（矿物加工工程专业论文）泡沫层中矿物颗粒的运动规律及行为研究.pdf

摘要 摘要 泡沫浮选是目前国内外选矿领域应用最广的选矿方法 但该方法对 微细粒和粗粒矿物的回收效率低下 已造成了巨大的金属流失 为了提 高泡沫浮选对微细粒和粗粒矿物的回收效果 世界范围内开展了迸1 0 0 年的研究 由于泡沫浮选原理所致 至今仍然没有从根本上解决这一问 题 充分弄清矿粒与气泡间相互作用的各种微观过程 是进行浮选设备 和流程设计的重要基础 在广泛查阅矿粒与气泡相互作用方面的文献资料的基础上 对矿物 颗粒在泡沫层中的行为作了比较详细的理论分析 得出了矿粒与气泡接 触前后的自由能变化 g 理论分析表明 a g 不仅与接触角0 值有关 而且与气一液界面张力有关 即疏水性增加 矿粒与气泡接触过程的自 由能变化 g 的负值增加 矿粒与气泡的附着过程越容易进行 对矿粒在 水中和泡沫层中与气泡附着和脱落的概率进彳亍了分析 疏水性矿粒直接 加入泡沫层 能稳定存在于泡沫层中 且其系统自由能在附着和脱落前 后都没有发生变化 因此 气泡与矿粒在泡沫层中附着的可能性要远远 大于矿粒在矿浆中附着于气泡的可能性 矿粒在泡沫层中从气泡上脱落 的可能性远远小于在矿浆中矿粒从气泡上脱落的可能性 对疏水性矿粒在水中的沉降未速公式和疏水性微细矿粒在水中的阻 力进行了详细的探讨 得出了疏水性矿粒在水中的阻力为 一 厂而 肛3 删西躬砌卜 瓦爿击可l 由该式可知 微细颗粒表面与水的相互作用对其在水中的沉降阻力具有 重要影响 而且颗粒越小 这种影响就越大 疏水性微细矿粒在水中的 沉降未速公式为 g p 一p d 2 两i 巧万了可不司 微细矿粒在水中的自由沉降未速不仅决定于矿粒和水的性质 而且还受 矿粒与水之间相互作用的影响 对疏水性粒群在水中的沉降速度也作了 一定的探讨 得出了疏水性颗粒干涉沉降速度的对数与松散度的对数也 基本保持直线关系 疏水性增加 粒群干涉沉降速度将加快 昆明理工大学硕士学位论文 开展了不同粒级的单颗粒方铅矿 黄铁矿和石英粒群及钛铁矿粒群 疏水化前后在水中的沉降试验 试验结果表明 不论是方铅矿 黄铁矿 还是石英和钛铁矿 疏水性矿物颗粒在水中的沉降速度受表面疏水性的 影响 表面疏水化后 沉降速度加快 这进一步证明了疏水性粒群的干 涉沉降速度的对数与松散度的对数基本保持直线关系 也证明了矿粒表 面疏水性增加 沉降速度加快的理论研究结果 开展了不同粒级的方铅矿 黄铁矿和磁铁矿颗粒疏水化前后在泡沫 层中的沉降试验 掌握了不同疏水性 不同粒度颗粒在泡沫层中的运动 规律以及粒级大小对矿粒在泡沫层中的沉降速度的影响 结果表明 粒 级的大小对矿粒在泡洙层中的沉降速度的影响很大 粒级大的矿物颗粒 在泡沫层中的沉降速度比粒级小的矿物颗粒在泡洙层中的沉降速度要 快 疏水性的强弱对矿粒在泡沫层中的沉降速度也有显著的影响 疏水 性强的矿粒在泡沫层中的沉降速度比疏水性弱的矿粒在泡沫层中的沉降 速度要慢 这就成为在泡沫层中按疏水性分离矿物颗粒的基础和依靠 进行了磁铁矿一黄铁矿人工混合矿在泡洙层中的分离试验 结果表 明 粒级大小对混合矿的分离效果有很大的影响 在适当的分离时间下 不同粒级的混合矿均能得到良好的分离效果 而捕收剂用量是分离效果 好坏的决定性因素 对于一2 o m m 1 5 m m 粒级的人工混合矿 在泡沫层 中分离时 获得黄铁矿回收率8 4 0 2 黄铁矿品位7 0 4 9 的良好指标 而对于一0 12 m m o 0 7 4 m m 的细粒级人工混合矿 黄铁矿品位高达 9 0 5 3 此时的回收率也有5 6 1 所以 特粗粒级的矿粒 在泡沫层 中能按疏水性有效的分离 这是常规的泡沫浮选难以做到的 而对于较 细粒级 在泡沫层中分离 也能碍到跟泡沫浮选类似的结果 关键词 矿物颗粒泡沫层沉降速度 沉降分离 a bs t r a c t n o w a d a y s f r o t hf l o t a t i o ni saw i d e l y u s e dm e t h o da th o m ea n da b r o a d i nm i n e r a lp r o c e s s i n g b u tt h i sm e t h o di sn o te f f e c t i v ei nt h es e p a r a t i o no f f i n e p a r t i c l e sa n dl a r g ep a r t i c l e s w h i c hr e s u l t si n al o to fm e t a ll o s s i n o r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c t i v e n e sso ff i n e p a r t i c l e s a n d l a r g ep a r t i c l e s f l o t a t i o n p e o p l ei nt h ew o r l dh a v 色d o n eal o to fr e s e a r c hn e a r 10 0y e a r s b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o ni nf r o t hf l o t a t i o np r i n c i p l e t h ep r o b l e m sa r ey e t n o t c o m p l e t e l y s o l v e d t od oac l e a r i n v e s t i g a t i o n o ft h e m i c r o s c o p i c p r o c e s so ft h ep a r t i c l e si n t e r a c tw i t hb u b b l e s i st h em o m e n t o u sf o u n d a t i o n o ff l o t a t i o ne q u i p m e n td e s i g na n df l o w s h e e td e s i g n o nt h eb a s i so fl o o k i n gu pt h ed a t aa b o u tt h e o r yo fb u b b l e si n t e r a c t i n g w i t hm i n e r a lp a r t i c l e si nd e t a i l t h ea n a l y s i so fm i n e r a lp a r t i c l e sb e h a v i o u r i nb u b b l e b e dh a v eb e e nm a d e t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ef r e ee n e r g yv a r i t y go fm i n e r a lp a r t i c l e sa n db u b b l e sp r e a n da f t e rt o u c hh a sb e e nd r a w n a c c o r d i n gt ot h et h e o r y a gi s n o to n l yr e l a t i v ew i t ht o u c ha n g l e0 b u ta l s o w i t ht h ei n t e r f a c et e n s i o no fa i r l i q u i d i e t h ei n c r e a s eo fh y d r o p h o b i c n a t u r e t h en e g a t i v ea gi n c r e a s e s t h et o u c hp r o c e d u r eo fm i n e r a lp a r t i c l e s a n db u b b l e si sm o r ee a s y i nt h i st h e s i st h ep o s s i b i l i t yo fm i n e r a lp a r t i c l e s t o u c ha n da b j e c t i o nw i t hb u b b l e si n w a t e ra n db u b b l e b e da r ea n a l y s e s t h e h y d r o p h o b i cn a t u r ep a r t i c l e sa r ea d d e di nb u b b l e b e dd i r e c t l y t h ep a r t i c l e s c a ne x i s ti ni t s t a b i l i t y go ft h es y s t e ma r e n tc h a n g e s o t h ep o s s i b i l i t y o fm i n e r a lp a r t i c l e st o u c hw i t hb u b b l e si nb u b b l e b e di s g r e a t e rt h a n i n w a t e r a n d t h ep o s s i b i l i t yo fm i n e r a l p a r t i c l e ss e p a r a t e f r o mb u b b l e si n b u b b l e b e di sl o w e rt h a ni nw a t e r i nt h e t h e s i s t h es e t t l i n gl a t e s t v e l o c i t y a n dt h e r e s i s t i n g o ft h e h y d r o p h o b i cm i n e r a lp a r t i c l e s i nw a t e rh a v eb e e ns t u d i e d a n dt h er es u l t s a r ea sf 0 1 1 0 w s 肛s 砌q 叫 fr o i t it h ef o r m u l a i n t e r a c t i o n h 仃 r n b e t w e e nt h es u r f a c eo fh y d r o p h o b i c f i n e 昆明理工大学硕士学位论文 p a r t i c l e sa n dw a t e rl e a d sao b v i o u se f f e c tt ot h e r e s i s t i n g f o r c ew h e ni t s e t t l ei nw a t e r t h ep a r t i c l e si sm o r ef i n e r t h ee f f e c ti sm o r eo b v i o u s a n d t h es e t t l i n g l a t e s t v e l o c i t y f o r m u l ao fh y d r o p h o b i cm i n e r a l p a r t i c l e si s a s f o l l o w s 面暑豸 t h ef r e es e t t l i n gl a t e s t v e l o c i t yo f h y d r o p h o b i em i n e r a l w h e ni ts e t t l e s i nw a t e r i sn o to n l yd e c i d e db yt h ec h a r a c t e ro fm i n e r a la n dw a t e r b u ta l s o b yt h em u t u a ii n t e r a c t i o nb e t w e e nm i n e r a la n dw a t e r t h es e t t l ev e l o c i t yo f c l u s t e rm i n e r a lp a r t i c l e si ss t u d i e di nt h e s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt k e l o g a r i t h mo fi n t e r f e r e n c es e t t l ev e l o c i t yk e e ps t r a i g h tl i n er e l a t i o nw i t ht h e l o g a r i t h mo fi 一九 t h a ti s w i t ht h eh y d r o p h o b i ci n c r e a s e t h ei n t e r f e r e n c e s e t t l ev e l o c i t yo fc l u s t e rm i n e r a lp a r t i c l ei n c r e a s e s t h er e s u l t so ft h ed i f f e r e n ts i z ep a r t i e l e ss e t t l i n ge x p e r i m e n ti nw a t e r p r e a n d a f t e r h y d r o p h o b i ct r e a t m e n th a v e b e e nd e s c r i b e d i nt h et h e s i s f r o mt h et e s tr e s u l t s n om a t t e ri ti sg a l e n a p y r i t e q u a r t zo rm a g n e t i t e t h e s u r f a c e h y d r o p h o b i c i sa ls oaf a c t o ro ft h es e t t l e v e l o c i t y o ft h e h y d r o p h o b i cp a r t i c l e s w h e nt h em i n e r a ls u r f a c ei s m o r eh y d r o p h o b i e t h e s e t t l e v e l o c i t y i s q u i c k e r i nw a t e r t h er e s u l t sh a v ec e r t i f i e dt h a tt h e l o g a r i t h mo fi n t e r f e r e n c es e t t l ev e l o c i t yk e e ps t r a i g h tl i n er e l a t i o nw i t ht h e l o g a r i t h m o f1 一九 a sw e l lc e r t i f i e dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t st h a tw i t ht h e h y d r o p h o b i ci si n c r e a s e t h ei n t e r f e r e n c es e t t l ev e l o c i t y o fc l u s t e rm i n e r a l p a r t i c l e si n c r e a s e s t h ed i f f e r e n ts i z ep a r t i c l es e t t l i n ge x p e r i m e n ti nb u b b l e b e dp r e a n d a f t e rh y d r o p h o b i ct r e a t m e n th a sb e e nd e s c r i b e d t k ek i n e s i cr e g u l a r i t yo f p a r t i c l ew h i c h i sd i f f e r e n th y d r o p h o b i ca n dd i f f e r e n ts i z e s a n dt h ee f f e c to f s i z et ot h es e t t l e v e l o c i t y w h e np a r t i c l es e t t l ei nb u b b l e b e dh a v e b e e n g a i n e d f r o mt h et e s tr e s u l t s t h es e t t l i n g o fl a r g ep a r t i c l eis q u i c k e rt h a n t h es m a l l e r t h eh y d r o p h o b i c a ls oe f f e c t st h es e t t l e v e l o c i t y t h e m o r e h y d r o p h o b i c 0 ft h em i n e r a li s t h es l o w e rt h es e t t l ev e l o c i t y i si nt h e b u b b i e b e d f h i si s t h ef o u n d a t i o na n dr e f e r e n c et h a tm i n e r a lp a r t i c l e s e p a r a t ei nb u b b l e b e da c c o r d i n gh y d r o p h o b i cn a t u r e 摘要 t h e s e p a r a t i o ne x p e r i m e n t o f m a g n e t i t e p y r i t e a r t i f i c i a lm i x e d m i n e r a l si nb u b b l e b e dh a sb e e nc a r r i e do u t f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h e p a r t i c l e s i z ea f f e c t s o b v i o u s l y t h e s e p a r a t e e f f i c t i v e n e s so fm i x e d m i n e r a l a tt h ea p p r o p r i a t et i m e m i x e dm i n e r a l so fd i f f e r e n ts i z ea l lc a nb e s e p a r a t e de f f e c t i v e l y a n dt h ea m o u n to f c o l l e c t o ri st h ed e c i s i v ef a c t o r t o a r t i f i c i a lm i x e dm i n e r a l so f 一2 0 m m 1 5 m m t h er e c o v e r yo fp y r i t ec a n r e a c h e s8 0 0 2 t h e g r a d e o fp y r i t ei s7 0 4 9 t of i n em i n e r a l so f 0 1 2 m m 0 0 7 4 m m t h er e c o v e r yo fp y r i t ec a nr e a c h e s9 0 5 3 t h eg r a d ei s 5 6 1 a tt h es a m et i m e s o t h el a r g ep a r t i c l ec a nb es e p a r a t e de f f e c t i v e l y a n dt h er o u t i n ef l o t a t i o ni sd i f f i c u l tt od ot h i s t ot h ef i n e p a r t i c l e t h e r e s u l t sc a nb eg e t sa st h ef l o t a t i o nw h e nt h es e p a r a t i o ni sc a r r i e do u ti nt h e b u b b l e b e d k e y w o r d s m i n e r a l p a r t i c l e b u b b l e b e d s e t t l i n g v e l o c i t y s e t t l i n gs e p a r a t e 昆明理工大学学位论文原创性声明 y 6 6 9 3 3 3 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 或 我个人 进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内 容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 列钾 i 一 日期 川4 年4 月膳日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 送交论文的复印件 允许论文被查阅 学校可以公布 论文的全部或部分内容 可以采用影印或其他复制手段保存论文 保密论文在解密后应遵守 导师签名 幽3论文作者签名 虱面 往 此面放在封面后 目录前 日 期 竺 垒年垒月 日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 常规浮选技术现状及发展趋势 所谓浮选就是利用和调整颗粒表面疏水性 使某些颗粒表面疏水性 增强 进而使其与气泡碰撞 附着和浮升排出 实现物料选择性地分离 现代意义上的浮选开始于18 7 7 年 b e s s e l 兄弟向容器中鼓入空气 利用 气泡浮选疏水的石墨 自那时起气泡与颗粒作用一直是浮选研究者活跃 的舞台 这是因为气泡与颗粒间相互作用不仅支配着浮选的全过程和效 率 而且其规律对表面科学 胶体科学 化学工程 流体力学 水利工 程和环境工程也十分有用 矿业工程中 常规浮选分为三个阶段 即矿粒与气泡碰撞 矿粒在 气泡上的附着和矿粒随气泡的上浮 三个阶段的概率之积为浮选的回收 率 由于各个阶段的概率难以达到10 0 故浮选的回收率不高且受诸多 因素的影响 泡沫浮选矿物分离方法是目前国内外选矿领域应用最广的 选矿方法 但该方法对微细粒和粗粒矿物的回收效率低下 已造成了巨 大的金属流失 为了提高泡沫浮选对微细粒和粗粒矿物的回收效果 世 界范围内开展了近10 0 年的研究 由于泡沫浮选原理所致 至今仍然没 有从根本上解决这一问题 1 1 1细颗粒矿物难浮的原因 根据s o m a s u n d a r a n 的观点 细粒矿物难浮选的原因包括 随着粒度 的下降 矿粒与气泡接触的机会就会减小 随着粒度的下降 矿粒表面 的老化增加 细粒的表面能较高 边 角数量的增加 细粒的溶解性高 矿化气泡与细粒间的相互排斥 细粒的表面积较大 导致了过量的药剂 消耗 要达到相同的可浮性 细粒需要的表面覆盖率较大 p s o m a s u n d a r a n 1 1 认为细粒矿物难选的特性表现为细粒矿物的特征 表 面能 质量 表面积 抗拉强度 毛细力 矿泥覆盖 捕收剂非特性吸 附 溶解物质 悬浮液稳定性 碰撞几率 附着几率 药剂消耗 泡沫 稳定性等 影响微细粒矿物7 选效率的决定性冈素是矿粒与气泡的接触和附 着 在这个过程中 粒的惯性因素和非惯性因素都起到 定的作用 昆明理工大学硕士学位论文 从提高矿粒与气泡接触几率和附着几率的角度出发 可采取的措施概括 如下 增大矿粒行为尺寸 适当减小气泡尺寸 改变背景力场 在离心力场下进行浮选 增加矿粒 气泡接触相对速度和作用时间 强化浮选药剂的作用 以上的一些措施在一定程度上提高了微细粒矿物浮选效率 但各种 措施也都存在一定的局限 具体表现在 1 矿粒行为尺寸的增大过程是一个限制分选选择性的过程 要保 证这个过程的高选择性 还存在 定难度 因而其应用受到限制 2 理论和实践表明 气泡尺寸的适当减小 即实行所谓微泡浮选 对提高微细粒矿物浮选效率作用有限 况且微泡的产生也有一定困难 3 离心力场中如何实现矿粒的良好分散 合适气泡的产生及负载 气泡与矿浆体的快速分离等问题制约微细粒矿物离心力场浮选的作用 4 现在喷射式浮选机普遍存在喷咀堵塞和喷咀磨损问题 一般浮 选柱则存在配置高度大的问题 虽然这两种浮选设备的分选效率和操作 稳定性仍然有待进一步提高 5 微细粒矿物表面与药剂作用的复杂性 使单纯依靠强化浮选药 剂与矿物表面作用来提高微细粒矿物浮选效率更加困难 难以达到预期 效果 细粒浮选的另一主要问题是混杂 当带有颗粒的气泡进入泡沫相时 泡沫间的水中含有的脉石颗粒就会进入泡沫产品时 导致泡沫品位的下 降 许多研究结果都表明 3 t 脉石的混入量与泡沫相中的水量成 下比 因此 现有的各种措施和方法在提高微细粒矿物浮选效率方面还有待 进 步研究 气泡与颗粒相互作用的研究的深入 对全面提高浮选分选 效率至关重要 今后的研究需特别注意研究方法的创新和研究手段的更 新 相信通过这方面的研究 将为目前难以处理的 贫 细 矿产资源的高 效浮选开辟新的途径 并扩大浮选的应用领域如废物处理 污染l 壤治 理等 1 1 2国内外各种提高微细粒矿物浮选效率的措施 有人在对微细粒矿物微观浮选动力学分析研究基础上 提出以适当 的气泡彤变振荡提高微细粒矿物浮选效率 并没计了相应的浮选 转置 1 其雎本原理是通过适 l j 的嫩振方式 使矿浆中 i 泡产生合适的形7 楚振荡 第一章文献综述 m e l o y 提出了平面浮选柱的概念kj 这种浮选柱具有 个片状的截 面 内设充填板 类似摇床 浮选柱向一侧延伸成一个平面 分精矿带 中矿带和尾矿带 在不同的位置截取不同的产品 l u t t r e l l 提出了浮选柱设计与按比例的判据 6 设计时 必须考虑三 个重要因素 即柱几何因素 鼓泡系统和冲洗水的分布网络 几何因素 由最大泡沫运载能力决定柱径 气泡一矿粒的粘附速率和矿粒延迟时间 决定柱长 何延树 陈炳辰 7 在细粒浮选机的设计准则中明确提出 有效的细粒 浮选机的研究主要是如何改进浮选机的结构以解决以下两个问题 1 强化细粒疏水性目的矿物与气泡的矿化作用 提高目的矿物的回收率 2 克服细粒脉石矿物在泡沫中的夹杂 提高精矿品位 微细粒矿物浮选正在不断取得新的进展 但通过对各种提高微细粒 矿物浮选效率的措施的分析发现 要从根本上解决微细粒矿物浮选效率 低的问题还存在不少困难 有待于进一步的研究 1 1 3 粗颗粒难浮选的原因 扩大浮选适宜的粒度范围 特别是提高浮选粒度上限有着极其重要 的意义 然而由于粗颗粒矿物的质量 体积 与气泡接触等因素 粗颗 粒矿物浮选效率往往较低 在常规浮选过程中 粗颗粒矿物浮选效率较低的原因被认为是气泡 一颗粒聚合体在浮选槽紊流场中离散且这些颗粒的起泡性能差所致 具 体来说表现为以下两个方面 8 粗颗粒从矿浆转移到泡沫柱管困难较 大 这些颗粒从泡沫柱管迅速排出 返回矿浆 前一问题的产生是由 于在一定的紊流剪切力场中 粗颗粒与气泡团受到较高的拉伸应力 它 使气泡一颗粒的接触瓦解 9 1 另一方面 粗粒从泡沫柱管迅速排出 不 仅是由于它们的质量较大 而且还由于粒度大使泡沫性质不佳的缘故 1 2 矿物颗粒与气泡碰撞速度理论阐述 浮选过程中颗粒在气泡表面附着的过程和机理 在早期的浮选理论 研究中是一个有争议的论题 曾经认为 呈饱和状态溶解在水中的气体 在颗粒的疏水表面析出 形成颗粒与气泡的粘连体 后来 研究人员应 用高速摄影方法证实了颗粒吁气泡的碰撞是形成颗粒与气泡的粘连体的 昆明理工大学硕士学位论文 重要基本过程 当然溶气浮选是个例外 颗粒与气泡相碰撞继而附着这 个概念 使得分析浮选过程中的各物理因素对浮选效率的影响成为可能 对浮选中颗粒与气泡的碰撞几率的研究取得了显著的进展 1 0 1 随着测试手段及计算机模拟技术的现代化 气泡与颗粒间相互作用 的研究有了前所未有的便利条件 近年来取得了极富价值的成果1 1 1 1 如 认识到水化膜的特殊重要性 气泡颗粒间作用力定性分析及影响参数 建立了比较精确描述浮选动力学的微分方程 然而 由于气泡颗粒间的 作用力极其复杂 且存在气泡变 形 兼并及其它偶然因素 人们目前的 认识远远不能满足浮选工艺 设备和药剂研究开发的要要求 这是一个 尚待加强的基础研究领域 1 2 1 颗粒与气泡碰撞理论介绍 人们根据斯托克斯准数 即作用于颗粒的偏离流线运动的惯性力与 同介质一起沿着流线运动的粘滞力之比 将气泡与颗粒碰撞分为粘性碰 撞和惯性碰撞两种 试验证实 对于每种颗粒存在两种碰撞的临界半径 对于矿物颗粒大约为10um 左右 粘性碰撞 1 2 13 1 效率一般不高 但湍流 强度大 如气泡雷诺数大于2 0 时 由于回流旋涡卷吸使微粒与气泡尾部 发生接触 碰撞几率提高 另外当粒子小于0 5 m 时发生布朗运动 颗 粒脱离流线与气泡接触 也能提高碰撞几率 因而存在这样规律 当颗 粒直径大f0 5um 时 随着颗粒直径的增加 碰撞几率增大 当颗粒直 径小r 0 5t ti l l 时 随着颗粒直径的减少 碰撞几率反而增大 常规浮选 中微细粒l f 好是碰撞几率较低的区域 相对于粘性碰撞来说 惯性碰撞 被研究得较多 其几率与颗粒大小 气泡大小 颗粒与气泡运动相对速 度 矿浆流动状态等许多因素有关 有许多经验 半经验公式描述惯性 碰撞几率如l a g m a i r 公式 s u t h e r l a n d 公式 12 1 g a u d i n 公式 1 w e b e r 公式 f 和y o o n 16 公式 上述公式各有其特定的应用条件 且作了许多简 化似设 l 实际情况有差别 如对于浮选常见的气泡及流态 用s u t h e r l a n d 公 汁算偏高 g a u d i n 公式偏低 根据流线碰撞模型的w e b e r 公式 y o o n 公 赏 结果相对来说 与实际情况接近一些 s u t h er l a n d 2 根据流线函数导出p 表达式为 p f 3 d d h cc r d 是颗粒直径 dh 是气泡直侄 l i fr 在推导上 时假定液体 第一辛文献综述 呈位流 故上式只适用于气泡尺寸比浮选气泡大得多的情况 g a u d i n 根据斯托克斯流条件下的流线函数导出如下的p 表达式为 p 5 d p d b 2 更多的研究已经证明 1 7 1 气泡 颗粒捕收概率 p 是三个独立概率 的乘积 p p c p ap a 式中 p c 表示碰撞概率 p 是碰撞后的粘附概率 pd 是粘附没有发 生而导致的脱附概率 最近的研究表明 对于非常细的颗粒 脱附可以 忽略 因而 p 可以简单地表示为p 及p 的乘积 如果气泡的数量和表 面积越大 颗粒半径越大 颗粒动能越大 那么 气泡与颗粒碰撞几率 越大 s c h u b e r t i 托1 研究了湍流强度很大的机械拌浮选机条件下矿物颗粒与 气泡的碰撞几率 结果表明 即使在湍流条件下 减少气泡尺寸也是有 利的 只不过没有前述各公式效果明显 s c h u b e r t 得到一个很有意义的结 果 对于粗颗粒低湍流增加碰撞几率 而细颗粒高湍流增加碰撞几率 1 2 2 气泡产生的方式及其性质 气泡是空气在分散介质如水中形成的分散体系 具有很强的疏水性 气泡外围水分子可分为水化层 扩散层和普通水层三个层次 气泡大小 数量 分布 时间 空间 对浮选过程影响极大 研究表明 气泡大小 不仅影响浮选速度和回收率 而且还影响浮选的选择性 气泡大小与 气泡发生方式 发泡器结构 流体静压力 表面张力 液体流态有关 为了降低气一液界面张力 便于气泡的产生 表面活性剂添加十分重要 其种类和数量是重要的浮选参数 以前对此认识不足 在正常起泡剂用 量下 不同气泡发生方式所产生气泡直径不同 不同物料的浮选对气泡 大小有不同要求 近年来通常采用的气泡发生方式主要有 2 0 2 1 i 剪切接触发泡 高速流动的矿浆和气体以适当方式接触 如通过 金属丝网充填介质 2 气体通过多孔介质 如微孔龌料 橡胶 帆布 尼龙 陶瓷 卵 石层等产生气泡 3 降压 升温发泡 空气在水中溶解度大约为2 当降低压力 如 昆q l 理 r 大学硕士学位论文 真空浮选或高速喷射流体使压力低于饱和蒸汽压 或提高温度 溶解的 气体析出 4 射流发泡 受压矿浆喷入到标准气压的容器中或气流喷入矿浆中 5 电解水产生气泡 6 超声波发泡 很多人研究了多孔介质析出气泡大小规律 认为存在着关系式dbc o v 式中db 为气泡直径 v 为充气量 r l 为常数 传统的湍流切割气泡 所产生气泡的大小与表面张力和切割速度呈直接关系 2 2 1 气泡大小的测定是一个复杂的课题 主要是使用光学 声学探测和 电子探测两类方法 2 3 将光 声多普勒仪 电子显微镜测得的信息与图 像分析技术结合 最近有很多专门的图像数据处理软件面世 气泡在水中由于浮力和界面疏水力上浮 上浮的确切规律到目前为 止尚不十分清楚 仅知道上浮速度与气泡大小 数量 流体压力 流体 运动状态 气泡形状 水中溶解物质及悬浮物有关 人们确信 气泡在 运动过程中由于吸附离子平衡的破坏 在其表面建立3 0 0 0 v c m 强大电场 对气泡运动有阻碍作用 有人发现 纯水中单个气泡的浮升速度较表面 活性剂溶液中为高 气泡运动速度与气泡直径的关系均为曲线 对于直 径小于o 5 m m 气泡 其变形较小 与气泡直径的平方成正比 1 2 3颗粒与气泡接触过程中的热力学理论 人们研究气泡与颗粒作用有两种方法 即热力学方法和动力学方法 后者侧重过程的机理 实现条件和过程的速度 现在研究中往往将两者 有机结合起来 高速摄影证明 颗粒与气泡接触后 将沿气泡表面向下滑动直至气 泡底部 并在底部摆动 重力 惯性离心力和流体力促使其从气泡表面 脱附 但表面疏水力 表面张力及剩余水静压力维持颗粒一气泡结合体 的稳定 颗粒一气泡结合体浮升过程中及泡沫层内 由于相互碰撞或其 它原因发牛气泡兼并 破裂也会导致脱附的发生 粗颗粒难浮的最主要 原因就在r 其易从气泡表面脱附 人们寻求气泡和颗粒紊流条件下实现 碰撞后迅速转入相对静忐的浮升环境 以减少疏水颗粒脱附 2 4 当然 最有效的抵抗吸附的方法还跫僵化待浮颗粒的表面琉水性 以扩大三相 周也 提 附着强度 第一章文献综述 s c h e l u d k o 等 25 论证了泡沫浮选中接触时间的主要部分是用于将三 相接触扩展至足够的程度 以形成有效的粘附 而非用于使液膜变薄 以致破裂 基于同样的思路 v a r b a n o v 的研究表明 浮选过程中起决定 作用的是三相接触润湿周边的移动性和影响选择性的接触角的大小 假定气泡在与颗粒接触前后不变形 也不考虑残余的水化膜 计算 附着前后的自由能变化 认为除完全亲水的颗粒 接触角为零度 外 气泡与颗粒粘附是自发的 自由能小于零 矿粒疏水性越强 接触角越 大 自发趋势越强烈 文献 2 6 1 介绍了一种测定气泡一矿粒粘附能垒的新方法 表明能垒是 粘附过程的首要障碍 在感应时间与浮选速度常数的相关性都均与能垒 相关的情况下 测出的能垒与浮选速度常数和感应时间的相关性很好 但对有捕收剂和起泡剂存在时的能垒测定尚存在一些问题 因为起泡剂 与捕收剂的相互作用使得粘附一脱附过程成为不可逆过程 据文献 27 1 也有人认为仅有热力学判据 瓯 九 c o s 0 1 不足以确定浮 选的概率 他们的理由是 因为只有在没有动力学阻力或者动力学取决 于相同的参数 例如接触角时 这个判据爿成立 1 2 4颗粒与气泡接触过程中的动力学理论 一般把气泡与颗粒作用分为三个阶段 1 矿粒与气泡相互接近和碰 撞 2 矿粒与气泡问水化膜化和破裂 3 颗粒在气泡表面粘附 即颗 粒气泡相界面形成与调整 d er j a g u i n 2 8 先将颗粒与气泡作用分为三个区 域 水动力作用区 双电层作用扩散电泳区 水化层表面力作用 区 y o o n 2 9 1 认为 必须同时考虑流体力和表面力 气泡有很强的疏水性 当其与疏水颗粒粘附时 释放可观的疏水作 用能 直至水化膜破裂形成固气相界面 颗粒与气泡的附着过程是己实 现接触的矿粒与气泡间水化膜变薄 临界水化膜厚度与颗粒疏水程度有 关 破裂及水排出的复杂过程 早在l 9 3 2 年t fr u m k i n 就注意到气泡矿 物表面液膜化过程 d e r ja y i n 提出劈离压概念 认为残存液膜不妨碍浮选 sc h e l u d k o 首先提出三相周边的概念 s c h u l z e 系统地总结了三相倒边变 化的j 个步骤 3 0 r 实现颗粒在气泡表面附着的 个必要条件是接触时间大于感应时 川 s c h u l z e 等人计算了质性碰撞接触时川与颗粒半径成j 比 昆明理工大学硕士学位论文 n y u y e n 3 2 1 等人计算了非惯性碰撞接触时间与气泡半径 颗粒半径 雷诺 数 气泡浮升速度及气泡 颗粒相对位置有关 气泡和颗粒之间接触时 间还有几种不同方法模型化 如滑移时间理论 33 和振动扭曲分析 34 所 谓感应时间就是颗粒与气泡间水化膜变薄 破裂所需要的时间 它与颗 粒表面疏水性 颗粒及气泡大小 温度等有关 附着概率随颗粒粒度减 少而增大 但有人认为这只是对颗粒表面光滑时才适用 对粗糙表面 规律正好相反 气泡尺寸降低 附着概率增大 但过小也不是有利的 有人估计最佳气泡尺寸为1 0 0 4 0 0 址r n 从表面附着观点出发 认为提高浮选效率应该适当延长待浮颗粒的 停留时间 3 5 36 1 增加气泡数量 并使其大小合适 增强待浮颗粒的表面 疏水性尤其重要 w a r r e n 2 7 1 设法得到了悬浮液中颗粒间各种作用大小的相对顺序 如 下图所示 图1 1悬浮液中颗粒间各种相互作用的能量大小相对顺序 值得注意的是 这些数据仅仅是由理论推导得到的 而不是直接测得的 文献 37 l 提出了在矿浆一泡沫界面z 高度处颗粒附着的速度公式 咖 f z k m d z 1 一s c z l f o z k z 一 d z v z 式中 k 是a t r c 无量钢 u z 是颗粒的沉降速度 c m m i n s c z 是气泡表面覆盖率的分数 f d z 为气泡产生的频度 i l l i n g z 为充7t 量的分数 t 泡群b l 于干涉现象 浮升速度较单个气泡有所减小 3 8 1 气泡一颗 粒鲟j 合的运动速度受影响的因素更多 规律更复杂 r 第一章文献综述 颗粒趋向气泡时 两者均带着水化层一起运动 所受的流体力主要 有 剪切力 即流线运动方向所受流体剪切力 l u t t r e l l 根据函数提出 了此力计算公式 39 1 流体阻力 重力和浮力 惯性力 流体力均 与流体性质 流体运动状态 颗粒性质如粒度 密度 形状 表面光滑 程度等 颗粒运动状态 颗粒与气泡的相对位置 颗粒间及气泡间的干 涉作用有关 表面力主要有 颗粒与气泡双电层作用力 范德华力 即颗粒 与气泡分子间偶极矩振动引起的长程力 通常为斥力 当表面有吸附物 时 计算时应修正马克数 疏水作用力 气泡毛细压差力 气泡矿 化后 气泡内存的剩余毛细压力 促使颗粒脱附 粘着力 胡岳华等 4 0 1 人系统地研究了异类颗粒间的范德华力 静电力和界面 极性相互作用 矿粒的凝聚和分散由界面的相互作用决定 在已知表面 参数的体系 可以确定矿物的表面能参数 1 2 5颗粒尺寸对颗粒与气泡相互作用的影响 在矿粒冲破气泡周围的水化膜的能力方面 关键因素是物理上的惯 性力f 4 所有运动的矿粒都具有这种力 但是惯性力的大小很大程度上 取决于矿粒的质量 细粒质量很小 因此其惯性力也非常小 因而在细 粒浮选中 不是惯性力 而是流体动力学的粘滞力控制矿粒与气泡的粘 附 如图l 一2 所示 细矿粒固有的惯性力没有在矿粒那样大 因而破流 体从气泡周围带走 细粒基本上不具有冲破气泡周围液流并与气泡直接 接触所需的惯性力 因此 由于与这种相互作用有关的作用时间短及作 用力不足 液化膜不会变薄 因而细矿粒不能很好地与气泡发生吸附 聃 图l 2矿托惯 性力对气泄 f 近矿粒轨迹的影响 昆明理工大学硕士学位论文 在一般的浮选粒度范围内 浮选过程进行得相当快 但是微细粒浮选 的速度明显地受单个颗粒大小 还有气泡大小的影响 r e a y 和r a t c l i f t 2 7 从理论和实践两个方面研究了这种特性 在他们的研究当中 采用了小 于10 0 微米的气泡 研究了表态条件下发生碰撞时颗粒的接触与发生扩 散时颗粒的接触 他们得出的结论是 对于给定的充气量 在整个微细 粒范围内 浮选速度是气泡量的函数 并与气泡的直径无关 当使气泡 尽可能地小时 会得到最大的气泡量 j o w e t t 19 8 0 提出了支持这个结论 的进一步论据 此外 还分别求出了碰撞时和扩散时 气泡捕捉颗粒的 速度 碰撞时 捕捉速度近似地是颗粒直径平方的函数 j a m e s o n 等人根 据颗粒一气泡间流体的相互作用的观点 以及浮选速度与颗粒 气泡大 小的关系 对此进行了进一步地详细讨论 h e m m i n g s 19 8 0 19 8 1 2 7 1 着手对微细粒湍流条件下的浮选行为进 行了详细的分析 他不同意将气泡一颗粒碰撞的概率作为微细粒浮选速 度较低的一种解释 他的观点是 1 气泡 颗粒在湍流环境中的碰撞 一直没有得到令人满意的考查结果 2 微细粒和气泡具有较高的负电 位 可以完全避免气泡一颗粒接触 一 捕捉效率与颗粒大小有着复杂的关系 t r a h a r 1 98 1 提出了颗 粒直径d 与碰撞效率的定性关系 t r a h a r 的图 如图1 3 部分地再现 了这种复杂性的唯一解释 如果假如只有一个单个的颗粒 它与一个气 泡发生附着 那么就可以将可浮性确定为只是附着效率e a 的函 阁1 3以假定的形式定量表示粒