Металлургия легких и тугоплавких металлов (стр. 4 )

Рис.4. Изменение выхода глинозёма при выщелачивании раствором с концентрацией 244г/л Na2Oк

Рис.5. Изменение выхода глинозёма при выщелачивании раствором с концентрацией 216,7г/л Na2Oк

Рис.6. Изменение выхода глинозёма при выщелачивании раствором с концентрацией

184,18г/л Na2Oк

Выполненная работа является начальным этапом детального изучения кинетики выщелачивания бокситов СТБР. Несомненно, данное сырьё заслуживает особого внимания в настоящее время, по причине увеличения его переработки на уральских алюминиевых заводах.

В рамках поставленной задачи исследования были определение зависимости извлечения Al2O3 в раствор выщелачиванием боксита растворами с меньшей концентрацией Na2Oк, чем на производстве и при более низких температурах.

В таблице результатов опытов (таблица 4) видно, что уже на растворе с концентрацией каустической щёлочи 184,18 г/л при температуре 200°С за 120 мин достигается извлечение алюминия в раствор, близкое к теоретическому. На том же растворе при температуре 240°С эта степень извлечения достигается за 60 мин. Но за это же время ту же степень извлечения можно получить на растворе 216,7гл по щёлочи при температуре 200°С.

Превышение значений фактического извлечения от теоретического связано с растворением минерала шамозита, который в зависимости от своего химического состава может растворяться в щелочном растворе на величину от 25 до 96%. При растворении шамозит даёт кремнезём, алюминий и железо. Кремний, связывая алюминий и щёлочь, выпадает в осадок в виде ГАСНа. Вытекает предположение, что разложившийся шамозит содержал неактивный кремний, который не связал алюминий. Тоже касается каолинита, который уже при температуре 105°С полностью разлагается в щелочно-алюминатном растворе.

Дальнейшее изучение кинетики выщелачивания бокситов СТБРа даст более глубокую информацию о процессе и возможность для построения математической модели процесса.

Литература

1. Никольская получения глинозёма из бокситов: учеб. пособие/ , . г. Каменск-Уральский: ГУП СО «Каменск-Уральская типография». 2008.184 с.

2. Лайнер глинозёма / [и др.]. 2-е изд. М.: Металлургия, 19с.

3. Троицкий алюминия / , . М: Металлургия, 19с.

4. Николаев лёгких металлов / , . М: Металлургия, 19с.

5. Злоказов и реконструкция – основные пути развития мощностей и снижения энергетических затрат в производстве глинозёма / , [и др.] // Цветные металлы. 1985. №4. С.47-50.

6. Пономарёв щёлочной способ переработки алюмосиликатов / ёв, , Л. П. Ни. М.: Металлургия, 19с.

7. А Комплексное использование низкокачественных бокситов / [и др.]. М.: Металлургия, 19с.

8. Аксельруд основы расчёта вторичных потерь при выщелачивании алюминатных спёков / , // Цветные металлы, 1971. №2. с.31-34.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ КОАГУЛИРОВАНИЯ

ПРИМЕСЕЙ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ

Национальный университет пищевых технологий, г. Киев, Украина

Проблема устойчивости коллоидных систем является центральной проблемой коллоидной химии, а способность к коагуляции представляет характерную особенность всех коллоидных систем [1]. Коллоидные системы обладают различной агрегативной устойчивостью. Последняя определяется кинетическими свойствами коллоидной системы.

Современные представления об устойчивости коллоидных систем основаны на рассмотрении баланса сил, действующих между коллоидными частицами. Между близко расположенными коллоидными частицами действуют молекулярные Ван-дер-Ваальсовы силы притяжения и электрические силы отталкивания в случае одноимённозаряженных частиц. Взаимодействием этих сил и объясняют устойчивость или коагуляцию коллоидной системы.

Согласно теории энергия притяжения двух тел, отделённых узким плоскопараллельным зазором (меньше 100 Å), уменьшается обратно пропорционально второй степени расстояния между ними, а при большем расстоянии (больше 400-500 Å) убывает обратно пропорционально третьей степени этого расстояния.

Исходя из общих положений теории растворов электролитов и статистической физики установил, что электрические силы взаимодействия уменьшаются на достаточно большом расстоянии от заряженной частицы по экспоненциальному закону.

В основе современной теории коагуляции электролитов лежит представление о балансе молекулярных сил притяжения и электрических сил отталкивания. и (1941), а несколько позднее и независимо от них Фервей и Овербек предложили физическую теорию коагуляции электролитами, базирующуюся на общих принципах статистической физики, теории растворов и теории действия молекулярных сил. Согласно начальных букв фамилий этих авторов физическую теорию коагуляции называют ДЛФО. Эту теорию [2] и [3] применили для объяснения теории коагулирования примесей воды, исходя из неверной предпосылки, что продукты гидролиза коагулянтов (гидроксиды алюминия и железа) и большинство колоиднодисперсных взвешенных веществ-загрязнителей природных вод являются гидрофобными коллоидами. Авторы теории ДЛФО рассматривали условия баланса молекулярных сил притяжения и ионно-электростатического отталкивания, действующими между лиофобными коллоидными частицами. При коагуляции коллоидных систем рассматривают два предельных случая: нейтрализационную и концентрационную коагуляцию. Нейтрализационная коагуляция наблюдаются у золей со слабо заряженными частицами, а концентрационная – у золей с сильно заряженными частицами при увеличении концентрации индифферентного электролита в системе.

Нейтрализационная коагуляция наблюдается при снижении электрического заряда частиц из-за уменьшения вследствие разных причин адсорбций потенциалопределяющих ионов. В результате уменьшения заряда электрические силы отталкивания ослабевают, частицы при столкновении слипаются и выпадают в осадок. Концентрационная коагуляция наблюдается при увеличении концентрации индифферентного электролита в системе. Поскольку широко известная теория ДЛФО детально рассматривается в современных учебниках, то на ее детальном анализе мы останавливаться не будем. Отметим однако, что модель, для которой разработана теория ДЛФО, не отражает процессы коагуляционной очистки воды. Прежде всего в ней не рассматривается гидролитическое взаимодействие коагулянтов в растворе и конденсационный процесс образования твёрдой фазы (зарождение кристаллов коагуляторов) в единстве с процессами устойчивости и коагуляции лиофильных коллоидов. Поскольку не учитывается гидролитическое взаимодействие гидратированных ионов Al3+ и образование промежуточных солей алюминия (хотя авторы [2, 3] и отмечают постадийное протекание гидролиза алюминиевых и железных коагулянтов), то это не позволило им верно истолковать строение мицеллы и величину ее заряда. Ведь первая стадия гидролиза (отщепление первой сульфатной группы и замещение ее двумя гидроксид-ионами) практически начинается с момента приготовления рабочих растворов коагулянтов. Скорость последующих двух стадий гидролиза существенно замедляется вследствие наложения на химическую реакцию гидролиза в водном растворе процессов полимеризации, кристаллизации и коагуляции. Одновременно происходят адсорбционные и ионообменные процессы ( специфическая адсорбция). Не принималось во внимание так же и то, что эти процессы протекают в системе, в которой изначально существуют колоиднодисперсная фаза загрязнителей воды (взвешенные неорганические вещества, органические коллоиды – гуматы и фульвокислоты, а также биоорганические водоросли, бактерии, грибы и др.).

Авторы [2, 3] необоснованно утверждают, что очистка воды осуществляется путём адсорбции примесей очищаемой воды на поверхности образовавшихся хлопьев гидроксида алюминия (гидраргиллита) либо a-FeOOH в случае применения железных коагулянтов. Ведь первоначально образующиеся золи коагулянтов (в момент образования) значительно мельче коллоидов – загрязнителей. Поэтому на первых этапах скрытой коагуляции скорей наоборот - золи коагулятора адсорбируются на поверхности коллоидных примесей воды.

В процессе очистки воды решается задача астабилизации коллоидов, тогда как теория ДЛФО рассматривает задачу стабилизации коллоидов под действием электролитов. Учитывая чрезвычайную сложность системы, авторы ДЛФО не пытались распространить ее на объяснение процессов, протекающих при очистке воды. Необоснованное применение физической теории ДЛФО к процессам очистки воды не позволила авторам [2, 3] научно обоснованно объяснить генезис и структуру образующихся мицелл коагуляторов, величину их заряда, причины слипания одноимённозаряженных коллоидов, большинство наблюдаемых в процессе явлений и в итоге истолковать теорию процессов коагуляционной очистки воды.

При коагулировании воды широкое применение получили сульфаты, хлориды алюминия и железа, в меньшем количестве алюминаты. Эти соли, образованные многозарядными катионами слабых оснований и анионами сильных кислот, ступенчато гидролизуются по следующей схеме:

[Al(H2O)2]3++ H2O«[Al(H2O)5(OH)]2++H3O+ , (1)

[Al(H2O)5(OH)]2++H2O«[Al(H2O)4(OH)2]++ H3O+, (2)

[Al(H2O)4(OH)2]++ H2O«[Al(H2O)3(OH)3]++ H3O+«Al(OH)3+3H2O+H3O+. (3)

Ступенчато гидролизуются и соли железа (III), подобно солям алюминия (III), за исключением алюмината натрия. Но, в отличие от солей алюминия, помимо гидроксидов железа могут образовываться и труднорастворимые гидроксосоли.

В разбавленных водных растворах в отсутствие комплексообразователей при рН < 3 ион алюминия существует в виде комплекса [Al(H2O)6]3+ октаэдрической структуры [4, 5], в которой каждая из шести молекул воды первой координационной сферы связана водородными связями с двумя молекулами воды второй сферы. В разбавленных растворах с концентрацией ионов алюминия не более 10-3 г-ион/л при рН > 3 образуются мономерные гидроксокомплексы по схеме (1). Растворимость гидроксида алюминия в щелочных растворах при рН > 9,5 происходит с образованием алюминат-ионов с тетраэдрической конфигурацией [6] по схеме:

Al(OH)3+2H2O«[Al(OH)4]-+ H3O+ . (4)

Степень гидратации уменьшается при высоких значениях рН с повышением температуры и концентрации алюминия:

[Al(OH)4]- «AlO(OH)2-+H2O«AlO2-+2H2O. (5)

В интервале значений рН 3,8…4,9 гидролиз ионов алюминия Al3+ протекает по первой ступени с образованием гидроксокомплексных ионов [Al(H2O)5(ОН)]2+ по схеме (1), при рН 5…5,6 преимущественно образуются ионы [Al(H2O)4(ОН)2]+ по второй ступени гидролиза (2) [7]. При значениях рН 6,5…7,0 в растворе может оставаться достаточное количество ионов алюминия, которые образуются по первой и второй ступеням гидролиза. Это может оказывать существенное влияние на содержание остаточного алюминия в очищенной питьевой воде. Начало осаждения гидроксида алюминия отмечается при значениях рН 4, полное осаждение происходит при рН 5…7,5. Из щелочного раствора Al(OH)3 осаждается при рН около 11.

В более концентрированных растворах при СAl3+>10-3 г-ион/л в зависимости от соотношения концентраций ОН - и Al3+(a0) существуют мономерные и полимерные ионы. Увеличение концентрации алюминия и соотношения a0 способствует протеканию реакции гидролитической полимеризации. Димеризация в растворах [8] может быть представлена следующей схемой:

[Al(H2O)6]3++ [Al(H2O)5(ОН)]2+«[Al2(H2O)8(ОН)2]4++Н3О++2Н2О. (6)

С учётом анализа рассмотренных выше работ впервые в 1987 году нами [9] был высказан механизм коагуляционной очистки воды. Сущность этого механизма заключалась в том, что гидролиз сульфата алюминия в процессе очистки воды коагулятором сульфатом алюминия протекает по следующей схеме:

[Al(H2O)6]3+ « [Al(H2O)5(ОН)]2+ « [Al2(H2O)8(ОН)2]4+ « [Al4(H2O)2(ОН)6]6+ « «[Al6(H2O)12(ОН)12]6+ « [Al18(H2O)12(ОН)48]6+« золь. (7)

Позднее подобный механизм был высказан также в работе [10], но в отличии от нас там не указывается на образование тетрамеров, шестиядерных и 18-ядерных алюминиевых аквагидроксокомплексов. В тоже время мы исключаем образование 13-ядерных алюминиевых аквагидроксокомплексов. Это обусловлено тем, что исходной посылкой нашего механизма является образование в конечном счёте золя со структурой гидраргиллита. Образование 13-ядерных алюминиевых аквагидроксокомплексов должно протекать с участием мономерных алюминиевых ионов типа [Al(H2O)6]3+ или [Al(H2O)5(ОН)]2+, что по условиям протекания реакции гидролиза в принципе невозможно. Также в этой работе не представлено строение мицеллы и структурные превращения не рассматриваются вообще. Мы же мицеллу представляем формулой {[Al(ОН)3]6 [Al6(H2O)6(ОН)15]2 } (SO4)3, структура которой подобна минералу гидраргиллиту. При этом следует отметить, что наши представления отличаются от обычно принятых в коллоидной химии и в работах [2,3], где строение мицеллы представлено исходя из существования двойного электрического слоя.

Мы считаем, что первым структурным фрагментом в конденсационном процессе образования золя гидроксида алюминия со структурой гидраргиллита являются шестиядерные алюминиевые аквагидроксокомплексы (первые «кирпичики» в построении «здания» золя). При определённых значениях концентрации ионов алюминия и a0 при значениях рН > 5 происходит гидролитическое взаимодействие шестиядерных алюминиевых аквагидроксокомплексов по рёбрам октаэдров. Связь между атомами алюминия осуществляется диоловыми группами

OH

> Al Al <.

OH

При этом образуется трёхслойный аквагидроксокомплекс мицеллы [Al18(H2O)12(ОН)48]6+, в котором средний слой связан с верхним и нижним по рёбрам октаэдров водородной связью. Коагуляция мицелл происходит путём гидролитического взаимодействия верхнего и нижнего слоёв или по боковым рёбрам с сочленением этих слоев водородными связями. Одновременно может происходить такое взаимодействие мицелл с димерами и другими многоядерными аквагидроксокомплексами, расположенными дискретно на поверхности мицелл (не образуя двойного электрического слоя, как это принято в современной коллоидной химии). Если сорбируются димерные аквагидроксокомплексы [Al2(H2O)8(ОН)6]4+, то будет заряд +4, а в случае тетрамеров [Al4(H2O)2(ОН)6]6+ или шестиядерных алюминиевых аквагидроксокомплексов [Al6(H2O)12(ОН)12]6+ – это будет +6. Таким образом, заряд мицелл зарождающейся твёрдой фазы будет переменным от +4 до +6 и более, в зависимости от того, какие структурные образования сорбируются на поверхности мицелл. Поскольку эти аквагидроксокомплексы сорбируются дискретно на различных активных участках поверхности мицеллярных агрегатов, то образуется мозаичная структура зараженной поверхности. Эти положительно заряженные участки поверхности являются активными центрами, на которых возможна сорбция других частиц неорганического и органического происхождения.

Важным при этом является объяснение причины взаимодействия одноимённозаряженных частиц, поскольку они должны при соприкосновении отталкиваться. Взаимодействие их происходит благодаря интенсивному броуновскому движению. При столкновении этих частиц происходит гидролитическое взаимодействие с образованием прочных водородных связей. Мицеллы коагулируют спонтанно по всему объему дисперсной системы (очищаемой воды) по механизму разветвлённой цепи с образованием шарообразных агрегатов за счёт межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса и сил химического взаимодействия по принципу бимолекулярной реакции. Взаимодействие мицелл протекает в области быстрой коагуляции, когда все частицы, находящиеся в броуновском движении, при сближении слипаются. Кинетика быстрой коагуляции хорошо описывается теорией Смолуховского [11].

Мицеллы астабилизированного золя, сближаясь в результате броуновского движения на достаточно близкое расстояние под действием Ван-дер-Ваальсовских сил межмолекулярного притяжения и последующего гидролитического взаимодействия, соединяются посредством водородной связи в шарообразные агрегаты. На поверхности шарообразных частиц расположены гидроксид-ионы, заряженные положительно димеры и полиядерные аквагидроксокомплексы алюминия, образующие положительно заряженные центры поверхности. Положительный заряд этих комплексов компенсируется противоионами, например SO42- в случае применения в качестве коагулянта сульфата алюминия.

В результате коагуляции шарообразных агрегатов образуются линейные цепочки, которые в дальнейшем образуют сетчатые структуры разветвлённых линейных цепочек, так называемые хлопья.

Таким образом, весь процесс коагуляционного осветления воды, начинается с образования мицелл – первых «кирпичиков» построения структуры хлопьев и заканчивая их осаждением, условно можно разбить на несколько этапов. На первом этапе, после подачи коагулянта в очищаемую воду, происходит гидролиз его с образованием мицелл и последующим их агрегированием в более крупные шарообразные частицы золя.

В процессе очистки воды особенно от веществ, придающих окраску очищаемой воде (гумус и другие органические вещества), а также от взвешенных и особенно, ионнорастворимых минеральных веществ самую важную роль играют первичные частицы – полиядерные алюминиевые аквагидроксокомплексы, мицеллы и более крупные шарообразные частици золя, характеризующиеся большой поверхностной энергией. Первоначальным актом очистки воды, по-видимому, является взаимодействие димеров и других полиядерных аквагидроксокомплексов алюминия с ионно - и молекулярнорастворёнными, а также коллоидными веществами, поскольку их численная концентрация в очищаемой воде наибольшая. Процесс обесцвечивания преимущественно протекает на стадии формирования шарообразных агрегатов, а осветление – на стадии построения цепочечных структур.

Образовавшиеся крупные хлопья в процессе очистки воды играют роль «трупов», сводящуюся к тому, чтобы обеспечить максимальную скорость осаждения (седиментации). Поэтому первичные мельчайшие частицы золя гидроксида алюминия, сыграв свою основною роль в очистке воды, объединяется в большие хлопья и «умирают» (осаждаются). Для достижения максимального эффекта очистки воды от ионно - и молекулярнорастворимых, а также коллоиднодисперсных веществ необходимо обеспечить наиболее благоприятные условия для гидролиза коагулянтов и максимальную скорость образования мицелл и первичных агрегатов золя на первом этапе скрытой перикинетической коагуляции. Этому процессу до последнего времени уделялось мало внимания. Также следует обеспечить максимальную скорость образования достаточно крупных и быстрооседающих хлопьев на последующем этапе ортокинетической коагуляции, что способствует формированию прекрасных условий для осветления очищаемой воды.

Литература

1. Воюцкий коллоидной химии. –М.: Химия, 1964. –574 с.

2. , Строкач очистки природных вод. –К.: Вища шк. Головное изд-во, 1981.–328 с.

3. Николадзе очистки природных вод: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1987. – 479 с.

4. Frantiello A., Lee R. E., Nishida V. M., Schuster R. E. // J. Chem. Phys., 1968. – T. 48, №8. – P. 3705.

5. Silveria A., Marques M. A., Marques N. M. // C. r. Acad. sci., 1961. – T. 252, №25. – P. 3983.

6., , и др. // ЖПХ, 1973. – Т. 46, №2. – С. 457–459.

7. , , Невская ионов металлов в разбавленных растворах. – М.: – Атомиздат., 1979. – 192 с.

8. Аkkit Y. W., Greenwood N. N., Khandelwal B. L., Lester G. D. // J. Chem. Dalton Trans., 1972. – №5. – P. 604-610.

9. // Химия и технология воды, 1987. – Т. 9, №3. – С. 226-221.

10. J. Duan, J. Gregory, Coagulation by hydrolising metal salts. // Advance in Colloid and Interface Science, 101-102, 2003, – P. 475-502.

11.Smoluchovski M. // Z. phys. Chem., 1928. – Bd 92 – S. 129-136.

Факторы, влияющие на отстаивание (сгущение)

частиц твердой фазы

NALKO», Москва

На процесс отстаивания (сгущения) частиц твердой фазы при обогащении и переработке рудного и нерудного сырья влияет целый ряд факторов. К ним относятся размер частиц твердой фазы, минералогический состав твердой фазы, вязкость, плотность и температура воды (жидкой фазы), содержание твердой фазы в суспензии, добавление флокулянтов.

При свободном падении относительно жидкости частица находится под действием силы тяжести, направленной вниз, подъемной (архимедовой) силы, направленной вверх, и силы гидродинамического сопротивления жидкости.

Скорость свободного падения сферической частицы в среде, которую она приобретает в условиях ламинарного режима при уравновешивании силы тяжести и сопротивления среды, можно определить по закону Стокса [1-3]:

Как видно из уравнения (1), скорость осаждения частиц будет возрастать с увеличением размера частиц и их плотности, а также с уменьшением плотности и вязкости жидкой фазы.

Уравнение (1) относится к свободному осаждению частиц и позволяет судить о влиянии основных факторов на осаждение. Скорость стесненного осаждения частиц меньше скорости свободного осаждения частиц тех же размеров. Это объясняется тем, что при стесненном осаждении появляется дополнительное сопротивление, связанное с трением и соударением частиц. При стесненном осаждении сближаются скорости осаждения частиц разного размера, но различаются скорости движения частиц по высоте аппарата. Осаждение замедляется одновременно с уплотнением суспензии.

В расчетной практике для определения скорости vст стесненного осаждения пользуются следующими эмпирическими формулами [1-3]:

Согласно закону Стокса (1) с уменьшением размера частиц снижается скорость отстаивания. Тонкие частицы твердой фазы практически не оседают без их предварительной агрегации.

Из практики известно [4, 5], что не только размер частиц, но и минералогический состав твердой фазы влияет на скорость отстаивания. Так, например, наличие глинистых компонентов оказывает большое влияние на процесс сгущения (отстаивания). Частицы глины имеют форму чешуек или пластинок размерами менее 5 мкм. Поскольку такие частицы имеют большую удельную поверхность, то и молекулярная сила взаимодействия между частицами глины и воды также велика, что осложняет их разделение. Глинистые частицы размером менее 0,2 мкм образуют с водой коллоидную систему. В коллоидных системах скорости осаждения частиц чрезвычайно низкие, что затрудняет их разделение. Если в твердой фазе присутствуют коллоидные частицы или частицы несут на своей поверхности заряд (x-потенциал), то необходимо добавить неорганический или органический коагулянт, который дестабилизирует частицы коллоидных размеров через уменьшение поверхностного заряда этих частиц до величины, когда начинают доминировать Ван-дер-Ваальсовы силы, приводящие к агломерации взвешенных частиц.

С повышением вязкости жидкой фазы скорость осаждения частиц и степень их уплотнения заметно снижаются, т. к. по закону Стокса (1) скорость свободного падения частицы обратно пропорциональна вязкости жидкой фазы. Вязкость же в свою очередь зависит от температуры, а также состава жидкой фазы [6, 7].

С повышением температуры вязкость воды снижается (рис. 1). С повышением концентрации растворенных веществ, т. е. с повышением солесодержания, вязкость воды (раствора) увеличивается.

Рис.1.Зависимость вязкости воды от температуры

На скорость отстаивания частиц, согласно закону Стокса (1), влияет плотность жидкой фазы – с ее понижением возрастает скорость свободного падения частицы. Плотность воды, так же как и вязкость, снижается при повышении температуры (рис. 2) [6, 7]. С увеличением солесодержания плотность воды повышается [6, 7], а это приводит к снижению скорости отстаивания частиц.

Рис. 2. Зависимость плотности воды от температуры

Снижение температуры приводит к повышению вязкости и плотности воды [6, 7], что в свою очередь вызывает снижение скорости отстаивания частиц. Из литературы известно, что с повышением температуры возрастает скорость отстаивания всех разновидностей твердых фаз.

Простой расчет показывает, что при снижении температуры воды с 25°С до 5°С скорость свободного падения шарообразной частицы с плотностью 2,5 г/см3 снижается в 1,71 раза только за счет изменения вязкости и плотности воды.

Содержание твердой фазы в суспензии (пульпе) является одним из самых существенных факторов, влияющих на скорость отстаивания [8-16]. Cкорость стесненного осаждения частиц меньше скорости свободного осаждения частиц тех же размеров. Это объясняется тем, что при стесненном осаждении возникает дополнительное сопротивление, связанное с трением и соударением частиц. При этом сближаются скорости осаждения частиц разного размера, а осаждение замедляется одновременно с уплотнением суспензии.

Снижение скорости отстаивания с повышением содержания твердой фазы в суспензии характерно для всех типов руд, концентратов, шламов и других твердых фаз.

Как следует из уравнения (2), чем ниже коэффициент e2×10–1,82×(1–e), тем ниже скорость стесненного осаждения частицы. Этот коэффициент в свою очередь определяется величиной объемной доли жидкости в суспензии, т. е. зависит от содержания твердой фазы в суспензии, поступающей на отстаивание. Расчет показывает, что если содержание твердой фазы в суспензии возрастает с 50 г/л до 500 г/л, то скорость стесненного осаждения частиц с плотностью 2,5 г/см3 снижается в 3 раза (рис. 3).

Рис.3. Зависимость коэффициента e2×10-1,82(1-e) в уравнении (2)

от содержания твердой фазы в суспензии (r=2,5 г/см3)

Выше было отмечено, что на процесс отстаивания твердой фазы влияет добавление флокулянта. Функция, которую выполняет флокулянт, заключается в объединении частиц и микрофлокул в более крупные агрегаты, которые будут быстро осаждаться под действием силы тяжести. На рис. 4 схематично показан механизм флокуляции тонкодисперсных частиц.

Рис.4. Флокуляция частиц твердой фазы

Принято считать [5, 9-15], что флокулянты действуют по механизму мостиковых связей. Молекула полимера адсорбируется поверхностью двух или более частиц, физически связывая их.

В литературе [9, 10, 14] рассматривается несколько механизмов адсорбции. Согласно одному из них адсорбция происходит вследствие образования водородных связей между полярными группами. По другой теории адсорбция происходит благодаря электростатическим силам, возникающим между противоположно заряженными участками полимера и поверхности частицы. Адсорбированный поверхностью частицы полимер разворачивает свою цепочку в объем раствора. На адсорбцию полимера и на его конфигурацию (форму) влияют химия самого полимера, свойства твердой и жидкой фазы, а также температура.

Типичный флокулянт представляет собой длинную углеводородную цепочку. Полимер состоит из нескольких (поли) повторяющихся единиц (мер) и имеет молекулярную массу от 5 до 20 миллионов. Молекулярная масса флокулянтов значительно больше молекулярной массы коагулянтов (от 20 до 100 тысяч).

В зависимости от химии флокулянтов их заряд может быть нейтральным, анионным или катионным. В процессах обезвоживания продуктов обогащения главным образом применяют нейтральные (неионогенные) и анионные флокулянты [9,10]. Нейтральные (неионогенные) флокулянты представляют собой длинные полимерные цепочки полиакриламида (ПАА), получаемого из акриламидных мономеров (рис. 5). Анионные флокулянты представляют собой сополимеры акриламида и акрилата натрия (рис. 6). Флокулянт является анионным благодаря отрицательно заряженным карбоксилатным группам в полимере.

Рис.5. Акриаламид (слева) и полиакриалмид (справа)

Рис.6. Сополимер акриаламида и акрилата натрия

Отношение акрилата натрия к акриламиду в полимере определяет его анионность. Увеличение доли акрилата натрия повышает анионный заряд флокулянта (табл. 1) [11].

Таблица 1

Характеристика анионных флокулянтов

Относительный заряд флокулянта	Акриламид, %	Акрилат, %
Нейтральный	98 – 100	0 –2
Слабо анионный	80 – 98	2 – 20
Средне анионный	60 – 80	20 – 40
Средне-высоко анионный	30 – 60	40 – 70
Высоко анионный	0 – 30	70 – 100

На процесс флокуляции влияют следующие факторы [8-15]: тип полимера, его молекулярная масса и разбавление, величина рН и ионная сила жидкой фазы, перемешивание суспензии с флокулянтом, содержание твердой фазы в суспензии и гранулометрический состав твердой фазы, температура и технологическая схема процесса. Знание и понимание этих факторов позволяет правильно выбрать флокулянт, определить его оптимальную дозировку и точки ввода флокулянта. Рассмотрим некоторые из них.

Тип полимера [9-12, 15]

При переработке рудного и нерудного сырья в качестве флокулянтов чаще всего применяют анионные флокулянты (сополимеры акриламида и акрилата натрия). В разных системах эти сополимеры ведут себя по-разному.

Движущая сила адсорбции контролируется минералогическим составом твердой фазы и свойствами жидкой фазы суспензии. Основными полимерными группами в рассматриваемых флокулянтах являются амид и карбоксилат. Известно, что обе эти группы могут адсорбироваться поверхностью частиц твердой фазы. Однако детальные исследования показали, что эти функциональные группы выполняют различную роль. Основная функция амидной группы – это адсорбция посредством водородных связей. Основная роль, которую выполняет карбоксилатная группа, заключается в развертывании полимерной цепочки в объем жидкой фазы за счет сил электростатического отталкивания для последующего образования мостиковых связей между частицами твердой фазы. Однако, это не означает, что карбоксилатные группы неспособны к адсорбции, но их главная функция в большинстве случаев связана с развертыванием полимерной цепочки в объем раствора. Сополимеры акриламида и акрилата натрия обычно более активны, чем неионогенный полиакриламид, несмотря на тот факт, что большинство твердых частиц несут на своей поверхности отрицательный заряд. Повышенная активность анионных полимеров связана с развертыванием полимерных цепочек за счет электростатических сил отталкивания между отрицательно заряженными карбоксилатными группами.

На рис. 7 показано влияние величины рН жидкой фазы на форму полимеров [9, 11].

Рис.7. Зависимость формы полимера от рН среды

Идеальный флокулянт для конкретного технологического процесса должен выдерживать баланс между адсорбционными группами (обычно акриламид) и молекулами, которые участвуют в развертывании полимерных цепочек (обычно акрилат).

Молекулярная масса (ММ) [9-15]

По одной из теорий, флокуляция частиц происходит через построение между ними мостиковых связей при помощи флокулянта. Следовательно, ММ флокулянта играет важную роль при флокуляции. Чаще всего увеличение ММ флокулянта приводит к повышению скорости сгущения суспензий, хотя существуют и обратные примеры. Следует помнить, что при снижении активности флокулянта необходимо учитывать целый ряд факторов.