Принципи збагачення (концентрування) та розділення сировини

Природна сировина є зазвичай багатокомпонентною сумішшю, що, крім корисної речовини, з якої власне отримують продукт, містить додаткові компоненти та різноманітні домішки. Чим вищий вміст додаткових компонентів і домішок, а отже, менша концентрація корисного компонента у сировині, тим більші транспортні витрати (бо разом з основним компонентом від місця видобування до переробного підприємства перевозиться пуста порода). Зростає також витрата енергії на переміщення сировини за технолоґічною схемою, її нагрівання, перемішування. Низька концентрація корисного компонента в сировині призводить до зменшення швидкості хіміко-технолоґічних процесів, ступеня вилучення чи перетворення основного компонента, зумовлює перевитрати реаґентів і матеріалів, потребує використання основного (реактори) й допоміжного (транспортери, ємності з мішалками, насоси) обладнання із значно більшими робочими об’ємами та потужностями. Окрім того, інертні компоненти і домішки, що містяться у сировині, можуть забруднювати отриманий продукт, а це вимагатиме додаткових витрат на його очищення. Усе це разом може різко погіршити техніко-економічні показники виробництва порівняно з таким, де використовують висококонцентровану сировину або чисті реаґенти.

Додаткові компоненти та домішки можуть бути інертними (нейтральними) або активними (реакційно здатними). Інертні домішки зменшують концентрацію цінного компонента, зменшують швидкість фізико-хімічних процесів, але в хімічних процесах участі не беруть, тобто побічні продукти у цьому випадку не утворюються. Наприклад, у повітрі, кисень якого служить реаґентом для окиснення SO₂ до SO₃ у виробництві сульфатної кислоти, азот, аргон, вуглекислий газ є інертними компонентами, які на хімізм процесу не впливають.

Активні компоненти різко погіршують якість сировини та перебіг технолоґічного процесу її перероблення у продукт через те, що відбуваються побічні (небажані) реакції. Інколи вони навіть унеможливлюють використання сировини без її попереднього підготовлення або очищення: природний газ, який містить сірководень, не можна використовувати як паливо в побуті, бо утворюється SO₂, що забруднює довкілля; сірковмісні сполуки як компоненти нафти призводять до інтенсивної корозії обладнання та отруєння каталізаторів у процесах її перероблення.

Отже, більшість видів сировини, особливо природної, перед переробленням необхідно очищувати від домішок, тобто концентрувати за основним (цінним) компонентом. Такі процеси називають збагаченням. Збагачення – це сукупність фізичних, фізико-хімічних, хімічних і біохімічних методів оброблення сировини з метою вилучення домішок і одержання її концентрату з якомога вищим вмістом основного компонента.

Збагачення сировини, зокрема, корисних копалин (руд, вугілля) є зазвичай складними багатостадійними і доволі вартісними процесами, але їх застосування дає змогу значно інтенсифікувати технолоґічні процеси перероблення збагаченої сировини у продукти, або істотно зменшити забруднення довкілля.

Сировина часто містить декілька корисних компонентів. У цьому випадку її розділяють на компоненти не тільки з метою вилучення домішок, але й для розділення цінних компонентів, які знаходяться разом у багатокомпонентній сировині. При цьому техніко-економічна ефективність виробництва різко зростає, бо є змога одержати ширшу номенклатуру продукції внаслідок комплексного перероблення одного виду сировини.

Розділення чи збагачення сировини здійснюють найрізноманітніші методи й процеси, які базуються на різних властивостях компонентів сировини. Залежно від суті процесів, на яких ґрунтуються методи збагачення й розділення, їх можна поділити на чотири групи: фізичні, фізико-хімічні, хімічні, біохімічні.

У методах першої групи розділення відбувається лише внаслідок перебігу фізичних процесів під дією фізичних чинників, які не призводять до хімічних перетворень. Методи цієї групи базуються на різниці фізичних показників або властивостей (характеристиках) окремих компонентів сировини (густини, твердості, магнітної сприйнятливості, електропровідності тощо).

Фізико-хімічні методи полягають у розділенні суміші на компоненти, внаслідок зміни її хімічного складу, яка відбувається під впливом фізичних факторів (температури, електромагнітних випромінювань тощо).

Хімічні методи базуються на зміні хімічного складу суміші внаслідок хімічних перетворень під дією спеціально введених у систему реаґентів. Їх поділяють на необоротні та оборотні.

Біохімічні методи ґрунтуються на застосуванні в технолоґіях збагачення мікроорганізмів, які використовують цінний компонент або, рідше, домішки як поживну речовину.

Дуже часто процеси збагачення чи розділення сировини здійснюють як типові хіміко-технолоґічні процеси.

3. Збагачення та розділення твердофазової сировини (сумішей)

До фізичних методів збагачення та розділення твердих матеріалів належать такі: розсіювання, гравітаційний, електромагнітна сепарація, електростатична сепарація, флотація, безреаґентне вилуговування.

Розсіювання ґрунтується на різній міцності (твердості) компонентів сировини. Під час подрібнення менш міцні (крихкі) мінерали руйнуються до частинок менших розмірів, ніж міцніші (в’язкіші) матеріали. Відтак одержують частинки з різними розмірами, тобто різних фракцій. Одна з них є концентратом цінного компонента, а інша – пустою породою, хоча вона також містить деяку кількість основного компонента. Їх розділяють на спеціальних ситах, які називають грохотами.

Гравітаційний метод ґрунтується на різній швидкості осідання (падіння) твердих частинок залежно від їх розмірів та густини під дією сили земного тяжіння (гравітації). Якщо частинки мають однаковий середній розмір, то швидше осідатимуть важчі – із більшою густиною; якщо різний розмір, то їх осідання відбуватиметься у міру зменшення маси.

Розрізняють сухе і мокре гравітаційне розділення. Вони відрізняються середовищем, у якому його здійснюють: сухе – у потоці газу (переважно, повітря), а мокре – у рідині (переважно у воді).

У промисловості найпоширенішими є методи мокрого розділення. Для їх здійснення використовують різні за конструкцією апарати, але найчастіше – гідравлічні класифікатори (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Схема гідровлічного класифікатора: 1, 2, 3 – осаджувальні камери. Напрямки руху частинок: А – важчої, В – легшої.
Сили: 1 – інерції; 2 – гравітації; 3 – результатна

Вони складаються із декількох секцій – осаджувальних камер, розділених невисокими перегородками. Кожна з камер має конусоподібні (пірамідальні) днища для легшого вивантаження осілих частинок. Для зміни швидкості руху рідини в апараті, що необхідно для збільшення ефективності його роботи, у плані (вигляд зверху) він є трапецеїдальної форми. Подрібнена сировина спочатку змішується із рідиною (водою) у ємності з мішалкою й у вигляді пульпи (твердих частинок, завислих у рідині) подається у гідравлічний класифікатор. На кожну частинку у потоці рідини діють різноспрямовані сили: інерції (по горизонталі), гравітації (донизу), виштовхування (вгору). Остання сила для мінеральної сировини є порівняно незначною, тому нею знехтуємо. Частинки рухаються у напрямку, який визначається як результат дії усіх сил. Отже, спочатку у камері 1 осідатимуть важчі (більші) частинки, у камері 2 – середні, а ще легші (найменші) – у камері 3. Кожна з отриманих фракцій буде різною за вмістом корисного компонента. Найлегші частинки, а це переважно пуста порода, будуть виводитьсь з кластфікатора з потоком рідини. Різновидом гравітаційних методів є відцентрові, які базуються на одночасній дії сили земного тяжіння та відцентрової (доцентрового прискорення). Реалізується такий метод в апаратах, які називають гідроциклонами (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Схема гідроциклона: 1– вхідний штуцер; 2 – корпус; 3 – центральна труба;
4 – вихідний штуцер; 5 – шламовий штуцер

Вони складаються із верхньої циліндричної частини з патрубками введення та виведення потоку і нижньої конічної частини з патрубком виведення згущеної суспензії важчих частинок. Початкова пульпа вводиться в апарат через штуцер 1, розташований відносно корпусу дотично. При цьому здійснюється так зване тангенціальне введення потоку в апарат. Відтак пульпа набуває обертового руху, внаслідок чого виникає відцентрова сила. Під її дією важчі частинки відкидаються до периферії, тобто до стінок, де дони стикаються між собою й ущільнюються, а надалі за спіралеподібною траєкторією біля стінки переміщуються у нижню частину гідроциклона, з якого виводяться через шламовий штуцер 5. З внутрішним спіралеподібним потоком рідини рухаються легші частинки, які виводяться з гідроциклона через центральну трубу 3 й вихідний патрубок 4. У такому апараті сировину розділяють на дві фракції, одна з яких є збагаченою за корисним компонентом, а інша – пустою породою.

Відцентрові сили є значно більшими, ніж гравітаційні, тому гідроциклони є ефективнішими порівняно з гравітаційними класифікаторами. Вони характе­ризуються вищими продуктивністю та інтенсивністю роботи, мають менші розміри. Тому апарати цього типу все ширше застосовуються у промисловості.

Гравітаційні методи застосовують для збагачення руд, силікатної сировини, вугілля, у виробництві мінеральних солей.

Електромагнітний (магнітний) метод базується на різній магнітній проникності матеріалів, тобто різній здатності компонентів сировини до намагнічування. Застосовується цей метод для відділення магніто­сприйнятливих частинок від немагнітних.

Суть процесу магнітної сепарації полягає у розділенні мінеральних частинок під дією магнітної сили, величина якої повинна переважати конкуруючі сили, наприклад, тяжіння, інерції.

Магнітне збагачення здійснюють у сепараторах, характерною особливіс­тю яких є наявність у робочій зоні магнітного поля. Магнітне поле створюється електромагнами, значно рідше – постійними магнітами. Розділення сировини у полі дії електромагнітного поля здійснюється притягуванням мінеральних частинок з підвищеною магнітною сприйнятливістю (інколи навпаки – від­штовхуванням магнітожорстких), тоді як на немагнітні частинки це поле не діє.

Розрізняють декілька видів магнітного збагачення, серед яких найчастіше застосовують метод сепарації з потоку подрібненої сировини та сепарації кускових матеріалів. Для реалізації методу сепарації з потоку переважно використовують стрічкові або валкові електромагнітні сеператори. На рис. 4.24 зображено схему руху частинок при їх розділенні методом електромагнітної сепарації на стрічковому сепараторі.

Рис. 4.24. Стрічковий електромагнітний сепаратор: 1 – транспортувальна стрічка сепаратора; 2 – електромагніт; 3 – магнітні частинки; 4 – бункер для магнітних частинок; 5 – немагнітні частинки; 6 – бункер для немагнітних частинок;
7 – поле дії електромагнітних сил

Подрібнена сировина подається на стрічку транспортера 1, що рухається із швидкістю, за якої немагнітні частинки 5 за інерцією потрапляють у бункер 6. Інші частинки 3 (ті, що здатні до намагнічування) утримуються на стрічці магнітним полем. Воно створюється, наприклад, електромагнітом 2, вмонто­ваним у барабан транспортера. Відривання таких частинок відбувається у зоні, де магнітні сили слабшають. Тому вони і потрапляють у відповідний бункер 4.

Для підвищення ефективності цього методу сепарацію можна здійснювати у воді, магнітних рідинах або електролітах – відбувається магнітогідростатична або магнітодинамічна сепарація.

Дуже часто магнітні частинки є дрібновкрапленими у пусту породу. Тому сировина повинна бути достатньо подрібненою, розкритою.

При збагаченні слабкомагнітних матеріалів їх попередньо намагнічують термічно або термохімічно високотемпературним обробленням, зокрема, за присутності реаґентів. Унаслідок цього змінюється структура або хімічний склад сировини з утворенням сильномагнітних матеріалів. Такі явища спостерігаються, наприклад, при відновному випалюванні окиснених залізних руд, лужному гідрометалургійному намагнічуванні бурих залізняків.

Магнітну сепараціюзастосовують для збагачення магнетитових руд, магнетитових кварцитів, титано-магнетитових і титано-цирконієвих руд, вольфрамових концентратів, станум-вольфрамових шламів. Методи цієї групи використовують також для збагачення сировини у виробництві оптичного скла, вилученні феромагнітних частинок у цементній та азбестоцементній промисловості, під час перероблення вторинної полімерної сировини.

Електростатична сепарація ґрунтується на різній електропровідності і, відповідно, магнітній сприйнятливості компонентів сировини. При переміщенні подрібненої сировини біля поляризованої поверхні різні компоненти електризуються по-різному. Відповідно до цього траєкторії руху частинок біля площини поляризації є різними. Поляризація створюється прикладанням до поверхонь високовольтного електричного струму. Частинки з високою провідністю не електризуються і зберігають напрям руху. Унаслідок зазначених процесів відбувається розділення сировини на фракції.

Апарат для електростатичного збагачення складається із плоского горизонтального заземленого провідника 1 і циліндричної поверхні 2, яка розташована паралельно площині 1 і заряджена позитивно (рис. 4.25).

Електричне поле між двома поверхнями має максимум інтенсивності у вертикальній площині 3 і зменшується при віддаленні від неї. Частинки ком­понентів руди, які характеризуються більшою провідністю, відштовхуються з більшою силою і відкидаються до віддалених периферійних ділянок поверхні 1.

Флотаційний метод збагачення (флотація від англ. flotation – плавання) ґрунтується на різній змочуваності компонентів твердофазової сировини рідинами – найчастіше водою. Критерієм змочуваності будь-якої твердої частинки є крайовий кут змочування Q. Він утворюється на межі розділу окремих фаз у системі тверде тіло – рідина – газ. Вершина крайового кута Q знаходиться у точці, де контактують усі три фази, один промінь кута проводять на межі розділу фаз газ – рідина, а другий – рідина – тверде тіло (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Схема змочування частинок: 1 – гідрофобна; 2 – гідрофільна

Якщо частинка змочується рідиною, то крайовий кут змочування – гострий (Q<90^o), а вона називається гідрофільною; якщо ж не змочується, то кут є тупим (Q>90^o), частинка гідрофобна. Сили поверхневого натягу рідини, у якій здійснюється флотація, намагаються вирівняти рівень рідини (бо викривлення її поверхні зумовлює надлишок енергії у системі, що є термодинамічно не вигідним). Відтак гідрофільні частинки будуть виштовхуватись на поверхню рідини, а гідрофільні – затримуватись в об’ємі рідини, а надалі осідати. Слід зазначити, що при флотаційному розділенні частинки повинні мати такі розміри й, відповідно, маси, щоб сила тяжіння, що діє на них, була сумірною із силами поверхневого натягу, тобто сировину попередньо необхідно розмолоти. В інакшому випадку великі частинки просто потонуть під дією сили власної маси.

Гідрофобні частинки мають погану адгезію до води, внаслідок чого мають змогу прилипати до бульбашок повітря (рис. 4.27). Утворений агломерат тверда частинка – бульбашка має значно меншу густину, ніж густина рідини, а тим паче твердої частинки, тому він буде швидко підійматись угору.

Рис. 4.27. Умови рівноваги бульбашки повітря на поверхні частинки

Саме ця обставина зумовила застосування у флотаційному збагаченні інтенсивного барботажу повітря через пульпу. Підіймаючись угору, бульбашки повітря прилипають до гідрофобних частинок. Чим більша гідрофобність частинок і, відповідно, крайовий кут змочування, тим більшій периметр прилипання бульбашки повітря до частинки і тим більша ймовірність її спливання. Частинки, що спливли разом з бульбашками повітря, утворюють на поверхні рідини піну. Оскільки вона є збагаченою корисним компонентом, то її називають флотоконцентратом, який збирають і відводять для подальшого перероблення.

Ефективність флотації значно зростає, якщо у пульпу вводити спеціальні реаґенти, які, незважаючи на призначення, мають спільну назву флотореаґенти.

Так, для збільшення стійкості та стабільності піни у пульпу додають речовини-піноутворювачі, які знижують поверхневий натяг води і утворюють адсорбційні плівки на поверхні бульбашок. Збільшення гідрофільності твердих частинок досягається застосуванням колекторів (збирачів) – речовин, що селективно сорбуються на поверхні частинок, утворюючи гідрофобний шар (плівку). Тому такі частинки краще прилипають до бульбашок повітря й легше спливають.

Ефективність флотаційного збагачення зростає також, якщо не тільки додатково гідрофобізувати одні частинки, але й забезпечувати ще краще змочування інших – гідрофільних частинок. Для цього у пульпу вводять речовини, які називають пригнічувачами (депресорами).

Для збільшення ступеня вилучення цінного компонента із сировини часто застосовують такий технолоґічний захід, як повторну флотацію (перефлотацію)твердої фази, яка збирається на дні апарата – так званих хвостів флотації.

Оптимальні умови флотації створюються також регулюванням величини рН водної пульпи, у яку вводять речовини-регулятори (вапно, кальцинована сода, сульфатна кислота).

Якщо під час розмелювання сировини утворюються надто дрібні частин­ки, то вони погано флотуються. Тому в таких випадках застосовують коагулян­ти і флокулянти,які призводять до збільшення розмірів частинок твердої фази.

Для ефективної флотації найважливішим процесом є насичення пульпи бульбашками повітря. Для цього застосовують такі методи: флотацію з виділенням повітря з розчину при створенні розрідження (здійснюють у вакуумних, напірних та аерліфтних установках; флотацію з механічним диспергуванням повітря ( імпелерні, безнапірні та пневматичні установки); флотацію з диспергуванням повітря через пористі матеріали, електрофлотацію.

Найчастіше застосовують комбінований метод, у якому поєднується імпе­лерне і пневматичне диспергування повітря. Він здійснюється у пневмомеха­нічних флотаційних машинах, принципова схема якої зображена на рис. 4.28.

Рис. 4.28. Принципова схема пневмомеханічної флотомашини: 1– камера (корпус);
2– заспокоювачі; 3–імпелер; 4– переливний поріг; 5– порожнистий вал

Через обертовий порожнистий вал з імпелером подається стиснене повітря. Воно диспергується в об’ємі пульпи, що надходить у камеру флотома­шини, внаслідок обертання імпелера та підвищеного тиску. Перемішування і циркуляція пульпи у камері здійснюються дією механічного імпелера і барботування повітря. Це сприяє газонаповненню пульпи, а відтак покращанню флотації. На поверхні пульпи утворюється піна, яка відводиться через переливний поріг самоплином або за допомогою механічних скребків на подальше перероблення.

Безреаґентне вилуговування ґрунтується на різній фізичній розчинності компонентів твердофазової сировини у воді або органічних розчинниках. У цьому методі подрібнена сировина подається при перемішуванні у воду. Спочатку розчиняється компонент з найбільшою розчинністю. Отриманий розчин, що містить лише один компонент вихідної сировини, відфільтровують й подають на подальше перероблення. Потім розчиняють наступний компонент, який має розчинність, меншу від першого, але більшу, ніж решта компонентів сировини. Так послідовно розчиняють усі компоненти сировини. Безреаґентне вилуговування застосовують для розділення суміші добре розчинних у воді речовин, наприклад, полімінеральних руд, або вилучення добре розчинної речовини із важкорозчинної пустої породи (вилуговування сірки із руди нафтовими фракціями).

Хімічні методи.

Реаґенти, які використовують у цій групі методів, можуть перебувати у різних агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Відповідні технолоґічні процеси здійснюють за певних температур у дуже широкому діапазоні: від температури довкілля до 1000 ^оС і більше.

Високотемпературне збагачення (розділення) із застосуванням твердих або газоподібних реаґентів належить до пірометалургійних процесів. Вони поділя­ються на випалювання і плавлення.Випалюваннявідбувається за температур нижчих, а плавлення – вищих від температур плавлення цінних компонентів сировини. Ці процеси часто реалізують як суто хіміко-технолоґічні процеси.

Залежно від характеру хімічних реакцій, що відбуваються у пірометалургійних процесах, останні поділяють на окисні (відбувається окиснення металу як основного компонента сировини), відновні, хлорувальні, сульфатувальні тощо. В окисних процесах окисником зазвичай є кисень. У відновних процесах застосовують вуглець (у вигляді коксу, вугілля), інколи – водень. Твердофазний відновник під час процесу частково окиснюється і відновником уже служить не тверда речовина, а газоподібний продукт його окиснення. Наприклад, при виплавленні заліза вуглець окиснюється до СО₂, а той надалі реагує з вуглецем з утворенням вуглецю (ІІ) оксиду. Саме останній відіграє роль відновника під час відновлення заліза з його оксиду:

Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂ . (4.46)

Деякі метали виділяють із концентратів реакційним плавленням, яке полягає у взаємодії, наприклад, оксидної та відновної форм одного металу. Наприклад, при горновому виплавленні свинцю із сульфідного концентрату спочатку через нього за температури 800 ^оС пропускають кисень, унаслідок чого PbS частково окиснюється до PbO i PbSO₄, які взаємодіють з непрореагованим PbS:

2PbO + PbS = 3Pb + SO₂, (4.47)

PbSO₄ + PbS = 2Pb + 2SO₂. (4.48)

Утворений метал і пуста порода розшаровуються.

Збагачення, а точніше розділення, твердофазової сировини здійснюють також, застосовуючи водні розчини речовин різних класів, які здатні селективно реагувати лише із певним компонентом сировини з утворенням водорозчинних сполук. Такі процеси належать до гідрометалургійних, їх називають вилугову­ванням (реаґентним вилуговуванням). За походженням субстанцій, які використовуються для вилучення цінного компонента із сировини, вилугову­вання поділяється на реаґентне і бактеріальне, а за умовами здійснення процесу – на низькотемпературне, за підвищених температур (до температури кипіння рідини за атмосферного тиску), автоклавне (за підвищених температур і тисків).

Як реаґенти-вилуговувачі застосовують переважно неорганічні сполуки:

– солі; наприклад, для вилучення золота із руд калію ціанід:

2Au_(т) + 4KCN + H₂O + O₂ = 2K[Au(CN)₂]_(р) +2KOH + H₂O₂, (4.49)

або для вилуговування вольфраму розчином кальцинованої соди:

CaWO_4(т) + Na₂CO₃ = Na₂WO_4(р) + СaСO₃; (4.50)

– луги; наприклад, перероблення бокситових руд з одержанням глинозему (Al₂O₃) ґрунтується на розчиненні алюмінієвмісного компонента розчином їдкого натру за підвищених температур:

Al(OH)_3(т) + NaOH = NaAl(OH)_4(р) ; (4.51)

– кислоти; для вилуговування заліза із залізних руд:

Fe₂O_3(т) + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)_3(р) + 3Н₂О; (4.52)

– ртуть; за її присутності відбувається так зване амальгамне вилуговування, яке полягає у тому, що метал як компонент руди розчиняється у ртуті після її змішування із розмеленою сировиною з утворенням амальгам.

Бактеріальне вилуговування відбувається за двома різними механізмами. Перший полягає у прискоренні хімічних процесів перетворення цінного компонента сировини, наприклад, окиснення нерозчинних сульфідів металів до водорозчинних сульфатів:

2FeS_2(т) + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO_4(р) + 2H₂SO₄. (4.53)

За другим механізмом бактерії використовують метал як поживну речовину, накопичуючи їх у біомасі. На цьому механізмі базується, наприклад, новий метод вилучення золота із руд.

Термічне збагачення ґрунтується на різниці температур фазових переходів (плавлення або сублімації) компонентів сировини. Їх також можна віднести до хімічних методів, бо внаслідок зміни агрегатного стану змінюються структури та властивості речовини. Типовим прикладом розділення твердофазової сировини зазначеним методом є одержання сірки із сірчаної руди. У разі її нагрівання до температури 120…125 ^оС сірка плавиться, а інші компоненти руди (вапняки, кальцити) залишаються у твердому стані й спливають на поверхню розплаву – відбувається розділення сировини на компоненти. Термічний метод застосовують і для виділення цинку із складної твердофазової суміші: за температури понад 900 ^оС він сублімується, а потім цинкову пару конденсують (процес вельцювання).

Фізико-хімічне збагачення: типовим прикладом є термічне збагачення вугілля за вмістом вуглецю та видалення домішок, зокрема, сполук азоту та сірки, яке відбувається у разі нагрівання кам’яного вугілля без доступу повітря. Детальніше цей процес розглянуто у ч.2, 8.1.