«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Первоначальные названия сульфидным минералам дали по внешним признакам еще средневековые горняки. Сульфиды с металлическим блеском, хорошей спайностью получили названия: свинцовый блеск (галенит), медный блеск (халькозин — Cu₂S), сурьмяный блеск Sb₂S₃ (антимонит), кобальтовый блеск (кобальтин — CoAsS).

Сульфиды с полуметаллическим или алмазным блеском, чуть прозрачные в тонком сколе, получили название обманок: серебряная обманка (прустит), цинковая обманка (сфалерит), они мало похожи на другие рудные минералы. Сульфиды, содержащие железо, получили название колчеданов: медный колчедан (халькопирит), железный колчедан (пирит — FeS₂), мышьяковый (арсенопирит— FeAsS), никелевый (пентландит — (Fe, Ni)₉S₈), оловянный (станнин — Cu₂FeSnS₄).

Всего известно около 200 сульфидных минералов, многие из которых имеют промышленное значение. Они составляют 0,25 % земной коры. Но в рудах они, как правило, вкраплены в виде тонких частичек, составляющих доли миллиметра, и извлечь их оттуда было бы непросто, если бы не одно их удивительное свойство.

От любви до ненависти — один шаг

Существует легенда, что жена шахтера, добывавшего медные сульфидные руды, во время стирки то ли его одежды, то ли мешков из-под руды заметила, что частички медного колчедана всплыли на поверхность воды вместе с каплями жира. Наблюдательная женщина поняла, что жир избирательно смачивает медный колчедан и он всплывает (по-английски flotation — флотирует), в то время как порода тонет в воде.

Различия в смачиваемости минералов водой и маслом легли в основу процесса масляной флотации, который оказался предтечей пенной флотации. В настоящее время этим методом извлекаются из руд все сульфидные и многие несульфидные материалы, в том числе мелкие частицы угля. Этим методом во всем мире перерабатывается свыше 1 млрд т руд и углей в год. Есть флотационные обогатительные фабрики производительностью до 100 тыс. т руды в сутки; это значит, что на фабрику ежедневно прибывают несколько железнодорожных составов с рудой.

Первое упоминание о процессе, подобном масляной флотации, имеется в древней персидской рукописи XV в. Руду, содержащую «голубой камень» — азурит, смешивали с растопленной смолой, а затем заливали водой. Смола избирательно прилипала к азуриту и всплывала на поверхность, в то время как другие минералы оставались под водой. Аналогичный метод применялся при производстве ультрамарина.

Это изобретение было забыто, и в 1860 г. англичанин Вильям Хайнс получил патент на масляную флотацию, основанную на том же самом принципе. По предложению Хайнса руду, содержащую сульфидные минералы, смешивали в процессе измельчения с маслом (в отношении от 1! 9 до 1: 5) и водой. Масло смачивает сульфиды, собирается в крупные капли и всплывает вместе с захваченными частицами сульфидов над поверхностью воды. Частицы пустой породы, не смоченные маслом, остаются в воде. Этот способ применялся некоторое время для обогащения медно-золотой руды в США и давал очень хорошие по тому времени результаты — в концентрат извлекалось 80 % ценных минералов. После флотации масло отмывалось от концентрата и использовалось повторно, по, несмотря на это, расход его был все же велик — 5–10 кг на 1 т руды. От этого метода пришлось отказаться. Но вскоре он был существенно усовершенствован.

Совершенствование процесса флотации, продолжающееся уже более 120 лет, основано на изучении физико-химических поверхностных явлений, физики твердого тела, теории растворов и других фундаментальных научных направлений. Флотация является важнейшим практическим приложением этих областей науки, поскольку на флотационном обогащении руд основано извлечение минералов большинства цветных металлов, а также апатита, графита, серы, калийных солей, в какой-то степени угля, марганца и многих других полезных ископаемых.

Заметим, что в мире минералов тоже есть свои симпатии и антипатии, играющие не последнюю роль в их личной жизни. Известны вещества, хорошо смачивающиеся водой, и есть такие, которые «выходят сухими из воды». Первые называются гидрофильными, что в переводе с греческого означает буквально «любящие воду», вторые — гидрофобными — «ненавидящими воду». Среди этих «ненавидящих воду» веществ довольно много таких, которые хорошо смачиваются маслом — олеофильных.

Сродство минералов и жидкостей определяется энергией взаимодействия их молекул в поверхностных слоях, т. е. поверхностным натяжением на межфазных границах вода — минерал и масло — минерал. Если поверхностную энергию для жидкости относительно легко измерить, то для природных кристаллов с их дефектами кристаллической решетки, изоморфными примесями и неровными сколами — довольно сложно. Поэтому флотация пока остается в какой-то степени эмпирической наукой, развитие которой связано с большим количеством различных изобретений.