II.1. Tổng quan các vấn đề liên quan đến nội dung nghiên cứu.
II.1.1. Tuyển nổi.
a Khái niệm tuyển nổi.
Tuyển nổi là quá trình công nghệ tuyển dựa trên sự khác nhau về năng lượng bề mặt riêng (tính dính ướt bề mặt ) của các loại khoáng vật để phân chia chúng thành các sản phẩm nổi và không nổi. Đây là phương pháp vạn năng, được dùng để tuyển tất cả các loại khoáng sản có ích, có độ xâm nhiễm mịn và rất mịn, cũng như dùng để tận thu khoáng vật có ích chứa trong bùn thải của các xưởng tuyển trọng lực và tuyển từ, xử lý nước thải công nghiệp và dân dụng để tận thu chất có ích và chống ô nhiễm môi trường.
Tuyển nổi là phương pháp làm giàu khoáng sản có ích dựa trên khả năng bám dính khác nhau của các loại khoáng vật lên bề mặt phân chia các pha như nước-không khí, nước-dầu do có sự khác nhau về năng lượng bề mặt riêng giữa các loại khoáng vật đó, là phương pháp tuyển nổi dựa trên cơ sở sự khác nhau về tính chất lý hóa của bề mặt các hạt khoáng vật.
b Nguyên lý chung của phương pháp tuyển nổi.
Phân chia các loại khoáng vật có cơ hạt tương đối mịn lơ lửng trong môi trường nước, dựa vào khả năng bám dính có lựa chọn của chúng lên bóng không khí hoặc giọt dầu dưới dạng nhũ tương được đưa vào huyền phù của khoáng vật và cùng với chúng nổi lên trên bề mặt huyền phù và tạo bọt. Đối với tuyển khoáng thì sự bám dính có lựa chọn của các hạt khoáng vật lên bóng khí đóng vai trò quyết định. Điều này có thể tạo ra được bằng cách cho vào dung dịch huyền phù (bùn quặng) các loại chế phẩm hóa học khác nhau gọi là thuốc tuyển nổi với liều lượng và tỷ lệ hợp lý.
Trong hệ thống tuyển nổi bao gồm các pha tiêu biểu là pha rắn (tổ hợp các hạt hoáng), pha lỏng (thường là nước) và pha khí (chủ yếu là các bóng khí).
c Quá trình tuyển nổi bọt.
Quá trình tuyển nổi được thực hiện trong dịch huyền phù khoáng vật (gọi là bùn quặng) đã được làm bão hòa bóng khí. Những hạt khoáng vật nào không dính nước hoặc ít dính nước trong quá trình tiếp xúc với bóng không khí sẽ bám vào đó và cùng với nó nổi lên trên bề mặt bùn tạo thành sản phẩm bọt và được liên tục gạt ra ngoài máy tuyển. Còn những hạt khoáng vật dễ dính nước (hạt ưa nước) sẽ không bám dính
được vào bóng khí, sẽ nằm lại trong bùn và sẽ được tháo ra ngoài thành sản phẩm ngăn máy hoặc quặng đuôi.
Thông thường khoáng vật có ích được chuyển vào sản phẩm bọt thành quặng tinh, còn khoáng vật đất đá tạp nằm lại trong sản phẩm ngăn máy và quá trình tuyển này được gọi là tuyển nổi thuận hay tuyển nổi trực tiếp. Trong một số trường hợp việc chuyển khoáng vật đất đá vào sản phẩm bọt sẽ có lợi hơn và khoáng vật có ích để lại trong sản phẩm ngăn máy thì quá trình tuyển nổi được gọi là tuyển nổi ngược hay tuyển nổi gián tiếp.
Nếu trong quá trình tuyển nổi thu được sản phẩm bọt gồm nhiều loại quặng tinh thì quá trình tuyển được gọi là tuyển nổi tổng hợp. Trong trường hợp không những cần phải tách khoáng vật có ích khỏi đất đá, mà còn tách từng khoáng vật có ích thành các loại quặng tinh riêng biệt thì gọi là tuyển nổi chọn riêng.
d Ưu nhược điểm của quá trình tuyển nổi.
Tuyển nổi là phương pháp tuyển khoáng vạn năng và hoàn hảo hơn cả, bởi vì nó có một phương tiện rất hữu nghiệm là thuốc tuyển nổi. Cơ chế tác dụng của các thuốc tuyển nổi lại có điều khiển được thông qua chế đột thuốc tuyển.
Nhờ có phương pháp tuyển nổi mà giải quyết được vấn đế sử dụng tổng hợp quặng đa kim, tuyển quặng xâm nhiễm mịn và làm giầu mùn quặng. Các loại quặng xâm nhiễm mịn được coi là không có giá trị công nghiệp và không khai thác khi chưa có phương pháp tuyển nổi.
Tuyển nổi không chỉ ứng dụng trong công nghệ làm giàu khoáng sản có ích mà nó còn được ứng dụng trong thủy luyện, hỏa luyện công nghiệp hóa chất công nghiệp vật liệu xây dựng địa chất y học sinh học nông nghiệp và các lĩnh vực khác. Tuyển nổi còn là một phương pháp có ý nghĩa lớn trong việc làm sạch nước thải công nghiệp và dân dụng góp phần đắc lực vào việc bảo vệ môi trường.
e Các loại trình tuyển nổi.
- Tuyển nổi bọt thông thường: Bùn cặn được làm bảo hòa bóng khí do máy tuyển nổi tự hút hoặc đưa khí nén vào.
- Tuyển nổi chân không: Bùn cặn được đặt trong chân không làm cho bóng khí thoát ra từ bùn. Phương pháp này dùng để tuyển nổi hạt rất mịn.
- Tuyển nổi do phản ứng hóa học: Cho canxit và axit sunfuric vào bùn cặn hai chất này phản ứng với nhau tạo ra bóng khí cacbonic trong bùn.
- Tuyển nổi dùng hơi đun sôi: Đun nóng bùn quặng hơi sẽ thoát ra tạo thành bọt.
- Tuyển nổi điện: Khi điện phân nước sẽ tạo ra nhiều bóng khí trong nước.
- Tuyển nổi màng: Trong phương pháp này hỗn hợp các khoáng vật đã nghiền mịn được rắc lên bề mặt nước chảy trong máng. Những hạt nổi được là loại khoáng vật không bị thấm ướt sẽ nằm lại trên mặt nước và trôi theo dòng nước chảy thành sản phẩm nổi. Còn những hạt thấm ướt sẽ chìm xuống dưới và được tháo ra ngoài qua đáy máng thành sản phẩm thứ hai. Phương pháp này có hiệu suất thấp, hiện nay chỉ dùng dưới dạng tuyển nổi-trọng lực (trên bàn đãi) để tuyển tinh.
- Tuyển nổi dầu: Trong phương pháp này một lượng dầu khá lớn được đưa vào bùn quặng. Sau đó khuấy mạnh làm dầu phân tán thành các giọt nhỏ và nổi lên bề mặt bùn. Khi giọt dầu va chạm với các hạt khoáng vật thì hạt nổi được sẽ dính bám vào bề mặt phân chia pha dầu-nước và nổi lên bề mặt bùn thành một lớp dầu mang khoáng vật. Lớp dầu này được tháo ra ngoài qua ngương tràn của máy tuyển thành sản phẩm nổi. Các hạt không nổi được nằm lại trong bùn. Phương pháp này nay không dùng vì chi phí dầu quá lớn.
f Cơ sở vật lý hóa học của quá trình tuyển nổi.
Do quá trình tuyển nổi thực hiện trong hệ đa nguyên gồm các pha rắn ( hạt khoáng), lỏng (nước), khí ( bóng khí), nên các tính chất hóa - lý của các pha tiếp xúc và hiện tượng bề mặt xảy ra trên ranh giới phân chia các pha có ý nghĩa rất quan trọng. Tính chất ở bề mặt phân chia pha rất khác với tính chất bên trong của pha đó trên bề mặt phân chia pha luôn còn dư năng lượng tự do.
Hình 2.1: Sơ đồ tác dụng của các lực phân tử.
Xét tại chỗ tiếp xúc giữa hai pha lỏng và khí ( hình), phân tử 1 nằm trong chất lỏng chịu tác dụng tương hỗ của các phân tử khác nằm xung quanh nó nên các lực hút tương hỗ cân bằng nhau. Phân tử 2 nằm trên bề mặt chất lỏng chịu tác dụng hút mạnh của các phân tử bên dưới nó trong pha lỏng, còn ở phía trên nó chịu lực hút không đáng kể của các phân tử khí. Do đó trên bề mặt phân chia phát sinh lực tác dụng không cân bằng, lực này có xu hướng kéo phân tử vào bên trong chất lỏng. Do đó tác dụng của lực này pha lỏng có xu hướng giảm bớt bề mặt tự do. Để tạo nên bề mặt phân chia
mới cần phải tốn một công. Công để tạo nên 1 cm2 bề mặt phân chia pha mới gọi là sức căng bề mặt hoặc là năng lượng bề mặt riêng.
Bề mặt hạt khoáng cũng có độ dư năng lượng tự do. Khi đập và nghiền khoáng
vật mạng tinh thể của nó bị phá hủy trên bề mặt vơ xáy ra sự đứt các liên kết giữa các
nguyên tử và phân tử, trong trường hợp này các nguyên tử và phân tử trên bề mặt hạt
chịu sự tương tác chủ yếu của nguyên tử và phân tử ở lớp phía dưới trong lòng hạt
khoáng. Các liên kết bị phá hủy càng nhiều năng lượng bề mặt tự do càng lớn. Do
phạm vi tương tác của lực phân tử không lớn nên có thể giả thiết rằng, năng lượng bề
mặt tự do chỉ tập trung ở lớp bề mặt rất mỏng có chiều dày chỉ vài phân tử. Do bề mặt
hạt khoáng có năng lượng tự do nên chúng có thể tương tác giữa nước và thuốc tuyển.
Nước là chất lỏng có cực do momen lương cực có giá trị đáng kể nên các phân tử nước có thể liên kết với bề mặt khoáng vật lớp hydrat. Chiều dày và cấu trúc của lớp hydrat phụ thuộc vào tính dính ướt của bề mặt khoáng vật. Bề mặt ưa nước tức là bề mặt có năng lượng tự do lớn sẽ tác dụng mạnh với phân tử nước làm khoáng vật đó bị dính ướt. Bề mặt khoáng vật kị nước có năng lượng tự do bề mặt không đáng kể nên tác dụng yếu với nước và không bị dính ướt.
II.1.2. Quá trình tuyển.
Việc lựa chọn phương pháp tuyển thích hợp còn phải căn cứ vào mức độ xâm nhiễm của các khoáng vật. Tùy thuộc vào mức độ xâm nhiễm quặng được chia thành các loại sau đây:
Bảng 2.1: Mức độ và đọ hạt xâm nhiễm
Loại quặng Xâm nhiễm
Thô Xâm nhiễm Trung bình Xâm nhiễm Mịn Xâm nhiễm Rât mịn Xâm nhiễm Vô cùng mịn
Độ xâm nhiễm (mm) ≥ 2 0,5-2 0,1-0,5 0,02-0,1 0,005-0,02
Do các hạt xâm nhiễm của nhóm làm thực tập là có độ xâm nhiễm: ≤ 0,5 (mm)
Chọn phương pháp tuyển nổi
1) Quá trình tuyển.
Là giải pháp kỹ thuật dựa vào sự khác nhau về một số dấu hiệu xác định của các khoáng vật để phân chia chúng ra khỏi nhau.
Ví dụ: dựa vào tỷ trọng có thể dùng quá trình lắng, đãi, rửa, phân ly trong huyền phù nặng...
2) Khâu công nghệ.
Là các bước gia công khoáng sản để làm thay đổi một phần tính chất của khoáng sản hoặc từng bước phân chia nó thành các sản phẩm có chất lượng khác nhau.
3) Dây chuyền công nghệ trong xưởng tuyển khoáng.
Dây chuyền công nghệ bao gồm ba công đoạn chính sau đây:
- Công đoạn chuẩn bị bao gồm các quá trình đập, nghiền, sàng, phân cấp để giải phóng các khoáng vật có ích ra khoải đất đá, chuẩn bị độ hạt thích hợp đưa vào các quá trình tuyển sau đó trung hòa nguyên liệu khoáng sản trước khi đưa vào tuyển.
- Công đoạn làm giàu bao gồm các phương pháp hoặc quá trình tuyển được sử dụng để tách khoáng vật có ích ra khỏi đất đá và tách các khoáng vật có ích ra khoải nhau, nhằm thu được các sản phẩm có tính chất và chất lượng khác nhau.
- Công đoạn hoàn thiện sản phẩm và kiểm tra chất lượng bao gồm các quá trình tách khỏi các sản phẩm, phân loại các sản phẩm theo các cơ hạt, thu hồi nước tuần hoàn, thu hồi bụi, lấy mẫu kiểm tra kỹ thuật...
Trong các công đọan chuẩn bị trên thi công đoạn chuẩn bị có mức tiêu thụ năng lượng và hao mòn thiết bị lớn nhất. Bởi vậy nó chiếm 60% giá thành tuyển một đơn vị thành phẩm.
4) Khâu tuyển:
Là một bước của quá trình tuyển, thực hiện một phần nhiệm vụ tuyển. Người ta phân biệt các khâu tuyển sau đây:
- Tuyển chính là khâu tuyển chủ yếu đầu tiên để phân chia đại bộ phận khoáng sản có ích ra khỏi đất đá tạp. Trong khâu tuyển chính hỗn hợp nguyên vật liệu khoáng sản được phân chia thành hai sản phẩm đó là sản phẩm giàu và sản phẩm nghèo chất có ích, nhưng chúng thường không có chất lượng đạt yêu cầu quy định đối với sản phẩm cuối cùng.
- Tuyển tinh là khâu tuyển lại sản phẩm giàu của khâu tuyển chính để thu hồi được sản phẩm có chất lượng đạt yêu cầu quy định của thương phẩm. Trong trường hợp cần phải tuyển tinh nhiều lần mới thu được thương phẩm thì phải bố trí khâu tuyển tinh nhiều cấp: cấp I, cấp II, cấp III... kế tiếp nhau.
- Tuyển vét là khâu tuyển lại sản phẩm nghèo của khâu tuyển chính để thu hồi thêm khoáng sản có ích và cho ra sản phẩm đạt yêu cầu quy định đối với bã thải cuối cùng, giảm mất mát khoáng sản có ích. Trong trường hợp cần phải tuyển vét nhiều lần
mới thu được thương phẩm thì phải bố trí khâu tuyển vét nhiều cấp: cấp I, cấp II, cấp III... kế tiếp nhau.
Qua trên theo yêu cầu thực tế thực tập thì nhóm em chỉ làm có khâu tuyển tinh.
Sau đây là sơ đồ công nghệ của xưởng tuyển nổi.
Dự vào sơ đồ bên dưới, nhóm chúng em thực hiên thí nghiệm cho quá trình tuyển nổi cho công đoạn: Nước tràn - Nước lọc – Bã thải. Để tiến hành làm mẫu tuyển nổi. Tương ứng cho cơ hạt là xâm nhiễm mịn ≤ 0,5 (mm).
Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ của xưởng tuyển nổi.
II.1.3. Thuốc tuyển nổi.
Các hợp chất hóa học đưa vào bùn tuyển nổi nhằm điều khiển hoàn thiện và ổn định quá trình tuyển nổi, nâng cao tính chọn riêng ( tức là hiệu quả tách khoáng vật có ích ra khỏi đất đá và tách các khoáng vật có ích ra khỏi nhau) và tăng độ bền của bóng khí gọi là thuốc tuyển nổi.
1 Tùy thuộc vào chức năng, các thuốc tuyển nổi được chia thành các loại.
- Thuốc tập hợp. - Thuốc tạo bọt. - Thuốc điều chỉnh.
2 Thuốc tập hợp.
a Thuốc tập hợp không cực: Là các hợp chất không phân ly thành ion, thường dùng là dầu hydrocacban, sản phẩm chế biến từ dầu mỏ. Thuốc không cực không tan trong nước, nó được phân tán trong bùn dưới dạng các giọt nhỏ do khuấy hoặc nhũ hóa. Thuốc không cực được hấp phụ lý học lên bề mặt hạt khoáng vật tạo thành các màng mỏng làm tăng tính kị nước của bề mặt đó.
Thuốc loại này nhóm dùng là dầu hỏa.
b Thuốc tập hợp dị cực:
- Loại này có cấu trúc không đối xứng, phức tạp, gồm hai phần: Phần có cực 1 và phần không cực 2 là gốc huydrocacbon có tính kị nước. Sự hấp phụ của thuốc dị cực lên bề mặt các khoáng ( có cực) là hấp phụ hóa học.
Hình 2.3: Cấu trúc thuốc tập hợp dị cực.
- Đa số các thuốc tập hợp dị cực tan trong nước và phân ly thành các ion. Tùy thuộc vào ion gây nên sự không dính ướt mà người ta phân biệt: Thuốc tập hợp anion chứa ion gây nên sự kị nước là ion âm và thuốc tập hợp cation chứa ion gây nên sự kị nước là ion dương.
Thuốc tập hợp anion:
Tùy thuộc vào cấu trúc của nhóm có cực trong thuốc tập hợp anion, người ta phân biệt thuốc tập hợp hydrooxy và hydrosunfua. Thuốc tập hợp anion có nhóm hydrooxy là thuốc tập hợp mạnh nhưng tính chọn riêng tương đối thấp. Chúng được dùng để tuyển nổi các khoáng vật oxyt như canxit, barit, manhezit, cacbonat kim loại màu, kim loại đắt-hiếm và muối hòa tan.
Hình 2.4: Phân loại thuốc tập hợp.
Thuốc tập hợp hydrooxy điển hình là axit béo có công thức chung R-C(=O)-OH hay dùng nhất là axit oleic (C18H34O2 ), nó thường chứa trong dầu thực vật hoặc mơ động vật.
Thuốc loại này nhóm chọn là thuốc tập hợp anion: Điển hình là axit oleic-loại này có tính tạo bọt cao; tính chọn riêng được dùng để tuyển nổi catxiterit, bảit, kianit và sêêlit. Thêm loại dầu thực vật ( dầu vừng).
Thuốc tập hợp cation:
Thuốc tập hợp cation thông dụng nhất là amin và muối của nó. Thuốc hay dùng nhất là laurylamin ( C12H25NH2) và muối của nó là laurylamin hydroclorua (C12H25NH3Cl).
3 Thuốc tạo bọt.
Là chất có hoạt tính bề mặt, nó chỉ được hấp phụ lên bề mặt của bóng khí, làm giảm sức căng bề mặt trên ranh giới phân chia đó.
Đại diện cho nhóm này là dầu thông.
Hình 2.6: Cơ chế tác
dụng của thuốc tạo
