минералов, многие из которых имеют промышленное значение. Они составляют 0,25 % земной коры. Но в рудах они, как правило, вкраплены в виде тонких частичек, составляющих доли миллиметра, и извлечь их оттуда было бы непросто, если бы не одно их удивительное свойство.
От любви до ненависти — один шаг
Существует легенда, что жена шахтера, добывавшего медные сульфидные руды, во время стирки то ли его одежды, то ли мешков из-под руды заметила, что частички медного колчедана всплыли на поверхность воды вместе с каплями жира. Наблюдательная женщина поняла, что жир избирательно смачивает медный колчедан и он всплывает (по-английски flotation — флотирует), в то время как порода тонет в воде.
Различия в смачиваемости минералов водой и маслом легли в основу процесса масляной флотации, который оказался предтечей пенной флотации. В настоящее время этим методом извлекаются из руд все сульфидные и многие несульфидные материалы, в том числе мелкие частицы угля. Этим методом во всем мире перерабатывается свыше 1 млрд т руд и углей в год. Есть флотационные обогатительные фабрики производительностью до 100 тыс. т руды в сутки; это значит, что на фабрику ежедневно прибывают несколько железнодорожных составов с рудой.
Первое упоминание о процессе, подобном масляной флотации, имеется в древней персидской рукописи XV в. Руду, содержащую «голубой камень» — азурит, смешивали с растопленной смолой, а затем заливали водой. Смола избирательно прилипала к азуриту и всплывала на поверхность, в то время как другие минералы оставались под водой. Аналогичный метод применялся при производстве ультрамарина.
Это изобретение было забыто, и в 1860 г. англичанин Вильям Хайнс получил патент на масляную флотацию, основанную на том же самом принципе. По предложению Хайнса руду, содержащую сульфидные минералы, смешивали в процессе измельчения с маслом (в отношении от 1! 9 до 1: 5) и водой. Масло смачивает сульфиды, собирается в крупные капли и всплывает вместе с захваченными частицами сульфидов над поверхностью воды. Частицы пустой породы, не смоченные маслом, остаются в воде. Этот способ применялся некоторое время для обогащения медно-золотой руды в США и давал очень хорошие по тому времени результаты — в концентрат извлекалось 80 % ценных минералов. После флотации масло отмывалось от концентрата и использовалось повторно, по, несмотря на это, расход его был все же велик — 5–10 кг на 1 т руды. От этого метода пришлось отказаться. Но вскоре он был существенно усовершенствован.
Совершенствование процесса флотации, продолжающееся уже более 120 лет, основано на изучении физико-химических поверхностных явлений, физики твердого тела, теории растворов и других фундаментальных научных направлений. Флотация является важнейшим практическим приложением этих областей науки, поскольку на флотационном обогащении руд основано извлечение минералов большинства цветных металлов, а также апатита, графита, серы, калийных солей, в какой-то степени угля, марганца и многих других полезных ископаемых.
Заметим, что в мире минералов тоже есть свои симпатии и антипатии, играющие не последнюю роль в их личной жизни. Известны вещества, хорошо смачивающиеся водой, и есть такие, которые «выходят сухими из воды». Первые называются гидрофильными, что в переводе с греческого означает буквально «любящие воду», вторые — гидрофобными — «ненавидящими воду». Среди этих «ненавидящих воду» веществ довольно много таких, которые хорошо смачиваются маслом — олеофильных.
Сродство минералов и жидкостей определяется энергией взаимодействия их молекул в поверхностных слоях, т. е. поверхностным натяжением на межфазных границах вода — минерал и масло — минерал. Если поверхностную энергию для жидкости относительно легко измерить, то для природных кристаллов с их дефектами кристаллической решетки, изоморфными примесями и неровными сколами — довольно сложно. Поэтому флотация пока остается в какой-то степени эмпирической наукой, развитие которой связано с большим количеством различных изобретений.
Основания физико-химической теории поверхностных и капиллярных явлений были заложены в работах французского физика П. С. Лапласа в 1806–1807 гг., а затем англичанина Т. Юнга. В 1879 г. вышла работа профессора Казанского университета И. С. Громеки по теории капилляров, объясняющая процессы смачивания. В конце 70-х годов XIX в. американским ученым В. Гиббсом были выдвинуты представления о поверхностной энергии и адсорбции, развитые в начале XX в. русским ученым Л. Г. Гурвичем, а также И. Ленгмюром и В. Д. Гаркинсом. Обобщенную теорию физикохимии поверхностных явлений, включающую основы флотации, создал в 30-х годах академик П. А. Ребиндер.
В 1877 г. братьями Бессель в Дрездене был запатентован на первый взгляд обычный метод масляной флотации графита. Незначительная, казалось бы, его особенность состояла в том, что, нагревая воду, братья Бессель получали в пульпе пузырьки водяного пара. Только спустя 9 лет они осознали действительное значение этого нововведения: графит значительно легче прилипал к пузырькам газа и быстро выносился на поверхность воды, где образовывался слой пены, содержащий, кроме воды, чистый графит.
В 1886 г. Бессели изменили способ введения газа в пульпу. Вместо кипячения добавлялись кислота и карбонаты, которые в результате химической реакции между собой «производили» углекислый газ, выделяющийся из раствора.
В других странах открытие братьев Бессель не было известно. Поэтому флотация пузырьками газов была вновь изобретена через несколько лет итальянцем Фроментом, американцами Дельпра и Поттером. В их процессах расход масла составлял 1–1,5 % вместо 15–20 % при масляной флотации. Процесс пенной флотации стал применяться довольно широко для обогащения сульфидных руд и графита. В 1901 г. на фабрике Дельпра этим способом было получено 6 млн т цинкового концентрата. Руду из отвалов, содержащую 20 % цинка, в виде его сульфида — цинковой обманки — загружали в горячий раствор серной кислоты или бисульфата натрия. При этом выделяющийся газ выносил на поверхность частички цинковой обманки. Содержание цинка в концентрате составляло 42 %. В Австралии с 1901 г. также началось флотационное обогащение сульфидных свинцовых руд.
Схема движения пульпы в гидроциклоне
Химический способ выделения пузырьков газа, а также кипячение воды были явно неэкономичными и, конечно, не самыми простыми способами введения газа в пульпу. Но только в 1906 г. был предложен простой способ засасывания воздуха вращающейся в пульпе мешалкой, а еще позже, в 1914 г., метод вдувания воздуха через пористое дно или опущенные в пульпу трубки.
Ранее англичанин Эльмор запатентовал еще два способа образования газа в пульпе: электролиз воды и создание вакуума над ее поверхностью. Эти методы относительно недавно были вторично рождены и использованы на новом, более высоком уровне в СССР: в виде электролитической и компрессионной флотации.
В 1905 г. компания «Минерал Сепарейшен», скупив
