Исследования дезинтеграции высокоглинистых песков, содержащих полезные компоненты, представляют большое практическое значение в контексте необходимости их переработки. Существует актуальная потребность в разработке новых технологий и аппаратов для эффективной подготовки такого типа сырья к обогащению. Одним из важных аспектов в этом процессе является дезинтеграция в промывочных устройствах, где основной средой является гидросреда. Взаимосвязь высокоглинистых песков с гидросредой, особенно их размокаемость, играет ключевую роль в определении эффективности дезинтеграции.
Размокаемость дисперсных материалов зависит от различных факторов, таких как структура, вязкость материала [1, с. 97], дисперсность состава, пористость [2, с. 94], начальная влажность [3, с. 58], особенности связи между частицами и число пластичности [4, с. 64]. В динамической среде, помимо перечисленных факторов, эффективность промывки также зависит от предварительной подготовки исходных песков, характера воздействия и режимов промывки, например добавления крупнообломочного материала в промывочный барабан в процессе дезинтеграции [5].
В последнее время изучаются процессы предварительной подготовки высокоглинистых песков, включая криогенную обработку, как один из способов разупрочнения перед дезинтеграцией [6]. Исследования показывают, что циклы замораживания-оттаивания вызывают разнообразные физико-химические, физико-механические и теплофизические процессы, существенно влияющие на состояние структуры и текстуры дисперсного материала [7, 8]. Особенностью Крайнего Севера является возможность проведения такой предварительной обработки с использованием естественных низких температур без значительных финансовых затрат.
Структура мерзлых грунтов, где вода присутствует в виде кристаллизованного льда, существенно влияет на их свойства после оттаивания и последующей дезинтеграции. При таянии льда в порах грунта уменьшаются льдоцементационные связи, что приводит к снижению вязкости и прочности породы. Процессы уплотнения и набухания частиц в грунте во время оттаивания создают сложную динамику, где сохранение посткриогенной структуры может временно поддерживать поры, не смыкающиеся даже под внешней механической нагрузкой. Важно учитывать эти особенности при дезинтеграции, так как прочность уплотненных глинистых агрегатов может снижаться, что приводит к интенсивному разрушению и диспергации в процессе промывки.
Исследования, проведенные А.С. Курилко [9, с. 90–96] по влиянию циклов замораживания-оттаивания на размокаемость песчано-глинистых пород в статичной среде, показали, что размокаемость увеличивается при уменьшении числа пластичности. После цикличной криогенной обработки в дисперсном материале формируется новая структура порового пространства, включая крупные поры, что снижает прочностные свойства материала и его устойчивость к размокаемости. Процессы разрушения мерзлых пород объясняются плавлением ледяных связей при контакте с водой, приводящим к деформации и последующему разрушению образцов на более мелкие комки. С увеличением числа циклов промораживания-оттаивания криогенная текстура становится более густой, комки становятся мельче. При оттаивании в грунт проникает воздух, замещая воду в крупных порах, что также оказывает расклинивающее действие, способствуя размоканию.
Эффективность криогенной обработки существенно влияет на поверхностные свойства дисперсных частиц. В текущем этапе исследований акцент смещен на оценку изменений адгезионных свойств продуктов криогенной обработки высокоглинистых песков в системе гидрофобность-гидрофильность.
Цель исследования заключается в рассмотрении воздействия криогенной обработки на глинистые пески и их свойства гидрофобности и гидрофильности. Для оценки гидрофобности частиц был использован новый метод – метод прямой флотации, исключающий применение собирателей и реагентов, специфически взаимодействующих с поверхностью минерала. Этот метод предполагает выделение частиц в пенный продукт, отражающий их истинные, в данном случае гидрофобные, свойства. Для повышения эффективности флотации гидрофобных частиц использовался только пенообразователь, который не влияет на поверхностные свойства, а также создает стабильную трехфазную среду, обладающую высокой удерживающей способностью для минералов в пенном слое.
Материалы и методы исследования
Эксперименты проводились на образцах с начальной влажностью 25 %, для которых предварительные лабораторные исследования выявили наиболее выраженное воздействие криогенной обработки на диспергирование в водо-воздушной трехфазной системе.
Эксперименты проводились на лабораторной флотационной машине 240 ФЛ-А с объемом камеры 1,5 л (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальный стенд: 1 – флотомашина 240-ФЛ-А; 2 – камера флотомашины; 3 – емкость для пенного продукта
Исследования включали в себя тонкодисперсную часть исходных песков фракций -0,2+0 мм (с 60 % долей класса 0,020 мм) и -0,1+0 мм (с 70 % долей класса 0,020 мм). Навески по 200 г с влажностью 25 % помещались в герметичные контейнеры и подвергались замораживанию при температуре 253 K, с последующим оттаиванием в лаборатории при температуре 293 K. Время промерзания и оттаивания составляло 12–15 ч на каждом этапе, проводилось до четырех циклов, а также изучались образцы без криогенной обработки.
Исходные образцы загружались в камеру флотомашины, где процесс флотации осуществлялся с применением пенообразователя (Т-80, расход 150 г/т) и без него. Пенообразователь подавался в относительно высоких концентрациях для обеспечения стабильной и насыщенной пены. Время перемешивания пенообразователя с водой составляло 3 мин, а время флотации для всех экспериментов было установлено в 15 мин, при водном pH = 6. По завершении эксперимента пенный и камерный продукты высушивались и взвешивались. Процесс представлен на рис. 2.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 3 представлена обобщенная диаграмма, иллюстрирующая выход пенного продукта от флотируемой пробы размером -0,2 мм в зависимости от числа циклов промораживания-оттаивания, как с использованием пенообразователя, так и без него. Данные также сопоставляются с образцами, не подвергшимися криогенной обработке. В результате криогенной обработки исходных образцов размером -0,2 мм выход пенного продукта увеличивается с 11 до 21 % без применения пенообразователя и достигает максимума после трех циклов. С использованием пенообразователя данный выход увеличивается с 20 до 35 %.
Рисунок 4 представляет сводную диаграмму выхода пенного продукта от флотируемой пробы размером -0,1 мм в зависимости от числа циклов промораживания-оттаивания, как с применением пенообразователя, так и без него. Здесь также проведено сравнение с образцами, не подвергшимися криогенной обработке.
После криогенной обработки исходных образцов размером -0,1 мм выход пенного продукта увеличивается с 21 до 31 % без пенообразователя после двух циклов знакопеременной криогенной обработки, а с использованием пенообразователя этот выход возрастает с 29 до 38 %, также после двух циклов.
Рис. 2. Процесс работы на флотационной машине ФЛ 240-А
Рис. 3. Выход пенного продукта флотации с использованием пенообразователя и без него в зависимости от количества циклов промораживания-оттаивания при обработке исходных песков крупностью -0,2 мм
Рис. 4. Выход пенного продукта флотации с использованием пенообразователя и без него в зависимости от количества циклов промораживания-оттаивания при обработке исходных песков крупностью -0,1 мм
Анализ диаграмм демонстрирует значительное воздействие криогенной обработки на выход материалов с пеной, проявляющих гидрофобные свойства в каждом случае. Предварительные исследования подтверждают, что данный показатель имеет свое характерное значение для каждого образца при одинаковых условиях, исключая механический вынос материала с пеной, что указывает на полное извлечение гидрофобных частиц, выделенных в пене.
Кроме того, стоит отметить, что гидрофобность мелкодисперсного материала, полученная таким образом, после оттаивания образца и последующей проморозки, не только сохраняет свои свойства, но и увеличивается при дополнительных циклах промораживания (2–3 цикла). Очевидно, что этот эффект связан с пассивацией поверхностной энергии в процессе криогенной обработки.
Помимо этого, динамика процесса гидрофобизации устойчива и характеризуется тенденцией к усилению эффективности дезинтеграции с каждым циклом. Это влияет на интенсификацию процесса промывки в водо-воздушной среде, что ранее было выявлено в предшествующих исследованиях [10].
Заключение
В результате проведенных экспериментов было установлено, что процесс гидрофобизации поверхности всех минеральных форм обладает универсальным характером. Механизм этого явления связан с сложными процессами циклической криогенной обработки, включающими кристаллизацию и перекристаллизацию воды в микротрещинах и порах дисперсных частиц. В процессе циклической криогенной обработки происходит накопительный эффект: расклинивающее давление, вызванное образованием ледяных включений при замерзании, формирует новые поры и пространства внутри конгломератов, при последующем размораживании эти поры заполняются водой, а затем новая ледяная структура разрывает конгломерат. Важным фактором, влияющим на эффективность криообработки, является предварительная насыщенность образцов водой при содержании влаги 25 %, которая придает дезинтеграции объемный характер.
Криогенная обработка приводит к избирательному разрушению полидисперсных образований, где по сути происходят процессы, предваряющие процесс дезинтеграции, при которых разрываются наиболее слабые механические связи, и одновременно происходит пассивация поверхностной энергии, что доказывается проведенными экспериментальными исследованиями по установлению явления гидрофобизации поверхности тонкодисперсных минеральных частиц.
Криогенная обработка не только разрушает связи между глинистыми частицами, но также, раскрывая поры и трещины на их поверхности, способствует закреплению пузырьков воздуха на них, что дополнительно увеличивает интенсивность процесса дезинтеграции в водо-воздушной среде с выделением тонких частиц в гидросреду.
Явление гидрофобизации минеральной поверхности при криогенной обработке во многом объясняет высокий эффект дезинтеграции высокоглинистых песков в водо-воздушной среде. Вместе с тем требуется в дальнейшем проведение исследований по степени гидрофобизации тех или иных минеральных фаз, а также максимальное применение данного эффекта к задачам дезинтеграции высокоглинистых песков в новых аппаратах дезинтеграции и классификации.