ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИДКИХ ПАРАФИНОВ НА ОСНОВЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ОТХОДА ДЛЯ ФЛОТАЦИИ ХЛОРИДА КАЛИЯ ИЗ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследуется эффективность жидких парафинов в качестве аполярных собирателей для флотации хлорида калия из модельных растворов. Проведены лабораторные эксперименты с использованием жидкого парафина (ЖП) и импортного собирателя (ИС) при различных температурах и массовых соотношениях NaCl и KCl. Результаты показали, что ЖП демонстрирует высокую селективность и конкурентоспособную эффективность по сравнению с ИС, особенно при повышенных температурах и низких концентрациях основного компонента. Повышение температуры положительно влияет на выход концентрата и массовую долю KCl, что подтверждает потенциал использования жидкого парафина в промышленной практике для обогащения калийных руд.

ABSTRACT

This article examines the effectiveness of liquid paraffins as apolar collectors for flotation of potassium chloride from model solutions. Laboratory experiments were carried out using liquid paraffin (LC) and imported collector (IC) at different temperatures and mass ratios of NaCl and KCl. The results showed that LC demonstrates high selectivity and competitive efficiency compared to IC, especially at elevated temperatures and low concentrations of the main component. An increase in temperature has a positive effect on the yield of concentrate and the mass fraction of KCl, which confirms the potential of using liquid paraffin in industrial practice for the enrichment of potash ores.

Ключевые слова: сильвинит, флотация, аполярный ревгент, жидкий парафин, собиратель.

Keywords: silvinite, flotation, apolar revgent, liquid paraffin, collector.

Введение

Флотация является одним из ключевых процессов в обогащении полезных ископаемых, обеспечивающим разделение минеральных компонентов на основе их физико-химических свойств. В промышленности флотация используется для извлечения широкого спектра минеральных соединений, включая калийные соли, которые играют важную роль в производстве удобрений. Хлорид калия (KCl) является одним из основных источников калия, необходимого для питания растений, и его добыча и очистка имеют большое значение для сельского хозяйства и химической промышленности [1-4].

Одной из важных задач флотации хлорида калия является выбор и оптимизация собирателя, который обеспечивает эффективное разделение минерала от пустой породы. Традиционно для этих целей используются полярные и аполярные собиратели, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Полярные собиратели хорошо взаимодействуют с поверхностью минералов, но могут быть менее селективными и более подверженными воздействию растворенных веществ в воде. Аполярные собиратели, напротив, обладают высокой селективностью и устойчивостью к загрязнению, что делает их перспективными для использования в условиях сложных водных растворов [5-10].

В последние годы особое внимание уделяется изучению жидких парафинов в качестве аполярных собирателей для флотации различных минералов, включая хлорид калия. Жидкие парафины представляют собой смесь углеводородов, обладающих гидрофобными свойствами, что позволяет им эффективно адсорбироваться на поверхности минеральных частиц и обеспечивать их флотацию. Однако, несмотря на потенциальные преимущества, использование жидких парафинов в процессе флотации хлорида калия остается недостаточно исследованным [11, 12].

Целью данного исследования является изучение жидких парафинов как аполярного собирателя для флотации хлорида калия из модельных растворов. В рамках работы будут рассмотрены физико-химические основы взаимодействия жидких парафинов с минеральными частицами, а также эффективность флотации при различных условиях. Полученные результаты позволят оценить перспективы использования жидких парафинов в промышленной практике и разработать рекомендации по оптимизации процессов флотации хлорида калия.

Экспериментальная часть

Для экспериментов были приготовлены три модельных раствора с различными концентрациями, в которых массовые соотношения NaCl и KCl составляли: 1:1 (Р1); 1:0,5 (Р2) и 1:0,25 (Р3). Общее содержание солей в растворе не превышало 50%. Для приготовления растворов соли, предварительно высушенные до постоянной массы при температуре 120°С, количественно переносились в мерные колбы вместимостью 1000 см³ и растворялись в дистиллированной воде до метки.

Лабораторные эксперименты проводились на флотомашине марки ФМЛ 240. Расход собирающего агента (СА) для всех флотационных процессов, вне зависимости от содержания основного компонента, составлял 10 мг на кг смеси солей.

Объектом исследования в данной работе являлся отход ООО «Uz-KorGasChemical» - жидкий парафин, образующийся в результате растворения различных углеводородов в гексане [11-12]. В составе данной смеси содержатся как низкомолекулярные, так и высокомолекулярные примеси.

Основной задачей исследования было разделение смеси жидкого парафина на низкомолекулярные и высокомолекулярные компоненты. Для этого проводилась перегонка, сначала для отделения легколетучей части, затем для выделения основной части продукта. Кубовый остаток от основной массы компонента отделялся фильтрацией.

Для идентификации состава исходного и полученного реагента для флотации использовалась хромато-масс-спектроскопия с использованием прибора «Agilent Technology» GC 6890 / MS 5973N.

Результаты и обсуждение

Полученная хроматограмма представлена на рисунке 1 (б). На этом же рисунке также показана хроматограмма импортного аналога жидкого парафина (а) для сравнения.

Хроматограмма (рис. 1) содержит только четыре компонента, что свидетельствует о более простой и однородной смеси, характерной для жидкого парафина. Компоненты включают Tetradecane, Pentadecane, n-Cetan, и n-Heptadecane, что указывает на преобладание углеводородов с высокой молекулярной массой.

Хроматограмма ЖП показывает гораздо большее количество компонентов, отражая более сложную и разнообразную смесь углеводородов, включая различные алканы, циклоалканы и их производные. Присутствие таких компонентов, как 2-methylpentane, 3-methylpentane, hexane, и cyclopentane, указывает на присутствие легких углеводородов, а компоненты, такие как n-tetradecane, pentadecane, и n-hexadecan, свидетельствуют о присутствии тяжелых углеводородов.

Рисунок 1. Хроматограмма импортного парафина

В таблице 1 представлены результаты флотации модельных растворов сильвинита при температуре 22±1°C с использованием жидкого парафина (ЖП) и импортного собирателя (ИС). Рассматриваются три модельных раствора с различными массовыми соотношениями NaCl и KCl: 1:1 (Р1), 1:0,5 (Р2) и 1:0,25 (Р3).

Для раствора Р1 выход концентрата при использовании ИС составил 42,3%, тогда как при использовании ЖП — 39,1%. Для раствора Р2 аналогичные показатели составили 31,5% и 31,2%, а для раствора Р3 — 17,5% и 16,1%. Таким образом, наблюдается, что ИС обеспечивает несколько более высокий выход концентрата по сравнению с ЖП, что особенно заметно при соотношении 1:1 (Р1).

б)

Рисунок 2. Хроматограмма ЖП.

Таблица 1.

Результаты флотации модельных растворов при 22±1ºС с использованием ЖП

Массовая доля KCl в концентрате при использовании ИС для раствора Р1 составила 89,2%, тогда как при использовании ЖП — 90,1%. Для раствора Р2 эти значения составили 89,1% и 90,4%, а для раствора Р3 — 87,4% и 87,9% соответственно. Это свидетельствует о том, что при использовании ЖП массовая доля KCl в концентрате выше, что указывает на лучшую селективность ЖП.

Извлечение KCl в концентрате при использовании ИС для раствора Р1 составило 75,46%, тогда как при использовании ЖП — 70,46%. Для раствора Р2 эти показатели составили 83,21% и 85,26%, а для раствора Р3 — 76,55% и 85,26% соответственно. Таким образом, ЖП демонстрирует лучшую эффективность извлечения KCl, особенно при соотношении NaCl и KCl 1:0,5 (Р2) и 1:0,25 (Р3).

Анализ данных таблицы 1 показывает, что использование жидкого парафина в качестве аполярного собирателя для флотации хлорида калия из модельных растворов обеспечивает более высокую массовую долю KCl в концентрате и лучшую селективность по сравнению с импортным собирателем. Хотя выход концентрата при использовании ЖП несколько ниже, его эффективность в извлечении KCl является значительным преимуществом.

На рис. 2 представлены данные, характеризующие результаты исследования влияния температуры процесс флотации.

Видно, что выход концентрата увеличивается с повышением температуры как для импортного собирателя (ИС), так и для жидкого парафина (ЖП). При низкой температуре (10°C) выход концентрата для ИС составляет около 20%, а для ЖП — около 15%. С увеличением температуры до 30°C выход концентрата резко увеличивается и достигает максимальных значений: около 40% для ИС и 35% для ЖП. Далее, при дальнейшем увеличении температуры до 50°C, выход концентрата продолжает расти, достигая около 50% для ИС и 45% для ЖП.

На втором графике (рис. 3) также наблюдается увеличение выхода концентрата с повышением температуры для обоих типов собирателей. При низкой температуре (10°C) выход концентрата для ИС составляет около 25%, а для ЖП — около 20%. При увеличении температуры до 30°C выход концентрата достигает примерно 40% для обоих собирателей, что указывает на улучшение эффективности ЖП при увеличении расхода собирателя. Далее, при дальнейшем повышении температуры до 50°C, выход концентрата для ИС достигает около 47%, а для ЖП — около 45%.

Анализ графиков показывает, что повышение температуры положительно влияет на выход концентрата при флотации Р3 для обоих типов собирателей (ИС и ЖП). В обоих случаях максимальный выход концентрата наблюдается при температуре около 50°C, что указывает на необходимость оптимизации температурного режима и расхода собирателя для достижения наилучших результатов флотации.

Рисунок 4. Выход концентрата при флотации Р1 в зависимости от температуры (расход собирателя 10 г/т): 1) ИС; 2) ЖП

На рис. 4 изображен выход концентрата при флотации модельного раствора Р1 в зависимости от температуры при расходе собирателя 10 г/т. При использовании ИС при температуре 10°C выход концентрата составляет около 11%. С повышением температуры до 20°C выход концентрата увеличивается до примерно 16%. При дальнейшем повышении температуры до 30°C выход концентрата продолжает увеличиваться, достигая около 18%. После этого наблюдается постепенное увеличение до 19% при 45°C.

При использовании ЖП при температуре 10°C выход концентрата составляет около 9%, а при 20°C увеличивается до 18%. После этого наблюдается стабилизация и незначительное увеличение до 19% при 45°C.

Таким образом при начальной температуре (10°C) выход концентрата для ЖП ниже, чем для ИС, но при повышении температуры до 20°C и выше ЖП демонстрирует сопоставимые результаты.

Заключение

На основании полученных данных можно сделать вывод, что жидкий парафин является эффективным аполярным собирателем для флотации хлорида калия, особенно при повышенных температурах и низких концентрациях основного компонента. ЖП демонстрирует высокую селективность и конкурентоспособную эффективность по сравнению с импортным собирателем, что делает его перспективным для применения в промышленной практике. Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию условий использования жидкого парафина, а также на изучение его взаимодействия с различными компонентами минеральных растворов.

Список литературы:

1. Абрамов А.А. Флотационные методы обогащения: Учебник. — 4-е изд., переработ. и доп. — М.: Издательство «Горная книга», 2016. — 595 с.:
2. Абрамов А. А. Собрание сочинений. Флотация. Реагенты-собиратели. — М.: МГГУ «Горная книга», 2012. — 656 с.
3. Miettinen, Tatu & Ralston, John & Fornasiero, Daniel. (2010). The Limits of Fine Particle Flotation. Minerals Engineering - MINER ENG. 23. 420-437. 10.1016/j.mineng.2009.12.006.
4. Li, S., Xu, B., Chen, P., Zhao, Y., Nie, G., & Song, S. (2018). Improvement of sylvite flotation from halite by starvation feeding the collector octadecylamine. RSC Advances, 8(43), 24182–24187. doi:10.1039/c8ra04166k
5. Григорьев А.А. Производство флотореагентов // Катализ и нефтехимия, 2001, №9–10.  С. 53-60.
6. Monte, M. B. M., & Oliveira, J. F. (2004). Flotation of sylvite with dodecylamine and the effect of added long chain alcohols. Minerals Engineering, 17(3), 425–430. doi:10.1016/j.mineng.2003.11.
7. Мелик-Гайказян В.И., Ворончихина В.В., Емельянова Н.П., Драганов А.В., Ермаков К.Г. Основная характеристика флотационной активности аполярных реагентов. Цветная металлургия, 2004. №4.-С.68-71
8. George Z. Kyzas, Kostas A. Matis. The Flotation Process Can Go Green. Processes 2019, 7, 138.
9. Бектурганов Н.С., Тусупбаев Н.К., Семушкина Л.В., Калиева Р.С. Флотационные реагенты в процессах обогащения минерального сырья Цветные металлы, 2010. - №4.- С. 48-51.
10. Авдохин В.М. Основы обогащения полезных ископаемых. – М.: МГТУ. Т. IV. 3-е изд., перераб. и доп. – 2008. – 710 с.
11. Значения флотационного процесса, исследование флотационных реагентов и механизмов их действия на поверхности раздела фаз // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Бухоров Ш.Б. [и др.]. 2020. № 9(75). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/10620.
12. Интенсификация технологии флотационного обогащения сильвинитов Тюбегатанского месторождения // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Адилова М.Ш. [и др.]. 2019. № 10 (67). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/8013