реагентов, выбор оптимальной технологической схемы флотационного обогащения.

Крупность частиц полезного ископаемого , поступающего на флотационное обогащение, определяется необходимостью достаточного раскрытия минеральных зерен, плотностью и гидрофобностью минералов. Неметаллические полезные ископаемые могут успешно флотироваться в крупности до 1 мм, плотные рудные минералы флотируются при меньшей крупности. Крупность частиц оценивается содержанием в твердой фазе пульпы класса –0,071 мм (–200 меш). Руды многих цветных металлов вследствие тонкого взаимного прорастания минералов требуют измельчения, обеспечивающего содержание класса –0,071 мм до 90-95 %, что достигается использованием двух- и трехстадиального измельчения руды перед флотацией и доизмельчением продуктов флотационного обогащения «внутри» флотационной схемы. Следует учитывать, что частицы крупностью менее 0,01 мм флотируются неселективно, и избыточное их содержание ухудшает технологические показатели процесса.

Плотность пульпы (содержание твердого в пульпе) определяет степень извлечения в пену флотируемого минерала и содержание извлекаемого компонента в концентрате. Для плотных пульп извлечение выше, для менее плотных пульп выше содержание ценного компонента в концентрате. Основную и контрольную флотации, например, сульфидных руд производят обычно при содержании твердого 30-40 %, перечистные операции, где необходимо получение концентрата высокого качества, – при содержании твердого 10-25 %.

Реагентный режим определяет перечень применяемых флотационных реагентов, их расход и порядок подачи в процесс. Обычно реагенты (в случае их использования во флотационном процессе) подаются в следующем порядке: регуляторы среды, депрессоры или активаторы, собиратели и пенообразователи. Регуляторы среды обычно подаются в мельницу; депрессоры (активаторы) – в мельницу или слив классифицирующих аппаратов; собиратели – в контактные чаны или зумпфы насосов, перекачивающих продукты обогащения, или в первые камеры флотомашин; пенообразователи – в первые камеры флотомашин. Жидкие растворимые реагенты подают в виде 1-5 % растворов, расход реагентов отсчитывают в граммах сухого реагента на одну тонну исходной руды. Подача реагента может быть сосредоточенной, когда реагент подается в какую-либо одну точку процесса, либо дробной, когда реагент распределяется по всему фронту флотации.

Продолжительность флотации определяет содержание и извлечение флотируемого компонента в концентрат. Зависимости извлечения компонента в концентрат и содержания компонента в концентрате от продолжительности флотации приведены на рис. 6.9. Данные зависимости показывают, что увеличение продолжительности флотации сверх некоторого предела не приводит к существенному повышению извлечения, но приводит к снижению качества концентрата. Продолжительность флотации всегда определяется экспериментально, исходя из технологических требований и экономических факторов.

Степень аэрации пульпы измеряется в литрах воздуха в минуту на 1 м 2 зеркала пульпы в машине. Аэрация должна быть равномерной по всему объему флотационной машины. Чрезмерная аэрация пульпы может привести к усилению процесса коалесценции пузырьков и, соответственно, ухудшению результатов флотации, так как увеличивается вероятность отрыва минеральной частицы от крупного пузырька, всплывающего с большой скоростью. Избыточная аэрация пульпы уменьшает производительность флотомашины.

Ионный состав жидкой фазы пульпы в значительной степени может определять процесс взаимодействия реагентов с минералами. Вода, используемая при флотации (в подавляющем большинстве случаев, оборотная), содержит большое количество так называемых «неизбежных» ионов (Cl – , SO 4 2– , HCO 3 – , CO 3 2– , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+) природного происхождения. Кроме того, вода содержит кислород, углекислый газ, молекулярный сероводород. В процессе измельчения и классификации руды вода дополнительно насыщается ионами Cu 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ и др.

Для уменьшения влияния «неизбежных» ионов (полностью исключить их влияние невозможно) используют соответствующие реагенты (соду, известь, щелочи), переводящие многие ионы в неактивную форму.

Технология флотационного процесса предполагает использование различных вариантов технологических схем флотации в зависимости от состава и свойств минерального сырья. Для характеристики технологических схем флотации принята специальная терминология.

Прямая флотация – процесс флотационного разделения, при котором ценный компонент переводится в пенный продукт. При обратной флотации в пенный продукт переводятся породные минералы, а ценный компонент концентрируется в камерном продукте. (Бывают случаи, когда оба продукта являются концентратами, например, при селекции медно-цинковых коллективных концентратов).

Основной флотацией называется начальная операция флотационной схемы, в которой предварительно разделяются определенные группы минералов. Например, в пенный продукт переводятся ценные минералы, а в камерном остаются породные; или в пенном продукте концентрируются минералы, содержащие одни ценные компоненты, а в камерном – другие ценные компоненты. В основной операции, как правило, невозможно получение кондиционных по качеству концентратов и отвальных хвостов (отходов).

Перечистной флотацией (или перечисткой) называют операции, в которых подвергают повторной флотации концентраты предыдущих операций флотации для повышения их качества.

Контрольной флотацией называют операции флотации хвостов предыдущих операций (чаще всего – основной флотации) для доизвлечения ценных компонентов из них.

Циклом флотации называется совокупность операций, характеризуемых каким-либо единым признаком, например ценным компонентом (медный цикл, цинковый цикл), и в котором обязательно получают один или несколько конечных продуктов.

Стадией флотации называют совокупность операций, происходящих при неизменной крупности твердой фазы пульпы. К этим операциям относятся непосредственно различные операции флотации, операции измельчения, классификации и т. д. Первая стадия флотации осуществляется на предварительно измельченной руде, последующие стадии – после доизмельчения каких-либо продуктов флотации предыдущей стадии (концентратов, хвостов, промпродуктов).

Порядок выделения ценных компонентов из руды при флотационном методе обогащения может быть различным. При коллективной флотации в общий концентрат выделяют одновременно несколько ценных компонентов, а в дальнейшем производят их разделение (селекцию). Селективная флотация предполагает последовательное получение концентратов различных компонентов, причем обычно вначале выделяют наиболее легкофлотируемые минералы, затем труднофлотируемые. Во многих случаях применяют коллективно-селективные схемы флотации , согласно которым вначале получают коллективный концентрат, содержащий несколько ценных компонентов, а затем из него получают концентраты каждого компонента в отдельности. Применение коллективно-селективной флотации позволяет существенно упростить технологическую схему и уменьшить «фронт флотации», т. е. сократить количество флотомашин, необходимых для осуществления процесса.

На рис. 6.10, а приведена принципиальная схема селективной флотации свинцово-цинково-баритовой руды, а на рис. 6.10, б – принципиальная схема коллективно-селективной флотации медно-цинково-пиритной руды.

Рис. 6.10. Принципиальные схемы флотации

На принципиальных схемах каждый цикл флотации изображается в виде одной операции, на подробных качественно-количественных схемах каждый цикл «разворачивается» в технологическую схему с основными, перечистными и контрольными флотациями, операциями измельчения, классификации и т. п.

ФЛОТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБОГАЩЕНИЯ

ЛЕКЦИЯ № 10

Флотационные методы обогащения - это процессы разделения полезных ископаемых, основанные на различии физико-химических свойств поверхности разделяемых минералов.

Эти свойства проявляются в различной способности минералов закрепляться на границе раздела фаз.

Фазой называется часть разнородной системы, которая отделена от других частей видимой границей раздела и обладает одинаковыми химическими и термодинамическими свойствами.

Различная способность удерживаться на межфазовой поверхности определяется смачиваемостью частиц.

Известны вещества, хорошо смачиваемые водой. Они называются гидрофильными , что в переводе с греческого означает «любящие воду». Например, на стекле капля воды хорошо растекается по его поверхности.

И есть такие вещества, которые не смачиваются или плохо смачиваются водой, т.е. «бояться воды». Они называются гидрофобными . Например, самыми гидрофобными веществами являются парафин и тефлон, капля воды на них не растекается, а сохраняет округлую форму.

Поэтому, в другой формулировке:

Флотация – это метод обогащения полезных ископаемых в водной среде, который основан на различии в смачиваемости водой частиц разделяемых компонентов.

Среди гидрофобных веществ много и таких, которые хорошо смачиваются маслом, т.е. олеофильных .

У Геродота есть описание метода вылавливания золотых частиц гусиными перьями, смоченными жиром.

Этот процесс находит применение и в настоящее время, правда, не для извлечения золота, а выделения тонких частиц алмазов (олеофильных частиц).

Если через поверхность, обработанную жиром, пропустить пульпу с алмазоносным песком, то кристаллики алмазов, избирательно смачиваясь жировой поверхностью, прилипают к ней. Для того чтобы прилипание было более надежным, поверхность алмазов предварительно покрывают жировой пленкой. Это осуществляется просто – перемешивают немного жира с пульпой, содержащей измельченную руду. Жир (масло) избирательно прилипает только к олеофильным частицам алмаза, остальными минералы уносятся водой.

Второй этап развития метода – масляная флотация . Как и обогащение на липких поверхностях, метод основан на явлении смачивания, но с существенной особенностью – с избирательным всплыванием несмачиваемых средой минералов. Процесс прост – перемешивание измельченной руды, воды и масла в емкости. Частицы масла смачивают олеофильные частицы, собираются в крупные капли и всплывают на поверхность воды (не забываем, что масло легче воды). Верхний слой пульпы снимается, образуя концентрат. Частицы пустой породы (гидрофильные), не смоченные маслом, остаются в воде (отходы).

Масляная флотация имеет низкую производительность и большой расход масла, поэтому широкого применения не получила. Она может применяться при доводке концентратов редких металлов.

Наиболее распространена пенная флотация.

В принципе безразлично, в какой среде разделять минералы по смачиваемости, лишь бы они смачивались по-разному. Развитие техники обогащения привело к самому простому варианту, при котором смачиваемость водой частиц противопоставляется их взаимодействию с воздушным пузырьком, всплывающим в пульпе. Это и есть суть пенной флотации.

Образно говоря, если гидрофобные вещества «бояться» воды, то они «любят» воздух.

Другими словами, воздух способен вытеснить с гидрофобной поверхности водную пленку и, следовательно, закрепиться на ней.

Таким образом, если в пульпу, содержащую гидрофильные и гидрофобные частицы, добавить пузырьки воздуха, то получим картину, изображенную на рис. 10.1 (флотация – от англ. flotation – всплывание, удерживание на поверхности воды).

Таким образом, в процессе пенной флотации участвуют три фазы:

Твердая - полезное ископаемое (крупностью до 0,5 мм),

Жидкая – вода,

Газообразная – пузырьки воздуха.

Пульпа насыщается пузырьками воздуха, т.е. осуществляется аэрация пульпы. Воздух может засасываться из атмосферы и диспергироваться в пульпе специальными механическими аэраторами или в пульпу вдувается сжатый воздух.

Гидрофобные частицы закрепляются на пузырьках воздуха и выносятся ими на поверхность пульпы, образуя слой минерализованной пены - пенный продукт, как правило, это концентрат. Гидрофильные частицы остаются в пульпе и образуют камерные продукт – отходы (их часто называют «хвостами»).

У пенной флотации, есть существенный недостаток – это невозможность выделения в концентрат частиц крупнее 0,5 мм. Это связано с действующими на комплексы пузырек-частица гравитационными и гидродинамическими силами.

Для выделения более крупных частицы – от 0.5 до 3 мм разработана разновидность пенной флотации – пенная сепарация.

Принцип метода заключается в том, что в отличие от обычной флотации свежая пульпа подается не в подпенную зону, а непосредственно на толстый слой устойчивой пены, предварительно полученный, например, подачей воздуха через пористое дно аппарата.

Гидрофобные частицы задерживаются пеной и выгружаются с ней через порог пенного сепаратора. Так как поднимать из глубины машины частицы нет необходимости, повышается крупность извлекаемых гидрофобных частиц. Гидрофильные частицы, проходя через слой пены, осаждаются в нижнюю часть машины.

В настоящее время флотация – один из основных методов обогащения полезных ископаемых.

Они широко применяется для обогащения большинства руд цветных и редких металлов, апатитовых, фосфоритовых, баритовых, графитовых и других руд, полевошпатового сырья и угольных шламов.

Процесс также применяется для очистки воды от органических веществ (нефти, масел); бактерий; тонкодисперсных осадков солей и др.

Помимо горноперерабатывающих отраслей флотация используется в пищевой, химической и других отраслях для очистки промышленных стоков, ускорения отстаивания, выделения твердых взвесей и эмульгированных веществ и.т.п. Широкое применение флотации привело к появлению большого количества модификаций процесса по различным признакам.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации:

напорную,

пневматическую,

механическую,

электрофлотацию,

химическую,

вибрационную,

биологическую и др,

В настоящее время на станциях очистки широко используют напорную, пневматическую и электрофлотацию.

Пена образуется на поверхности воды в результате всплывания пузырьков воздуха, несущих на себе удаляемые из воды примеси. Она должна быть достаточно прочной и не допускать попадания загрязнений в воду. Кроме того, пена должна обладать определенной подвижностью при перемещении её к сбросным устройствам. Устойчивость и подвижность пены зависит от свойств и количества реагентов и загрязнений, вносимых в пенный слой. Стабилизации пены способствует наличие в воде хлопьев коагулянта, например. Как правило, удаление пены из флотатора производят либо кратковременным подъемом уровня воды с отводом ее через лотки, расположенные равномерно по площади камеры, либо с помощью скребковых механизмов (пеногонов), перемещающих пену к сборным лоткам.

Метод пневматической флотации

Данный метод основан на подаче сжатого газа (воздуха) в аэрационно-распределительную систему флотокамеры.

Аэрационная система представляет собой мелкопузырчатые аэраторы различных типов - мембранные дисковые аэраторы, перфорированные резиновые шланги, пористые трубы и пластины и т.д. Газ под давлением проходит через отверстия аэраторов и в виде пузырьков одинакового диаметра выходит в очищаемую жидкость. Пузырьки под действием силы Архимеда всплывают, встречая на своем пути частицы загрязнений и образуя с ними довольно устойчивые комплексы.

За счет равномерной подачи воздуха и образования пузырьков с одинаковыми размерами во флотационной камере не возникает сильных турбулентных потоков, что обеспечивает надежный подъем флотокомплексов и получение устойчивого пенного продукта. Пневматические флотационные машины отличаются простотой конструкции и малыми энергозатратами, но при их проектировании и эксплуатации могут возникать такие проблемы как засорение пор, сложность в подборе мелкопористого материала.

Метод напорной флотации

Метод напорной флотации. Сущность этого метода заключается выделении пузырьков газа из пресыщенного раствора при перепаде давления. Газ выделяется в виде микропузырьков, зарождающихся непосредственно на частицах загрязнения, образуя прочные флотокомплексы. В данном методе во флотационную камеру подается два потока воды: очищаемая вода и рабочая жидкость (вода насыщенная растворенным газом в количестве 10% от общего потока). Рабочая жидкость готовится в сатураторе - аппарате, где происходит растворение газа. Рабочее давление в сатураторе составляет 3-9 Бар, время растворения не более 5 минут. В качестве рабочей жидкости может использоваться или исходная вода, но при этом усложняется эксплуатация, или очищенная вода, при этом увеличиваются габариты флотокамеры.

Очищаемая вода равномерно вводится во флотокамеру. Поток рабочей жидкости вводится через форсунки с высокой скоростью - 15-20 м/с. В результате резкого снижения давления на частицах загрязнений выделяется газ и протекает флотационный процесс.

Способ напорной флотации позволяет путем регулирования давления легко изменять количество растворенного воздуха и размер пузырьков, вводимых в обрабатываемую воду.

Метод механической флотации

Основным элементом в данном методе является импеллерный блок, включающий электродвигатель и импеллер в обсадной трубе.

За счет высокой скорости вращения создается воронка и разряжение в нижней части, через отверстия обсадной трубы подсасывается воздух и попадает под вращающиеся лопатки, которые его дробят на мелкие пузырьки. Именно эти пузырьки и распределяются по объему жидкости и благодаря им протекает процесс флотации. К достоинствам механической флотации можно отнести простоту конструкции и малые энергозатраты, но при данном типе флотации из-за вращающихся частей создаются турбулентные потоки, которые могут разрушить сформировавшиеся флотокомплексы.

Метод электрофлотации

Сущность этого метода заключается выделении газовых пузырьков на электродах при прохождении электрического тока.

Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Электрофлотационные аппараты состоят из корпуса и электродов, пространство между которыми заполнено очищаемой жидкостью. При подключении электродов к источнику питания происходит выделение газов на электродах: на аноде - кислорода, на катоде - водорода. Наряду с этим происходит растворение анода, изготовленного из дюралюминия (или стали). Образующийся гидроксид алюминия (железа) сорбирует частицы загрязнений с образованием хлопьев. Одновременно пузырьки кислорода и водорода слипаются с образующимися хлопьями. Флотокомплексы хлопья - пузырьки газов поднимаются вверх и образуют пенный слой. Электрофлотация - это очень эффективный, но вместе с тем очень энергозатратный метод очистки воды, поэтому его целесообразно применять только для трудноочищаемых сточных вод.

ФЛОТАЦИЯ (французским flottation, английский flotation, букв. — плаванье на поверхности воды * а. flotation; н. Flotation, Flotatieren, Schaumschwimnaufereitung; ф. flottation; и. flotacion) — процесс разделения мелких твёрдых частиц (главным образом минералов) в водной суспензии (пульпе) или растворе, основанный на избирательной концентрации (адсорбции) частиц на границах раздела фаз в соответствии с их поверхностной активностью или смачиваемостью . Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз (обычно газа и воды) и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц.

Флотация — один из основных методов обогащения полезных ископаемых , применяется также для очистки воды от органических веществ ( , масел), бактерий, тонкодисперсных осадков солей и др. Помимо горноперерабатывающих отраслей промышленности флотация используется в пищевой, химической и других отраслях для очистки промышленных стоков, ускорения отстаивания , выделения твёрдых взвесей и эмульгирования веществ и т.п. Широкое применение флотации привело к появлению большого количества модификаций процесса по различным признакам (рис.).

Первой была предложена масляная флотация (В. Хайнс, Великобритания , 1860). Для её осуществления измельчённая руда перемешивается с маслом и водой; при этом сульфидные минералы избирательно смачиваются маслом, всплывают вместе с ним и снимаются с поверхности воды, а породы (кварц, полевые шпаты) тонут в воде. В России масляная флотация была использована для обогащения графитовой руды (г. Мариуполь, 1904). Позднее этот вид был усовершенствован: масло диспергировалось до эмульсионного состояния, что позволяло извлекать тонкие шламы, например марганцевых руд . Способность тонких гидрофобных частиц удерживаться на поверхности воды, в то время как гидрофильные тонут в ней, была использована для создания плёночной флотации (А. Нибелиус, США, 1892; А. Мак-Куистен, Великобритания, 1904). Плёночная флотация не имела большого практического использования, но явилась прообразом пенной флотации, как с точки зрения использования межфазной границы вода — воздух, так и с точки зрения использования флотационных реагентов , поскольку было замечено, что плёночная флотация проходит значительно эффективнее в присутствии небольших количеств масла. В процессе пенной флотации обработанные реагентами частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха, образуя пенный , устойчивость которого регулируется добавлением пенообразователей. Для образования пузырьков предлагались различные методы: образование углекислого газа за счёт химической реакции (С. Поттер, США, 1902), выделение газа из раствора при понижении давления (Ф. Элмор, Великобритания, 1906) — вакуумная флотация, энергичное перемешивание (механическая флотации), пропускание воздуха сквозь мелкие отверстия (пневматическая флотация). Тонкодисперсные пузырьки для флотации из растворов получают также при электролитического разложении воды с образованием газообразного кислорода и водорода (электрофлотация).

Разнообразные способы образования газовых пузырьков и комбинации этих способов соответствуют различным типам флотационных машин . Соединение камер флотационных машин в определённой последовательности с направлением потоков пенных и камерных продуктов на перефлотацию, доизмельчение, перечистную или контрольную флотации составляет схему флотации, которая позволяет получить концентрат требуемого качества при заданном извлечении полезного компонента . Концентрат может быть получен пенным (прямая флотация) или камерным продуктом (обратная флотация); в последнем случае флотации подвергается пустая порода .

Для проведения пенной флотации производят измельчение руды до крупности 0,5-1 мм в случае природно-гидрофобных неметаллических полезных ископаемых с небольшой плотностью ( , уголь, тальк) и до 0,1-0,2 мм для руд металлов. Для создания и усиления разницы в гидратированности разделяемых минералов и придания пене достаточной устойчивости к пульпе добавляются флотационные реагенты. Затем пульпа поступает во флотационные машины. Образование флотационных агрегатов (частиц и пузырьков воздуха) — аэрофлокул происходит при столкновении минералов с пузырьками воздуха, вводимого в пульпу.

На флотацию влияют ионный состав жидкой фазы пульпы, растворённые в ней газы (особенно кислород), температура и плотность пульпы. На основе изучения минералого-петрографического состава обогащаемого полезного ископаемого выбирают схему флотации, реагентный режим и степень измельчения, которые обеспечивают достаточно полное разделение минералов. Лучше всего флотацией разделяются зёрна размером 0,1-0,04 мм. Более мелкие частицы разделяются хуже, а частицы мельче 5 мк ухудшают флотацию более крупных частиц. Отрицательное действие частиц микронных размеров уменьшается специфическими реагентами. Крупные (1-3 мм) частицы при флотации отрываются от пузырьков и не флотируются. Поэтому для флотации крупных частиц (0,5 -5 мм) в разработаны способы пенной сепарации , при которых пульпа подаётся на слой пены, удерживающей только гидрофобизированные частицы. С той же целью созданы флотационные машины кипящего слоя с восходящими потоками аэрированной жидкости.

Во флотационных машинах часто происходит побочный процесс — осаждение гидрофобных частиц на стенках и особенно деревянных деталях, т.н. флотации твёрдой стенкой. Этот эффект был положен в основу метода флотации тонких шлемов (-10 мкм) с помощью носителя — гидрофобных частиц флотационной крупности, селективно взаимодействующих с извлекаемыми шламами; образующиеся агрегаты подвергались обычной пенной флотации.

Для очистки воды, а также извлечения компонентов из разбавленных растворов в 50-х гг. был разработан метод ионной флотации .

Широкое распространение флотации, возникшей первоначально благодаря ряду эмпирических изобретений, оказало значительное влияние на становление физической химии поверхностных явлений, а развитая теория стала основой совершенствования процесса флотации.

В развитии теории флотации важную роль сыграли работы русских физико-химиков: И. С. Громека, впервые сформулировавшего в конце 19 века основные положения процесса смачивания; Л. Г. Гурвича, разработавшего в начале 20 века положения о гидрофобности и гидрофильности. П. А. Ребиндер развил теорию адсорбционных и поверхностно-активных процессов, указал на роль флокуляции в процессе флотации. Вопросы электрохимических взаимодействий при флотации впервые рассмотрел А. Н. Фрумкин (1930), а затем Р. Ш. Шафеев и В. А. Чантурия. Теория аэрации при флотации развита В. И. Классеном. Теория взаимодействия реагентов с минералами при флотации развита И. Н. Плаксиным и его школой (В. А. Глембоцкий, Классен, Шафеев, В. И. Тюрникова и др.), а также А. Таггартом , А. Годеном, Д. Фюрстенау (), И. Уорком (Австралия), М. Г. Флемингом (Великобритания) и др. Кинетике флотации, математическому моделированию и управлению процессом флотации посвящены работы К. Ф. Белоглазова, О. С. Богданова, Л. А. Барского, В. З. Козина, И. И. Максимова, Ю. Б. Рубинштейна, а также П. Инуэ (Япония), Фюрстенау (США) и др. Создание теории селективной флотации минералов связано с именами М. А. Эйгелеса, С. И. Митрофанова, С. И. Полькина и др.

Совершенствование процесса флотации идёт по пути синтеза новых видов флотационных реагентов, конструирования флотационных машин, замены воздуха другими газами (кислород, азот), а также внедрения систем управления параметрами жидкой фазы флотационной пульпы. Благодаря флотации вовлекаются в промышленное производство тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых.