Гидрофобные взаимодействия и их влияние на смачиваемость и флокуляцию сульфидных минералов в присутствии полимеров Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

СЕМИНАР 23

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.Е. Вигдергауз, Э.А. Шрадер, Л.М. Саркисова, С.А. Степанов, М.В. Панова, 2001

УДК 622.765.063.2:541.18.041.2

B.Е. Вигдергауз, Э.А. Шрадер, Л.М. Саркисова,

C.А. Степанов, М.В. Панова

ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СМАЧИВАЕМОСТЬ И ФЛОКУЛЯЦИЮ СУЛЬФИДНЫХ МИНЕРАЛОВ В ПРИСУТСТВИИ ПОЛИМЕРОВ*

Г

идрофобные взаимодействия играют существенную

роль в целом ряде природных и технологических процессов, в таких явлениях, как адгезия, смачивание, при флотации, флокуляции и др. Однако, до настоящего времени природа сил гидрофобного взаимодействия полностью не раскрыта. С применением новой экспериментальной техники - атомно-силового микроскопа, позволяющего измерять силы взаимодействия между объектами в водной среде при расстояниях 0,1-0,2 нм [1], установлено, что силы притяжения между гидрофобными поверхностями существенно превышают силы Лондо-на-Ван-Дер-Ваальса, а протяженность их действия колеблется в широких пределах, достигая 50-100 нм [2, 3]. По мнению различных исследователей, возникновение этих сил может быть результатом электростатического притяжения вследствие поляризации, образования микропузырьков (кавитации), изменения структуры водной прослойки за счет разрыва водородных связей и некоторых других факторов [3-5]. Ряд исследователей отводят определяющую роль коалесценции зародышей пузырьков между сближающимися гидрофобными поверхностями, ко-

торая была обнаружена экспериментально с применением метода оптической кавитации [2, 5].

Впервые эффект гидрофобного взаимодействия для селективной флокуляции шламов использовали Дж. Рубио и Дж. Китченер [6], предложив в качестве универсального способа достижения селективности процесса гидрофобизацию шламов минерала с помощью флотационных реагентов с последующим их взаимодействием с частично гидрофобным полимером (полиэти-ленокси-дом). Ими была показана возможность селективной флокуляции шламов малахита и хризоколлы полиэтиленоксидом после обработки минералов сернистым натрием или ксантогенатом.

В последние десятилетия внимание исследователей привлекают также полностью гидрофобные полимеры. Они оказались эффективными при флокуляции и флотации углей, причем их применение вместо аполярных собирателей позволило получить более высокие показатели разделения. С добавками полностью гидрофобного полимера удалось улучшить результаты флотации молибденита, обеспечить флокуляцию шламов пирита и халькопирита [7-10].

Действие гидрофобного полимера основано на гидрофобном взаи-

модействии с гидрофобной поверхностью минеральных частиц. Не располагая возможностями для экспериментального измерения сил, действующих между частицами, в данной работе оценку степени гид-рофобности поверхности минерала производили путем измерения сил отрыва пузырька воздуха от шлифа минерала с помощью торзионных весов. Исследования проводились на шлифах пирита и халькопирита. Была также изучена флокуляция порошков этих минералов крупностью -0,44 мкм гидрофобным полимером, в качестве которого исследовался бутадиен-стирольный сополимер СКС-30 ОХ, получаемый в промышленных условиях в виде эмульсии, требующей лишь разбавления перед применением. Эксперименты проводились в тических условиях путем отстаивания в цилиндре обработанной гентами суспензии минералов с делением ее на отстой и осадок. нетику изменения светопропускания суспензии контролировали на трофотометре Specord 400М с пьютерной приставкой.

Изучение смачиваемости поверхности минералов в зависимости от рН показало, что с увеличением рН от 4 до 9 гидрофобность поверхности халькопирита возрастает (рис. 1, а), дальнейшее увеличение рН приводит к существенному снижению сил отрыва. Для пирита (рис. 1, б) наблюдалась иная картина. При рН более 6 происходило значительное снижение сил отрыва, что свидетельствует о росте гидратированно-сти поверхности минерала. Добавки гидрофобного полимера СКС-30 ОХ в количестве 5 мг/л приводят к увеличению сил отрыва и для халькопирита, и для пирита. Однако при рН около 9 происходит резкое снижение сил отрыва. Для халькопирита разница между силами отрыва без полимера и в его присутствии с ростом рН уменьшается и при рН 9 и более значения сил отрыва в обоих случаях мало отличаются, что свидетельствует о снижении гидрофо-бизирующего действия гидрофобного полимера СКС-30 ОХ на халькопирит с ростом рН.

*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 00-05-64094

а

6 8 10

1 - без реагентов;

2 - в присутствии 5 мг/л СКС;

3 - в присутствии 5 мг/л бутил.ксантогената;

4 - в присутствии 5 мг/л бутилового ксантогената и 5 мг/л СКС

ч

8

и

12 рН

1 - без реагентов;

2 - в присутствии 5 мг/л СКС;

3 - в присутствии 5 мг/л бутил.ксантогената;

4 - в присутствии 5 мг/л бутил. ксантоге-

ната и 5 мг/л СКС

рН

Рис. 1. Влияние рН на силу отрыва пузырька от поверхности шлифов халькопирита (а) и пирита (б)

4

В экспериментах по флокуляции шламов халькопирита было установлено уменьшение флоку-лирующего действия СКС-30 ОХ с ростом рН (рис. 2), что, по-видимому, связано со снижением гидрофобиза-ции минерала полимером. Для пирита добавки гидрофобного полимера также привели к значительному возрастанию сил отрыва, но при рН более 9 наблюдалось их резкое снижение. При флокуляции шламов пирита полимером СКС-30 ОХ также отмечено уменьшение выхода флокул в осадок в щелочной среде (рис. 2).

Исследования флокуляции халькопирита и пирита при естественном рН суспензии (4-5) в присутствии диспергатора - гексаметафосфата натрия (100 мг/л) показали, что почти полная флокуляция наступает при дозировках полимера 2-5 мг/л. В

щелочной среде при рН около 10, создаваемой боратно-щелочным буфером, по данным спектрофотометрических измерений флокуляция халькопирита под действием СКС-30 ОХ не происходила при более высоких его концентрациях (75 мг/л), что, по-видимому, связано с гидрофилизацией поверхности минералов в щелочной области и согласуется со снижением сил отрыва при рН более 9.

Усиление флокулирующего действия гидрофобного полимера было достигнуто в результате предварительной обработки шламов халькопирита 1 мг/л гексилового ксантоге-ната при естественном рН суспензии (рис. 3) и при концентрации бутилового ксантогената 5 мг/л в присутствии 200 мг/л жидкого стекла в щелочном буферном растворе при дозировках гидрофобного полимера 5 мг/л и выше (по данным спектрофотометрических измерений).

О дополнительной гидрофобиза-ции минералов гидрофобным полимером после их обработки в растворе ксантогената свидетельствуют и данные измерений сил отрыва. Для халькопирита и пирита кривые зависимостей сил отрыва от рН в присутствии 5 мг/л бутилового ксанто-гената и 5 мг/л СКС-30 ОХ идут значительно выше, чем при подаче одного ксантогената (рис. 1). Возрастание сил отрыва наблюдалось до рН 8,6-8,7, после чего происходило их снижение. Для всех иссле-

дованных условий для халькопирита характерен спад сил отрыва при рН более 9. Этот эффект получен и для пирита как при подаче одного гидрофобного полимера, так и в случае предварительной обработки минерала ксантогенатом.

Зависимость сил отрыва от рН в присутствии ксантогената близка к изменению флотируемости минералов [11]. При идентичной дозировке бутилового ксантогена-та (5 мг/л) оптимум флотируемо-сти халькопирита соответствует интервалу рН 2,5-9 с последующим снижением флотируемости, что согласуется с падением сил отрыва при рН более 9, рис.1а. Для пирита при большей дозировке ксантогената (10 мг/л) максимальная флотируемость отмечена в более широкой области рН 2,5-10, после чего наступает ее спад [11]. Уменьшение сил отрыва при концентрации собирателя 5 мг/л получено при

рН более 9, рис.1б.

Исследование смачиваемости халькопирита и пирита показало гидрофобизирующее действие по-

лимера СКС-30 ОХ, которое снижается при рН более 9. Установлено, что эффект гидрофобизации может быть усилен предваритель-

ной обработкой минералов ксантогенатом, что приводит к усилению флокулирующего действия гидрофобного полимера.

1. Israelachvili J.N. and Adams G.E. Measurement of Forces between Two Mica Surfaces in Aqueous Electrolyte Solution in the Range 0-100 nm. // J. Chem. Soc., Faraday Trans.

1. - 1978. -74. - P. 975-1001.

2. Wood J. and Sharma R. How Long Is the Long-Range Hydrophobic Attraction? // Langmuir. - 1995. - 11. - P. 4797-4802

3. Vinogradova O.I. Slippage of Water over Hydrophobic Surfaces. // Int. J. Miner. Process.- 1999.- 56.- P.31-60

4. Van Oss C.J., Good R.J., Chaudhury M.K. Determination of the Hydrophobic Interaction Energy - Application to Separation Processes. // Separation Science and Technology. -1987. - 22(1). - P. 1-24

5. Иевлева В.В., Пчелин В.А., Ямпольский Б.Я. Гидрофобные взаимодействия в водных суспензиях электропроводящих частиц. // Коллоидный журнал. - 1975. - 37. - № 5. - С. 866-870

6. Rubio J. and Kitchener J.A. New Basis for Selective Flocculation of Mineral Slimes // Trans. Inst. Min. and Met. Sec. C. - 1977. - V.86. - Sept. - P. C97-C100

7. Attia Y.A., Shaning Y.U. and Veski S. Selective Flocculation Cleaning of Upper Freeport Coal with a Totally Hydrophobic Polymeric Flocculant // Flocculation in Biotechnology

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

and Separation System / Edited by Y.A.Attia. - Amsterdam. -1987, p. 547-564

8. Vigdergauz V.E., Schrader E.A., Stepanov S.A., Kuznetsov V.L. and Antonova E.A. Selective Flocculation of Coal and Sulfide Minerals by the Emulsion of Synthetic polymers // Proc. Ш International Symposium "The Use of Polymers in Mineral Processing"/ Ed. Laskowski J.S., 1999, p. 265-279

9. Castro S.H., Stooker R. And Laskowski J.S. The Effect of Hydrophobic Agglomerant on the Flotation of Fine Molybdenite Particles // Proceedings XX IMPC, Aachen: 1997. - V.3, p. 559-569

10. Вигдергауз В.Е., Шрадер Э.А., Степанов С.А., Антонова Е.А., Саркисова Л.М., Кузнецова И.Н., Панова М.В. Флокуляция шламов сульфидных минералов гидрофобным полимером // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2000. - № 5. - С. 103-108.

11. Абрамов А.А. Теоретические основы оптимизации селективной флотации сульфидных руд. - М.: Недра, 1978. - С. 103-104.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

X Вигдергауз Владимир Евелевич - доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Шрадер Элеонора Александровна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Саркисова Лидия Михайловна - инженер, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Степанов Сергей Александрович - инженер, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Панова Марина Владимировна - инженер, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

\J