СПОСОБ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ РАСТВОРОВ ОТ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/24 

Изобретение относится к способам очистки растворов от дисперсных частиц и металлсодержащих ионов и может быть использовано на предприятиях химической промышленности, цветной и черной металлургии.

Известен способ флотационного извлечения частиц полезных ископаемых, включающий аэрацию пульпы ионизированным воздухом [1]
Основными недостатками способа являются введение в раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ), которое остается в нем после удаления частиц; не достаточно высокая эффективность извлечения частиц за счет электростатического поля пузырьков вследствие высокой электропроводности водных растворов.

Наиболее близким является способ флотационного разделения, включающий предварительную ионизацию воздуха с получением ионов с одноименными зарядами, введение ионизированного воздуха во флотационную камеру с дисперсной жидкостью, подачу на корпус флотационной камеры напряжения того же знака, что и знак получаемых ионов, удаление продуктов разделения [2]
Недостатками способа является невысокая степень очистки, и невысокая скорость процесса очистки раствора. При подаче на корпус флотационной машины напряжения того же знака, что и знак получаемых ионов, дисперсная жидкость (частицы и пузырьки) принимает одинаковый потенциал. При этом электростатическая сила между пузырьком с ионами воздуха и извлекаемой частицей уменьшается, одновременно уменьшается и сила отталкивания между одноименно заряженными пузырьками, что способствует их сближению, а значит слиянию, т.е. укрупнению. Кроме того, эффективность процесса извлечения частиц из жидкости определяется как результат их соударения (этому способствует электрическое поле) и закрепления частиц на поверхности пузырька (для этого во флотируемый раствор вводят ПАВ, которое снижает величину поверхностного натяжения на границе раствор воздух и гидрофобизирует поверхность частиц). Поэтому к недостаткам способа следует отнести избыточное содержание в растворе после флотации ПАВ, которое вводится с целью увеличения степени извлечения частиц.

Цель изобретения повышение степени очистки и ускорение процесса извлечения частиц.

Это достигается тем, что при способе флотационной очистки растворов от дисперсных частиц, включающем ионизацию воздуха с получением ионов с одноименными зарядами, последующее введение ионизированного воздуха во флотационную камеру с дисперсным раствором, удаление продуктов разделения, перед ионизацией воздух предварительно смешивают с частицами ПАВ и затем полученную смесь подвергают ионизации.

В качестве ПАВ используют ионогенные (анионные, катионные и амфолитные), растворимые в очищаемом растворе поверхностно-активные вещества.

Воздух до процесса ионизации смешивают с высокодисперсными частицами ПАВ. Затем полученную смесь подвергают ионизации в поле коронного разряда. Пузырек при его формировании наполняют ионами воздуха и заряженными частицами. В результате изменяется величина естественного заряда пузырька, который возникает вследствие отклонения от электронейтральности двойного электрического слоя на границе раздела поверхность пузырька раствор. На величину и знак естественного заряда оказывает существенное влияние типа ПАВ и его концентрация на границе пузырек раствор. В зависимости от знака заряда извлекаемой частицы пузырек наполняют униполярно ионизированной смесью воздуха и частиц ПАВ, которая изменяет естественный заряд пузырька. Величину заряда пузырька определяют по уравнению
q q_ест± πR³·ρ где q_ест. естественный заряд пузырька;
R радиус пузырька;
ρ- объемная плотность заряда ионизированной смеси.

Знак заряда пузырька выбирают противоположным знаку заряда частицы.

Полость пузырька заполняет введенная униполярно ионизированная смесь и за счет электростатических сил притяжения и конвективного движения частично оседает на внутреннюю поверхность пузырька. Если раствор обладает большим электрическим сопротивлением, то заряды накапливаются на границе раздела пузырек раствор и радиус действия электростатического поля с течением времени практически не изменяется. В случае электропроводных растворов заряды на поверхности не накапливаются, осевшие частицы ПАВ разряжаются и растворяются, нейтральные молекулы ПАВ остаются на поверхности и влияют на его естественный заряд в зависимости от их типа и концентрации. Образовавшийся слой (ионогенных и дипольных) молекул ПАВ на границе пузырек раствор и оставшийся объемный заряд в пузырьках способствуют повышению эффективности соударения частицы с пузырьком за счет искусственно созданного электростатического поля и повышают эффективность захвата поверхностью пузырька частиц за счет снижения поверхностного натяжения пузырька.

Таким образом, искусственное увеличение заряда пузырька и оседание частиц ПАВ на поверхность пузырька с последующим образованием слоя из молекул ПАВ на границе пузырек раствор способствует увеличению электростатического поля вне пузырька. Это приводит к росту эффективного радиуса пузырька, что уменьшает продолжительность флотации и увеличивает степень флотационной очистки растворов от частиц.

В качестве ПАВ используют ионогенные (катионные и анионные), а также амфолитные вещества, хорошо растворимые в очищаемом растворе. Это связано с тем, что частицы ПАВ, оседая на поверхность пузырек раствор, должны раствориться, диссоциировать на ионизированные молекулы ПАВ. Наличие последнего процесса способствует повышению степени очистки и ускорению флотации частиц.

Смешивание воздуха с частицами ПАВ осуществляют из оптимального условия заполнения поверхностного слоя пузырек раствор молекулами ПАВ, т.е. из условия образования мономолекулярного слоя. Такое соотношение воздуха и частиц ПАВ зависит от типа ПАВ, эффективности осаждения частиц на внутреннюю поверхность пузырька, размера частиц и степени их растворимости в очищаемом растворе.

Наполнять пузырьки можно любым газом, но наиболее доступным для практического применения является воздух.

Время пребывания пузырька во флотаторе определяется высотой столба жидкости и размером пузырьков, которым можно управлять, изменяя пористость пластинки и давление в системе.

Предлагаемый способ поясняется чертежом.

Устройство для осуществления способа состоит из кюветы 1 для дисперсного раствора, в дно которой вмонтирована пористая пластинка 2 (система капилляров) для продувания смеси и формирования пузырьков газа. Для формирования пузырьков и смеси частиц и воздуха используют компрессор 3, емкость 4 с высокодисперсным порошком (пудрой) ПАВ и емкость 5 для униполярной ионизации частиц ПАВ и молекул воздуха с системой тонких электродов 6, на которые подается высокий потенциал от источника постоянного напряжения 7. Объемный заряд смеси, поступающий в пузырьки, контролируют аспирационным конденсатором 8.

П р и м е р 1. Проверку эффективности очистки растворов от дисперсных частиц ртутьсодержащих сублатов (сублаты труднорастворимые соединения, полученные предварительно при взаимодействии неорганической соли ртути и ПАВ) проводили с помощью одноименно заряженных пузырьков. В емкость 4 помещали высокодисперсный порошок катионного ПАВ гексадецилпиридиний хлорида с эффективным диаметром (2-3)х10^-6 м. Размер извлекаемых частиц ртутьсодержащих сублатов составлял (2,5-7,0)х10^-7 м. Растворы в процессе флотации периодически анализировали на содержание в них ртути по стандартной методике.

Эффективность разделения определяли по степени извлечения частиц из раствора. Степень извлечения ртути из растворов рассчитывали по формуле
α · 100 где С_о и С концентрация ртути в растворе соответственно до и после флотации.

Опыты проводили на лабораторной установке с объемом цилиндрической кюветы 1 0,25 л. Дном кюветы служила пористая пластинка с размером пар (3-4)х10^-5 м. С целью устранения забивания пор крупными частицами ПАВ их размер превышал эффективный диаметр частиц ПАВ. Электрокинетический потенциал частиц измеряли микроэлектрофоретически, а заряд пузырьков по степени их отклонения в однородном электростатическом поле, налагаемом на кювету 1. Кроме того, заряд частиц оценивали по объемной плотности заряда смеси ПАВ и воздуха нагнетаемой в пузырьки. Пенку с поверхности раствора удаляли механически.

По предлагаемому способу воздух от компрессора 3 под избыточным давлением 0,4 атм подавали в емкость 4, в которую предварительно засыпали 0,1 кг ПАВ в виде пудры. Высокая дисперсность пудры ПАВ позволяет создавать устойчивую аэрозольную систему. После смешивания частиц ПАВ с воздухом в соотношении по массе 1:40 полученную аэрозольную смесь подают в емкость 5 для униполярной ионизации частиц ПАВ и молекул воздуха. Для создания условий, необходимых для зарядки частиц ПАВ и молекул воздуха, на систему острых электродов 6 подают высокое постоянное напряжение 6000 В от источника 7. Производительность источника ионов регулировали, изменяя величину напряжения, приложенного к коронирующим электродам 6.

Предлагаемый способ очистки растворов от частиц сравнивают с известным способом очистки с помощью одноименно заряженных пузырьков воздуха. Во всех опытах степень очистки повышалась на 18-20% по сравнению с очисткой с использованием ионизированного воздуха, но без частиц ПАВ. Время обработки дисперсных жидкостей пузырьками во всех опытах составляла пять минут.

П р и м е р 2. Опыт проводили по методике, описанной в примере 1. В качестве частиц катионных ПАВ использовали децилпиридиний хлорид и тетрадецилпиридиний хлорид с эффективным диаметром частиц порядка 10^-6 м. Степень очистки повышалась на 12-13% для децилпиридиний хлорида и на 15-16% для тетрадецилпиридиний хлорида.

П р и м е р 3. Опыт проводили по методике, описанной в примере 1. В качестве частиц ПАВ использовали гексадецилпиридиний хлорид, как и в примере 1. Однако в емкости 4 воздух смешивают с жидкими частицами ПАВ в соотношении 1: 25, которые получают путем пневматического распыления в камеру 4 раствора ПАВ концентрацией 10^-2 моль/л. В камере получают устойчивый туман после осаждения более крупных капель на дно камеры 4. Степень очистки повысилась на 5-6% по сравнению с известным способом, но понизилась по сравнению с результатами опытов в примере 1. Это связано с оседанием капель на стенки трубопровода и особенно в капиллярах пористой пластинки 2. Замена пористой пластинки 2 сеткой с размером ячеек (50х50) мкм способствовала повышению степени флотационной очистки растворов.

П р и м е р 4. Опыты проводили по методике, описанной в примере 1. В качестве частиц анионных ПАВ использовали соли жирных кислот (лауриновой, миристиновой, пальмитиновой и стеариновой). Во всех опытах наблюдалось повышение степени очистки в диапазоне 5-19% по сравнению с очисткой без ПАВ в пузырьках.

П р и м е р 5. Опыты проводили по методике, описанной в примере 1. В качестве извлекаемых частиц использовали сублаты свинца, частицы ПАВ представлены амфолитным ПАВ алкиламиномонопропионатом натрия. Во всех опытах наблюдалось повышение степени очистки на ≈10%
П р и м е р 6. Опыты проводили по методике, описанной в примере 1. Извлекаемыми частицами были частицы серы размером (05,-1,0) х 10^-6 м. Воздух смешивали с частицами катионного ПАВ цетилтриметиламмония бромида в соотношении 1:30. Степень очистки повысилась приблизительно на 15%
Использование предлагаемого способа позволит повысить степень флотационной очистки и уменьшить время обработки растворов, искусственно изменяя знак и величину заряда пузырька в зависимости от знака и величины заряда извлекаемых частиц; не вносить в дисперсную жидкость избыточную концентрацию ПАВ, которые остаются в растворе после флотации, т.е. улучшить качество очищаемых сточных вод; извлекать частицы размером менее 10^-5 м независимо от их природы.

Воздух смешивают с частицами поверхностно-активного вещества, растворимого в очищаемом растворе и затем ионизируют полученную смесь в поле коронного разряда. Знак заряда ионизированной смеси частиц ПАВ и молекул воздуха выбирается противоположным знаку заряда извлекаемых дисперсных частиц. Полученную смесь после ионизации вводят во флотационную камеру с очищаемым раствором с последующим удалением продуктов разделения. В качестве поверхностно-активного вещества используют анионные, катионные и амфолитные ПАВ. Изобретение позволяет повысить степень очистки на 5 20% и ускорить процесс. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ РАСТВОРОВ ОТ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ, включающий ионизацию воздуха с получением ионов с одноименными зарядами с последующим введением ионизированного воздуха во флотационную камеру с очищаемым раствором и удалением продуктов разделения, отличающийся тем, что, с целью повышения степени очистки и ускорения процесса, ионизации подвергают воздух, предварительно смешанный с мелкодисперсными частицами поверхностно-активного вещества, растворимого в очищаемом растворе. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества используют анионные, катионные и амфолитные поверхностно-активные вещества.