Флотационные методы обогащения : химические основы флотации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 620 

Кафедра обогащения руд цветных и редких металлов

М.М. Сорокин 

Флотационные методы 
обогащения 

Химические основы флотации 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению 150100 – Металлургия 

Москва  2011 

УДК 622.7 
 
С65 

Р е ц е н з е н т  
д-р хим. наук, проф. Г.М. Курдюмов 

Сорокин, М. М. 
С65  
Флотационные методы обогащения. Химические основы флотации : учеб. пособие / М. М. Сорокин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2011. – 411 с. 
ISBN 978-5-87623-237-3 

Описаны параметры и свойства фаз флотационной системы и основные 
процессы, протекающие при взаимодействии фаз в объеме жидкой фазы и на 
минеральной поверхности: гидратация, растворение и гидролиз. Рассмотрены 
основные 
физико-химические 
и 
флотационные 
свойства 
реагентовсобирателей и пенообразователей, а также механизм взаимодействия их с 
минеральной поверхностью. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Металлургия» по 
профилям «Металлургия цветных металлов», «Обогащение полезных ископаемых» и «Технология переработки минерального сырья». Может быть полезно аспирантам и научным сотрудникам, работающим в этой области. 

УДК 622.7 

ISBN 978-5-87623-237-3 
© М.М. Сорокин, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................6 
1. Флотационная система и ее фазы......................................................14 
1.1. Сущность флотационного процесса ..........................................14 
1.1.1. Флотационные реагенты ......................................................19 
1.1.2. Разновидности флотационных процессов обогащения.....20 
1.1.3. Возможности флотационного метода обогащения............21 
1.2. Фазы флотационной системы.....................................................26 
1.3. Физико-химические свойства фаз флотационной системы. 
Жидкая фаза ........................................................................................29 
1.3.1. Строение молекул воды .......................................................29 
1.3.2. Структура воды.....................................................................30 
1.3.3. Основные свойства жидкостей............................................35 
1.3.4. Гидратация и химическая теплота гидратации..................44 
1.3.5. Растворение жидкостей. Работа когезии и адгезии...........56 
1.4. Физико-химические свойства газовой фазы флотационной 
системы................................................................................................59 
1.5. Физико-химические и флотационные свойства твердой  
фазы флотационной системы ............................................................68 
1.5.1. Характеристика твердой фазы.............................................69 
1.5.2. Типы кристаллических решеток и виды связей.................72 
1.5.3. Дефекты кристаллических решеток....................................80 
1.5.4. Взаимодействие поверхности твердой фазы с водой,  
газом и флотационными реагентами ............................................87 
1.5.5. Двойной электрический слой ..............................................95 
1.5.6. Растворение твердого тела...................................................99 
1.6. Адсорбция флотационных реагентов на поверхности  
раздела фаз ........................................................................................104 
1.7. Состояние минеральной поверхности при контакте  
с водными растворами при различных значениях рН...................119 
1.8. Сульфидные минералы .............................................................128 
2. Реагенты-собиратели........................................................................148 
2.1. Физико-химические и флотационные свойства  
собирателей.......................................................................................148 
2.1.1. Строение молекулы собирателя ........................................148 
2.1.2. Сульфгидрильные собиратели...........................................150 
2.1.3. Основные физико-химические свойства  
сульфгидрильных собирателей ...................................................154 

2.1.4. Механизмы взаимодействия ксантогенатов  с 
поверхностью минералов.............................................................168 
2.1.5. Диалкилдитиофосфаты ......................................................185 
2.1.6. Тиокарбонилиды.................................................................191 
2.1.7. Алкилдитиокарбаматы.......................................................192 
2.1.8. Меркаптаны (тиоспирты) .................................................198 
2.2. Оксигидрильные собиратели....................................................200 
2.2.1. Строение молекул оксигидрилъных собирателей...........200 
2.2.2. Физико-химические свойства алифатических,  
алкилсерных и алкилфосфорных кислот....................................202 
2.2.3. Флотационные свойства оксигидрильных собирателей .....225 
2.2.4. Алкилпроизводные серной и фосфорной кислот..............234 
2.2.5. Пути расширения ассортимента флотационных  
реагентов-собирателей.................................................................243 
2.2.6. Усиление собирательного действия  
короткоцепочных собирателей....................................................247 
2.2.7. Усиление собирательного действия короткоцепочных 
карбоновых кислот С7–12 ..............................................................260 
2.2.8. Влияние структурной изомерии  н-алифатических 
карбоновых кислот на их физико-химические  
и флотационные свойства............................................................263 
2.2.9. Кислородсодержащие заместители атомов водорода 
в радикале молекулы карбоновых кислот..................................271 
2.2.10. Регулирование флотационных собирательных свойств 
оксигидрильных собирателей путем введения в молекулу 
электроноакцепторных заместителей атомов углерода............279 
2.3. Катионные собиратели (амины)...............................................282 
2.3.1. Физико-химические свойства аминов ..............................282 
2.3.2. Флотационные свойства аминов .......................................288 
3. Комплексообразующие собиратели................................................306 
3.1. Физико-химические свойства собирателей.............................306 
3.2. Флотационные свойства комплексообразующих  
собирателей.......................................................................................315 
3.2.1. Собиратели с лигандами О,О ............................................315 
3.2.2. Эфиры алифатических карбоновых кислот .....................325 
3.2.3. Оксикарбоновые, дикарбоновые и сульфокарбоновые 
кислоты..........................................................................................326 
3.2.4. Гидроксамовые кислоты ....................................................331 
3.3. Полиамины. Собиратели с лигандами N,N.............................335 
3.4. Собиратели с лигандами S,S и N,S ..........................................340 

4. Неионогенные собиратели...............................................................344 
4.1. Аполярные неионогенные собиратели ....................................345 
4.2. Полярные неионогенные собиратели ......................................355 
5. Пенообразователи.............................................................................363 
5.1. Пена.............................................................................................363 
5.2. Физико-химические свойства пенообразователей .................364 
5.3. Аэрирующие свойства пенообразователей .............................374 
5.4. Нейтральные пенообразователи. Спирты ...............................380 
5.5. Пенообразователи с эфирными связями..................................386 
5.6. Ионогенные пенообразователи ................................................390 
Библиографический список.................................................................394 
Приложения ..........................................................................................396 
                                                                                                                                         

ВВЕДЕНИЕ 

Эффективность флотационного обогащения обусловлена физикохимическими процессами, протекающими в объеме жидкой фазы и 
на поверхности минералов. В современных учебниках обычно достаточно полно рассматриваются физические основы флотации и технология флотационных процессов – схемы и флотационные режимы. 
Процессам, протекающим в объеме жидкой фазы, и особенно механизму взаимодействия флотационных реагентов с поверхностью минералов уделяется значительно меньше внимания. Отмечается, что 
протекает химическая или физическая реакция и приводятся соответствующие реакции. Студенты обычно затрудняются написать реакции взаимодействия между поверхностью минерала и реагентом, испытывают сложности в расчетах ионного состава пульпы при заданных параметрах, не могут выбрать и обосновать конкретный реагент. 
Цель данного курса – углубить представления и знания по этим вопросам, так как в конечном счете именно процессы, протекающие в 
объеме жидкой фазы пульпы и на поверхности разделяемых минералов при различных значениях рН, обеспечивают селективность и эффективность процесса флотации. 

История развития флотационных методов обогащения 

Более двух миллионов лет люди прожили в каменном веке. Основными 
орудиями труда и войны были камни и изделия из них. Со временем область 
применения изделий из камня расширилась: их стали использовать для 
строительства жилищ, культовых зданий, скульптур, украшений и т.п. 
Необходимый каменный материал, а позднее и штуфные куски руды человек выбирал наиболее подходящими по величине, форме, позднее – по 
природе материала (кремень, вулканическое стекло). При увеличении объема потребляемого материала человек перешел от выборки к сортировке. 
Где-то в начале медного века (4–3 тыс. лет до н.э.) люди открыли новые, 
более совершенные и более производительные методы обогащения – различные гравитационные методы, сначала, по-видимому, типа старательского лотка, затем обогащение в потоке воды (например, в ручье, как в случае 
«золотое руно»), затем обогащение в шлюзах и пр. 
Достижения Европы в области обогащения и металлургии обобщено и 
описано в книге «О горном деле и металлургии в двенадцати книгах» Георгия Агриколы – выдающегося ученого XVI столетия; он был минералогом, 
металлургом, врачом и писателем. 
В XVI в. для различных нужд человеческого общества использовались 
уже 10 элементов: золото, серебро, медь, олово, железо, ртуть, цинк, сера, 

мышьяк и сурьма. Последние три элемента были известны еще в древнем 
Египте. Особенно широко использовались железо, медь, олово и цинк. 
К концу XIX в. уже были известны также свинец и фосфор (1669), азот 
(1772), кислород, марганец и хлор (1774), магний (в 1775 г. научились отличать магний от кальция), водород (1783), хром (1797), кремний (1811–1823), 
алюминий (1827) и др. 
Первые методы обогащения использовались в течение нескольких тысяч 
лет. К концу XIX в. богатые руды были в значительной степени исчерпаны, 
в переработку стали вовлекаться все более бедные и более сложные руды 
(поликомпонентные и тонковкрапленные). Существующие методы обогащения уже с трудом обеспечивали получение более или менее богатых концентратов. Сульфидные минералы этими методами не разделялись ввиду 
близких значений плотности (халькопирит 4,1…4,3 сфалерит 3,3…4,1 пирит 
4,3…5,2 г/см3) и тонкой вкрапленности (1…0,05 мм). В лучшем случае удавалось 
отделить 
минералы 
свинца 
(галенит 
7,4…7,5, 
церуссит 
6,4…6,5 г/см3) от других минералов цветных металлов. Потребность в металлах возрастала. Это заставило изыскивать новые, более эффективные 
методы обогащения. Поэтому в конце XIX в. появились три новых метода 
обогащения: сначала открыли флотационный метод обогащения (1860 г.), 
затем сухое магнитное обогащение для железных руд и в 1901 г. был разработан электрический метод обогащения. 
Начало масляной флотации связано с именем английского изобретателя 
Вильяма Хайнса, который в 1860 г. получил первый патент на этот способ. 
Согласно патенту раздробленная руда смешивалась с минеральным маслом, 
которое, смачивая сульфиды, вызывало агрегирование их частиц. Смоченные маслом сульфиды всплывали на поверхность пульпы, образуя минерализованный слой из сульфидных минералов; частицы породообразующих 
минералов, смоченные водой, собирались на дне аппарата. 
В конце XIX в. в Швеции Венстреном был сконструирован барабанный 
сепаратор сухого обогащения сильномагнитных руд. Ветерилл (США) 
сконструировал сепаратор для обогащения слабомагнитных вольфрамитовых руд. 
В 1901 г. была предложена первая машина для разделения материалов по 
электропроводности. Первый сепаратор для разделения электропроводящих 
и электронепроводящих частиц был предложен Л. Блеком и Д. Моршером, а 
в 1905 г. Г. Гуффром был усовершенствован сепаратор для обогащения руд 
неметаллических ископаемых, а также для очистки зерен и семян. В начале 
ХХ в. Грендаль (Швеция) разработал конструкцию магнитного сепаратора 
для мокрого обогащения сильномагнитных руд. 
Рассмотрим более подробно историю развития флотационного метода 
обогащения. Разделение минералов в воде по смачиваемости – флотация – в 
примитивном виде известна довольно давно. Свыше 2500 лет назад было 
известно, что минеральные масла вытесняют воду с поверхности некоторых 
минералов. В сочинениях Геродота (490–426 гг. до н.э.) указывалось, что 

финикияне и греки применяли смазанные жиром гусиные перья при извлечении золота из россыпей. В XV в. арабы применяли оригинальный способ 
обогащения: руду, содержащую азурит CuCO·Cu(OH)2, смешивали с растопленной смолой, а затем заливали водой. Смола смачивала азурит и всплывала вместе с ним над поверхностью воды, в то время как другие минералы, 
несмачиваемые смолой, оставались в воде. Аналогичный метод применяли 
при производстве ультрамарина. 
Основное открытие флотации было сделано в Германии: братья Бессель 
в 1877 г. и в 1886 г. в Дрездене получили патенты на обогащение графита. 
В этих патентах содержались все основные особенности современного метода флотации: применение небольших количеств минеральных масел и 
образование воздушных пузырей при кипячении пульпы. В 1885 г. американкой К.И. Эверсон был взят основной патент на флотацию. В нем описано 
свойство мелкоизмельченной сернистой руды поглощать масла животного, 
минерального и растительного происхождения в присутствии подкисленной 
воды, а затем при достаточном движении воды подниматься на поверхность. В 1886 г. К. Эверсон запатентовал процесс обогащения сульфидных 
минералов флотацией: в пульпу добавляли масла (сульфированные) и неорганические кислоты (H2SO4) или соли, улучшающие разделение сульфидов 
от пустой породы. 
Г. Робсон и С. Краудер в 1897 г. рекомендовали применять при обогащении сульфидных руд большие количества минеральных масел (25…30 % 
к массе руды), обрабатывая ими густую пульпу. В масле собирались все 
сульфидные минералы (отсюда название «собиратели») и всплывали вместе 
наверх, что давало возможность отделить их от пустой породы. 
Процесс масляной флотации основан на избирательном смачивании 
сульфидных минералов маслом. Смесь руды, воды и масла тщательно перемешивается, затем пульпа отстаивается и масло с сульфидными минералами 
всплывает, располагаясь на поверхности пульпы. Для повышения эффективности разделения вводится серная кислота. 
В 1886 г. в США был запатентован процесс обогащения сульфидных руд 
с помощью масляной флотации, в 1892 г. – процесс пленочной флотации, а 
в 1901 г. – процесс пенной флотации. Современный флотационный процесс, 
существующий в развитой форме более 80 лет, прошел большой и сложный 
путь в своем развитии. Возникновение масляной флотации стимулировалось быстрым развитием в ХХ в. машиностроения и сильно возросшим 
спросом на цветные металлы. 
В США на фабрике «Гласдир» вводилось на одну часть руды (по массе) 
6–10 частей воды, до 10 % от массы руды масла и 0,5 % серной кислоты. С 
помощью масляной флотации извлекалось из руды до 80 % сульфидов. 
Производительность фабрики достигала 50 т/ч, потери масла составляли 
2 %. Минеральное масло отделялось от сульфидных концентратов промывкой, фильтрацией и центрифугированием. В 1898 г. Ф. Эльмор стал приме

нять более разбавленные пульпы. Этот метод назвали экстракционным. Он 
применялся в течение ряда лет на нескольких фабриках. 
В 1901 г. в Австралии С.В. Поттер запатентовал новый способ флотации 
сульфидных руд, содержащих карбонаты. В сильно подогретую (80…90 °С) 
пульпу, содержащую карбонаты (если в руде их нет, то добавляют тонкоизмельченный известняк), вводят серную кислоту в количестве до 20 % от 
массы руды. 
В пульпе протекает химическая реакция: CaCO3 + H2SO4 → Ca2+ + 
+
2
4
SO − +CO2↑ – активное растворение карбонатов с образованием пузырьков углекислоты. Образовавшаяся углекислота энергично выделяется в виде 
мелких пузырьков, которые при подъеме, сталкивались с омасленными 
сульфидными частицами, минерализовывались и выносились на поверхность пульпы. 
В 1902 г. С.В. Поттер и Г.П. Дельпра предложили использовать для 
транспортировки гидрофобных минеральных частиц из объема пульпы наверх пузырьки газа, получая их за счет химической реакции, а с 1903 г. – за 
счет введения воздуха. По предложению Дельпра часть серной кислоты стали заменять на NaHSO4. В том же году он предложил конструкцию флотационного аппарата. По этому способу в течение 18 лет на ряде обогатительных фабрик переработано несколько миллионов тонн сульфидных руд. В 
частности, в 1902 г. в Австралии на фабрике «Броккен-Хилл» было переработано свыше 6 млн т отвалов с получением цинкового концентрата, содержащего 42 % цинка (в исходном продукте 20 % цинка). 
В 1903 г. А. Каттермол запатентовал способ флотации, по которому 
сульфидные руды обрабатывались мылом (2 %) и маслом (4…6 %). Сульфидные зерна после такой обработки агрегировались и оседали на дно, а 
пустая порода удалялась с помощью восходящей струи воды. 
В 1904 г. Ф. Эльмор внедрил вакуум-флотацию в промышленном масштабе; разрежение поддерживалось в пределах 510…686 мм рт. ст. Подготовленная пульпа подавалась в лопастной смеситель, туда же подавались 
реагенты (мазут, сало, олеиновая кислота в количестве 0,15…0,5 % от массы руды в соотношении 6:2:1). Этот способ нашел широкое применение. 
По патенту 1905 г. пульпу стали насыщать пузырьками воздуха, что позволило резко сократить расход масла – до 0,1 %. Фактически это стало началом развития пенной флотации, которая в настоящее время заняла основное место во флотационных процессах обогащения. 
В 1892 г. А. Нибелиус и в 1904 г. Макквинстен получили патенты в 
США на способ обогащения с помощью пленочной флотации. Этот процесс 
заключался в следующем: на поверхность воды осторожно подается сульфидная руда крупностью менее 0,2…0,3 мм. Плохо смачиваемые водой 
сульфидные зерна остаются на поверхности воды в виде монослоя и удаляются в виде концентрата, а нерудные зерна хорошо смачиваются водой и 
тонут; их выводят из аппарата в виде хвостов. 

Пленочная флотация основана на том, что деформация поверхности 
жидкости, вызываемая несмачивающейся плавающей частицей, значительно увеличивает площадь поверхности слоя воды, что в целом вызывает 
снижение давления такой частицы на водную поверхность, т.е. самопроизвольно сокращает совершаемую работу против сил тяжести. 
Первоначально в процессе пленочной флотации реагенты не использовались, с 1911 г. для повышения флотационной способности сульфидных 
руд стали применять большое количество масел. Эти методом было получено свыше 300 тыс. т цинкового концентрата. Машины пленочной флотации 
имеют очень низкую производительность, а процесс малоэффективен, поэтому этот метод не нашел широкого применения. С 40-х годов ХХ в. пленочная флотация часто применяется в комбинации с гравитационным методом – флотогравитация. 
С 1905 г. стали применять при флотации продувание пульпы воздухом 
через отверстия в трубе, погруженной в пульпу, содержащую масла. 
С 1906 г. предложено подвергать пульпу сильному перемешиванию, что 
позволило резко снизить расход масел. 
С 1909 г. стала развиваться селективная флотация сульфидных руд. 
Предварительно руду подвергают обжигу (метод Хорвуда), затем вводят 
серную кислоту (Л. Бредфорд) и проводят флотацию. В 1912 г. А. Лаури и 
Н. Гринуэй предложили щелочные бихроматы для депрессии галенита. 
В 1913 году Л. Бредфорд предложил медный купорос в качестве активатора 
сульфидов цинка. 
Механическая флотомашина «Минерел сепарейшен» разработана в 
1906 г. В 1914 г. П. Келлоу предложил использовать во флотационной машине воздух, который проходил под давлением через пористую ткань. В это 
же время было предложено несколько способов подачи воздуха в пульпу, в 
частности, за счет удара струи пульпы о неподвижную стенку. Но только в 
1919 г. были сконструированы флотационные машины, в которых воздух 
поступал в пульпу через пористое дно. 
И. Лэнгмюр в 1921 г. впервые дал однозначное истолкование масляной 
флотации: в основе лежит самопроизвольный процесс слипания омасленных 
частиц сульфидных минералов и пузырьков воздуха. Жидкие слои масла на 
частицах сульфидных минералов и на пузырьках газа при их соприкосновении объединяются, в результате чего запас свободной энергии уменьшается, 
(ΔG < 0). Прочность связи равна σΔ(S) Дж/м2 и определяется свободной 
энергией σ на границе масло–вода и площадью контакта частицы с пузырьками воздуха. Разрыв связи частицы с пузырьком воздуха приводит к увеличению поверхности раздела фаз масло–вода, поэтому возможен только 
при воздействии извне (сдвиг, удар). 
В 1879 г. профессор Казанского университета И.С. Громека разработал 
теорию капиллярности, играющую большую роль в обеспечении процесса 
флотации. Он впервые дал формулировку основных законов смачивания и