Возможности применения сонохимии при флотации минеральных руд

Проведен теоретический анализ перспективного метода ультразвуковой обработки для повышения эффективности флотации твердых полезных ископаемых. Рассмотрены теоретические основы сонохимии (звукохимии), а также проанализированы эффекты, возникающие при ультразвуковой обработке различных сред в процессе флотационного обогащения полезных ископаемых, включая переходную и стабильную кавитации, эффект силы акустического излучения. Объяснены факторы влияния сонохимического воздействия на эффективность флотации, которые в первую очередь связаны с ультразвуковой кавитацией, а также с силой акустического излучения. Выделены два основных направления, которые изучаются различными мировыми научными сообществами в последние два десятилетия: ультразвуковая обработка пульпы или флотационных реагентов до процесса флотации, при этом рассматриваются процессы эмульгирования или диспергирования реагентов, удаление оксидных пленок с поверхности минеральной частицы, обесшламливание под действием ультразвукового поля; второе направление — ультразвуковая обработка в процессе флотации, влияющая на размер пузырьков воздуха, разделение пустой породы от ценного материала, пенообразование и т.д. Наиболее перспективными с точки зрения использования ультразвука на флотационных обогатительных фабриках являются ультразвуковая обработка рудной суспензии, которая способствует удалению глинисто-солевых шламов и оксидных пленок с поверхности минералов, а также предварительная сонохимическая обработка флотационных реагентов, которая изменяет многие физико-химические характеристики реагентов, тем самым улучшая эффективность флотации.

Буров В. Е. Возможности применения сонохимии при флотации минеральных руд // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 1. – С. 36–51. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_1_0_36.

Буров Владимир Евгеньевич — аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: vladimire.burov@gmail.com, ORCID ID: 0000-0003-0369-0492.

1. Абрамов А. А. Пути развития теории обогатительных процессов и создания инновационных технологий комплексного использования сырья // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2012. — № 1. — С. 165—178.

2. Liu W., Moran C. J., Vink S. A review of the effect of water quality on flotation // Minerals Engineering. 2013, vol. 53, pp. 91—100. DOI: 10.1016/j.mineng.2013.07.011.

3. Александрович Х. М., Можейко Ф. Ф., Коршук Э. Ф., Маркин А. Д. Физикохимия селективной флотации калийных солей. — Минск: Наука и техника, 1983. — 272 с.

4. Peleka E. N., Gallois G. P., Matis K. A. A perspective on flotation: a review // Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2017, vol. 93, pp. 615—623. DOI: 10.1002/jctb.5486.

5. Chen Y., Truong N. T., Bu X., Xie G. A review of effects and applications of ultrasound in mineral flotation // Ultrasonics Sonochemistry. 2020, vol. 60, article 104739. DOI: 10.1016/j. ultsonch.2019.104739.

6. Mason T. J., Riera E., Vercet A., Lopez-Buesa P., Sun D. Application of ultrasound / Emerging technologies for food processing. Ch. 13. London, Academic Press, 2005, pp. 323—351. DOI: 10.1016/B978-0-12-676757-5.X5000-2.

7. Федюшко Ю. М., Федюшко М. П. Экологический характер энергии ультразвуковых волн технологических процессов // Вестник аграрной науки Дона. — 2013. — № 4(24). — С. 34—39.

8. Videla A. R., Morales R., Saint-Jean T., Gaete L., Vargas Y., Miller J. D. Ultrasound treatment on tailings to enhance copper flotation recovery // Minerals Engineering. 2016, vol. 99, pp. 89—95. DOI: 10.1016/j.mineng.2016.09.019.

9. Filippov L. O., Filippova I. V., Barres O., Lyubimova T. P., Fattalov O. O. Intensification of the flotation separation of potash ore using ultrasound treatment // Minerals Engineering. 2021, vol. 171, article 107092. DOI: 10.1016/j.mineng.2021.107092.

10. Gungoren C., Baktarhan Y., Demir I., Ozkan S. Enhancement of galena-potassium ethyl xanthate flotation system by low power ultrasound // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2020, vol. 30, no. 4, pp. 1102—1110. DOI: 10.1016/S1003-6326(20)65281-5.

11. Хмелев В. Н., Шалунов А. В., Хмелев С. С., Цыганок С. Н. Ультразвук. Аппараты и технологии. — Барнаул: АлтГТУ, 2015. — 687 с.

12. Adewuyi Y. G. Sonochemistry: Environmental science and engineering applications // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2001, vol. 40, pp. 4681—4715. DOI: 10.1021/ ie010096l.

13. Mørch K. A. Reflections on cavitation nuclei in water // Physics of Fluids. American Institute of Physics. 2007, vol. 19, no. 7, article 072104. DOI: 10.1063/1.2747210.

14. Кугаевская А. А., Любимова Т. П., Рыбкин К. А., Фатталов О. О., Козлов М. В. Экспериментальное исследование возникновения парогазовых пузырьков в воде и растворах солей под действием ультразвука / Пермские гидродинамические научные чтения: Материалы VII Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти профессоров Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицкого и Д.В. Любимова. — Пермь: ПГНИУ, 2020. — С. 253—256.

15. Lord Rayleigh O. M. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1917, vol. 34 (200), pp. 94—98. DOI: 10.1080/14786440808635681.

16. Plesset M. S. The dynamics of cavitation bubbles // Journal of Applied Mechanics. 2021, vol. 16, no. 3, pp. 277—282. DOI: 10.1115/1.4009975.

17. Neppiras E. A., Noltingk B. E. Cavitation produced by ultrasonics: Theoretical conditions for the onset of cavitation // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1951, vol. 64, no. 12, pp. 1032—1038. DOI: 10.1088/0370-1301/64/12/302.

18. Маргулис М. А., Маргулис И. М. Динамика ансамбля пузырьков в кавитационном поле // Журнал физической химии. — 2007. — № 12 (81). — С. 2290—2295.

19. Юр Г. С., Пинясов С. В. Численное исследование процесса кавитации в капле жидкости // Морские интеллектуальные технологии. — 2019. — № 1—3. — С. 53—56.

20. Neppiras E. A. Acoustic cavitation thresholds and cyclic processes // Ultrasonics. 1980, vol. 18, no. 5, pp. 201—209. DOI: 10.1016/0041-624X(80)90120-1.

21. Михайлова Н. В., Смирнов И. В., Шарипова А., Слесаренко В. Расчет зависимости звукокапиллярного эффекта от частоты ультразвука на основе критерия пороговой кавитации // Проблемы прочности и пластичности. — 2020. — Т. 82. — № 1. — С. 64—74. DOI: 10.32326/1814-9146-2020-82-1-64-74.

22. Yasui K., Lee J., Kozuka T., Towata A., Iida Ya. The range of ambient radius for an active bubble in sonoluminescence and sonochemical reactions // The Journal of Chemical Physics. 2008, vol. 128, no. 18, article 184705. DOI: 10.1063/1.2919119.

23. Young F. R. Cavitation, London, World Scientific, 1999, 444 p.

24. Leighton T. G., Walton A. J., Pickworth M. J. W. Primary Bjerknes forces // European Journal of Physics. 1990, vol. 11, no. 1. DOI: 10.1088/0143-0807/11/1/009.

25. Trujillo F. J., Juliano P., Barbosa-Cánovas G., Knoerzer K. Separation of suspensions and emulsions via ultrasonic standing waves. A review // Ultrasonics Sonochemistry. 2014, vol. 21, no. 6, pp. 2151—2164. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2014.02.016.

26. Вахрушев В. В., Рупчева В. А., Пойлов В. З., Косвинцев О. К. Обесшламливание сильвинитовой руды при ультразвуковой обработке // Инженерный вестник Дона. — 2012. — № 4. — С. 1369.

27. Herbert E., Balibar S., Caupin F. Cavitation pressure in water // Physical Review E. 2006, vol. 74, no. 4, article 041603. DOI: 10.1103/PhysRevE.74.041603.

28. Barma S. D., Sathish R., Baskey P. K., Biswal S. K. Chemical beneficiation of high-ash Indian noncoking coal by alkali leaching under low-frequency ultrasonication // Energy Fuels. 2018, vol. 32, no. 2, pp. 1309—1319. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.7b03291.

29. Barma S. D. Ultrasonic-assisted coal beneficiation. A review // Ultrasonics Sonochemistry. 2019, vol. 50, pp. 15—35. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.08.016.

30. Muramatsu H., Saito T. The relationship between bubble motion and particle flocculation pattern under 20-kHz-ultrasound radiation in water // Chemical Engineering Science. 2017, vol. 170, pp. 195—203. DOI: 10.1016/j.ces.2017.03.040.

31. Ozkan S. G. Effects of simultaneous ultrasonic treatment on flotation of hard coal slimes // Fuel. 2012, vol. 93, pp. 576—580. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.10.032.

32. Oliveira H., Azevedo A., Rubio J. Nanobubbles generation in a high-rate hydrodynamic cavitation tube // Minerals Engineering. 2018, vol. 116, pp. 32—34. DOI: 10.1016/j.mineng.2017.10.020.

Литературу с п. 33 по п. 38 и с п. 40 по п. 50 смотри в REFERENCES.

39. Вахрушев В. В., Пойлов В. З., Косвинцев О. К. Удаление хлорида натрия из флотоконцентрата KCl при ультразвуковой обработке // Известия Томского политехнического университета. — 2013. — Т. 322. — № 3. — С. 15—18.

51. Пойлов В. З., Буров В. Е., Галлямов А. Н., Федотова О. А. Сонохимическая активация раствора солянокислого амина, используемого в качестве собирателя в технологии флотации сильвинитовых руд // Обогащение руд. — 2021. — № 5. — С. 15—26. DOI: 10.17580/or.2021.05.04.

52. Burov V. E., Poilov V. Z., Sazhina M. M., Huang Z. Effect of ultrasound on reagent compositions foaming properties used in mineral flotation // Chemchemtech. 2022, vol. 65, no. 9, pp. 81—89. DOI: 10.6060/ivkkt.20226509.6624.

53. Буров В. Е., Пойлов В. З., Хуан Ч., Чернышев А. В., Кузьминых К. Г. Влияние предварительной сонохимической обработки депрессоров шламов на эффективность сильвиновой флотации // Горные науки и технологии. — 2022. — Т. 7. — № 4. — С. 298—309. DOI: 0.17073/2500-0632-2022-08-09.