Флота́ція (від ) — спосіб розділення сумішей твердих дрібних частинок, що належать різним речовинам, а також виділення крапель дисперсної фази з емульсій, заснований на їх різній змочуваності і здатності накопичуватися на поверхні розділу фаз. Флотація можлива тільки при неповному змочуванні поверхні частинок, що виділяються рідиною. Зазвичай це досягається шляхом додавання невеликих кількостей спеціальних речовин — флотореагентів. Продукти флотації: пінний продукт і камерний продукт.

Історія Перебіг розвитку флотаційного процесу включав: процес англійського винахідника Вільяма Хайнса (1860) відділення сульфідних мінералів з використанням масла (масляна флотація); процес пінної флотації німецьких винахідників братів Бессель (Адольф і Август) для вилучення графіту (1877); процес плівкової флотації американського винахідника Єзекія Бредфорда (1886); Цього ж 1886 року американська винахідниця Керрі Еверсон запатентувала свій варіант процесу флотації із застосуванням реагентів — нафти, а також кислоти або солі, що було значним кроком у еволюції історії процесу. Процес Еверсон впроваджено 1889 року в штаті Орегон для переробки золотовмісних руд. Витрати масляного реагенту складали 6-20 мас.%, кислоти і солей — до 1 мас.%. 1894 року для збагачення халькопіритної руди запропоновано процес масляної флотації Робсона (Уельс, Велика Британія).

Першим успішним комерційним процесом флотації вважається процес Ельмора. Це масляна флотація руд, розроблена у 1989—1901 роки, у Великій Британії. Об'єкт переробки — рудна сировина золота, цинку, телуру, сірки, графіту, арсенових сполук, халькопіриту крупністю 0-1 мм. Перший варіант процесу Ельмора було реалізовано на установці продуктивністю 50 т/добу, працюючій на мідній копальні Глесдір (Уельс, Велика Британія). Другий варіант апробовано на установці копальні «Dolcoath» (Скандинавія) продуктивністю до 45 т/добу.

На початку 1900-х років в Австралії Чарльз Вінсент Поттер та приблизно в той же час Гійом Даніель Делтор розробили свій варіант флотації без застосування масляних реагентів, але шляхом генерації газу, утвореного введенням кислоти в целюлозу. Протягом першого десятиліття ХХ століття, Брокен-Гілл (англ. Broken Hill) — унікальне за вмістом свинцю і цинку поліметалічне родовище в Австралії стало центром інновацій, що призвело до вдосконалення процесу флотації багатьма технологами.

1902 року для збагачення сфалериту, мідного та сірчаного колчеданів запропоновано процес масляної флотації Каттермоля (Велика Британія). Технологія пройшла промислове випробовування на спеціально спроектованій і побудованій збагачувальній фабриці компанії Minerals Separation Ltd, Лондон. Для збагачення вугілля вперше метод масляної флотації «Трент-процес» було розроблено і апробовано в 1920-х роках в США. Процес було застосовано в промислових умовах на ряді вуглезбагачувальних фабрик США. Продуктивність установок досягала 20-24 т/год.

У 1911 році Джеймс М. Гайд, колишній працівник Minerals Separation, Ltd., модифікував процес розділення мінералів флотацією і у 1912 році у шт. Монтана, встановлено першу велику флотаційну фабрику в Америці. Зауважимо, що весь цей час супроводжувався рядом патентних суперечок щодо застосування, пріоритету та роялті за винаходи різних варіантів флотації.

Флотаційний процес Флотаційний процес заснований на відмінностях у змочуваності мінералів, які розділяються. Якщо природні розходження в змочуваності мінералів недостатні для флотаційного розділення, вони підсилюються флотаційними реагентами, що селективно впливають на ці мінерали.

Основна і визначальна стадія флотаційного процесу — елементарний акт флотації, який полягає в закріпленні одиничного зерна на поверхні розділу фаз. При пінній флотації використовуються такі фази: вода (рідина), мінерал (тверде) і повітря (газ). Можливість елементарного акту при цьому залежить від властивостей поверхонь розділу «вода — повітря» («рідина — газ») і «вода — мінерал» («рідина — тверде»).

Зміна змочуваності мінералів при їх флотації здійснюється введенням у пульпу флотаційних реагентів. Флотаційні реагенти впливають на гідратні шари і змінюють їхню товщину та стійкість. Тому підготовка мінеральної поверхні до флотації зводиться до подачі визначених реагентів, що приводить до різкого збільшення гідрофобності флотованих частинок і гідрофільності нефлотованих, тобто до збільшення гідрофобно-гідрофільної контрастності флотованої мінеральної сировини.

Області застосування флотації

Збагачення корисних копалин (руд кольорових металів, рідкісних і розсіяних елементів, вугілля, самородної сірки); Розділення мінералів комплексних руд; Розділення солей; Очищення стічних вод, зокрема для виділення крапель масел і нафтопродуктів.

Види флотації

Сьогодні відомі такі способи флотації: плівкова флотація, пінна флотація, вакуумна флотація, компресійна флотація, іонна флотація, хімічна флотація, електрофлотація, соляна флотація, масляна флотація, флотація з носієм, пінна сепарація, адгезійна сепарація.

Найпоширенішою є пінна флотація, при якій через суміш частинок з водою пропускають дрібні бульбашки повітря, частинки певних мінералів збираються на поверхні розділу фаз «повітря-рідина», прилипають до бульбашок повітря і виносяться з ними на поверхню у складі трифазної піни, яку надалі згущують і фільтрують. Як рідина найчастіше використовується вода, рідше насичені розчини солей (розділення солей, що входять до складу калійних руд) або розплави (збагачення сірки). Цей метод застосовується найширше.

Флотореагенти

Існує декілька типів флотореагентів, що відрізняються принципом дії: Збирачі — реагенти, що вибірково сорбуються на поверхні мінералу, який необхідно перевести в пінний продукт, і що додають частинкам гідрофобні властивості. Як збирачі використовують речовини, молекули яких мають дифільну будову: гідрофільна полярна група, яка закріплюється на поверхні частинок, і гідрофобний вуглеводневий ланцюг. Найчастіше збирачі є іонними сполуками; залежно від того, який іон є активним розрізняють збирачі аніонного і катіонного типів. Рідше застосовуються збирачі, що є неполярними сполуками, не здатними до дисоціації. Типовими збирачами є: ксантогенати і дитіофосфати — для сульфідних мінералів, натрієві мила і аміни — для несульфідних мінералів, гас — для збагачення вугілля.Витрата збирачів становить сотні грамів на тонну руди; Піноутворювачі — призначені для поліпшення диспергування повітря і додання стійкості мінералізованим пінам. Піноутворювачами служать слабкі поверхнево-активні речовини.Витрата піноутворювачів становить десятки грамів на тонну руди. Регулятори — реагенти, в результаті вибіркової сорбції яких на поверхні мінералу, останній стає гідрофільним і не здатним до флотації. Як регулятори застосовують солі неорганічних кислот і деякі полімери.

Відомо вже декілька тисяч різних флотореагентів.

Газоподібна фаза флотаційного процесу

Особливе місце у флотаційному процесі займає газоподібна фаза (гази, що входять до складу повітря, і рідше гази, що спеціально вводять у процес як реагенти — кисень, сірчистий газ, сірководень). Найважливіша роль газоподібної фази полягає в транспортуванні мінеральних частинок повітряними бульбашками. Крім того, газоподібна фаза може бути використана і як реагент, у першу чергу це стосується кисню, вуглекислого газу, сірчистого ангідриду, сірководню. Особливо активно у флотаційному процесі гази діють у присутності води. У ряді випадків хімічна дія газів виявляється у формі їхніх сполук з водою (вугільна і сірчана кислоти, які утворюються при реакції сірчистого і вугільного ангідридів з водою).

В об'ємі повітряних бульбашок, крім повітря, містяться ще й пари води, які внаслідок їхнього газоподібного стану слід також віднести до газової фази флотаційного процесу. Водяна пара присутня у повітрі завжди, її вміст залежить від температури повітря. Повітря являє собою природну суміш газів.

У повітрі, розчиненому у воді, вміст кисню складає 34,82 %, а азоту — 65,18 %. Розчинність повітря у воді, а також зміна розчинності залежно від температури і особливо від тиску мають для флотації велике значення. Розчинність газів, які не вступають у хімічну взаємодію з водою, мала, одночасно гази, які активно взаємодіють з водою (вуглекислий і сірчистий гази, сірководень, хлористий водень, аміак та ін.), розчиняються у значних кількостях. При цьому розчинність газів зменшується з підвищенням температури і збільшується з підвищенням тиску. При розчиненні суміші газів (напр., повітря) розчинність кожної складової залежить від її парціального тиску в суміші. У місцях перепаду тисків у флотаційних машинах активно виділяються з розчину повітряні бульбашки. На використанні таких бульбашок базується застосування ежекторних флотаційних машин, а вакуумна флотація — на виділенні розчиненого повітря у вигляді мікробульбашок при зміні тиску.

Закріплені на поверхні мінеральних частинок мікробульбашки, що виділилися з розчину, активують прилипання до частинок крупних бульбашок і зрештою інтенсифікують процес флотації у цілому.

Кисень на відміну від водню, азоту, хлору та інших елементарних газів — парамагнітний. Його незвичайні магнітні властивості тісно пов'язані зі специфічними хімічними властивостями молекули. Кисень є хімічно активним щодо більшості елементів. Це обумовлює багато явищ, що супроводжують флотацію сульфідних мінералів. Також встановлена важлива роль кисню при флотації окиснених мінералів. Особливо важливу роль у процесах за участю кисню відіграє вода, яка виступає в ролі каталізатора. Повітря, розчинене у воді, містить кисню приблизно в 1,5 раза більше, ніж атмосферне повітря. В умовах тихого електричного розряду кисень перетворюється в озон, який має високу хімічну активність. Розчинність озону у воді в 1,5 раза більша, ніж у кисню. Оскільки в атмосферному повітрі вміст озону малий, його підвищена концентрація у воді може мати важливе практичне значення.

Сірчистий газ (сірчистий ангідрид) — газоподібна сполука чотиривалентної сірки з киснем, яка добре розчиняється у воді. У результаті взаємодії з водою утворюється сірчана кислота, яка при взаємодії з розчиненими у воді лугами утворює відповідні сульфіти і бісульфіти. Сірчана кислота та її солі депресують сульфіди цинку, тому її використовують як реагент-депресор при флотації поліметалічних руд.

Вуглекислий газ, розчинений у воді, утворює слабкодисоційовану вугільну кислоту, присутність якої змінює pH середовища. При флотації вугільна кислота взаємодіє з реагентами і змінює їхню флотаційну активність. Взаємодія вугільної кислоти з сірчистим натрієм знижує його активність внаслідок зниження pH.

Сірководень — хімічно активний газ, який добре розчиняється у воді з утворенням слабкодисоційованої кислоти. Сірководень є ефективним сульфідизатором багатьох окиснених мінералів кольорових металів, які важко сульфідизуються. На противагу сірчистому натрію сірководень, розчинений у воді, не утворює гідроксильних іонів, які перешкоджають закріпленню на поверхні мінералів аніонів реагента-збирача. Широкому застосуванню сірководню перешкоджають його токсичність і неприємний запах.

Тверда фаза флотаційного процесу Характерною особливістю мінералів, пов'язаною з їхнім генезисом і структурою, яка визначає результати їхньої взаємодії з водою і реагентами, є неоднорідність мінеральної поверхні. Основою неоднорідності поверхні є розходження у рівнях вільної поверхневої енергії на різних ділянках поверхні мінералу та гранях одного й того ж кристалу. Адсорбційна активність поверхневих атомів (іонів) мінералу різна і залежить від їхнього положення на поверхні.

Розташування структурних елементів у кристалічних ґратках мінералів рідко відповідає цій класичній картині, яка характеризується послідовним розташуванням у ґратці атомів або іонів (так звані ідеальні кристали). На противагу ідеальним кристалам, для яких характерне правильне розташування і періодичність атомів або іонів, реальні кристали відрізняються рядом відхилень — дефектів кристалічної ґратки (дислокацій).

Рідка фаза флотаційного процесу