浮选-中南大学选矿专业教材讲座.ppt

浮选中南选矿网络培训教材 课程的内容安排 第一章浮选基本概述第二章浮选理论第三章浮选药剂第四章浮选设备第五章典型浮选流程 学习方法 理论联系实际天道酬勤善于思考 要多问 为什么 动手做实验 不怕吃苦 相关的课程 物理化学 表面化学 胶体化学 流体力学 无机化学 有机化学 矿石学基础 分析化学 成绩评定 1 平时作业占5 2 平时提问占5 3 实验课 包括实验报告 占20 4 考试成绩占70 第一章浮选基本概述 第一节浮选及浮选过程第二节浮选发展历史第三节浮选的特点第四节浮选法在选矿中的地位第五节浮选在贵州矿业发展中的地位 1 什么是浮选 浮选是利用矿物表面物理化学性质的差异 使矿物颗粒选择性地向气泡附着的选矿方法 对浮选有较大影响的表面性质主要有 湿润性 电性 吸附 氧化 溶解 分散 絮凝等等 第一节浮选及浮选过程 2老的浮选概念 主要有三种 1全油浮选 1860年由英国人WillianHaynis首先取得专利权 分选作用主要在油 水界面发生 疏水矿粒进入油相 亲水矿粒进入水相 1898年这种工艺用于工业生产 2表层浮选 1907年由马克魁斯通 Macquiston 首先取得专利权 分选作用主要在水 气界面发生 疏水矿粒浮在水面上 亲水矿粒沉入水中 以上两种浮选因其是在两相界面发生 因此又称为界面浮选 3泡沫浮选 1902年由Potter首先取得专利权 分选作用主要在气 水 固三相界面发生 疏水矿粒念附气泡上浮 亲水矿粒留于水中 3矿物的浮选过程 矿物是怎样浮选的 碎磨 搅拌槽 加药剂 矿物颗粒与药剂作用 浮选机 搅拌使矿浆悬浮 产生细小气泡 携带矿粒升到矿浆表面完成浮选分离 正浮选工艺 矿化泡沫即精矿 槽底物即尾矿 反浮选工艺 矿化泡沫即尾矿 槽底物即精矿 产品脱水 浓缩 过滤 有时也干燥 矿物的浮选过程是在固 矿物 液 水 和气 气泡 三相界面上进行的 进行这一过程的关键在于 矿物表面性质 润湿性 差异 从矿浆中析出足够量的稳定而细小的气泡 有用矿物 欲浮矿物 有充分的机会与气泡群碰撞 并牢固地粘附在气泡上被浮到矿浆的表面 脉石矿物虽有机会与气泡碰撞 但不粘附 遗留在矿浆中 在这里气泡是分选的媒介 同时又是运载工具 第二节浮选发展历史 自1906年发布第一个具有现代泡沫浮选特征的专利 Sulmanandpickard 美国专利8351201 1906 至今已有近百年的历史 现在泡沫浮选已成为最重要的和应用最广泛的一种选矿方法 可应用于以前认为没有工业利用价值的低品位的及结构复杂的矿物 最初用于硫化矿物 逐渐发展到用于氧化矿物和某些非金属矿物和煤炭 石墨等 以至扩展到环保 化工 食品 材料 医药 生物等领域 但是常规的泡沫浮选有其局限性 它的有效分选粒度基本上在0 3 0 01mm 对煤炭0 5 0 03mm 超出此粒度范围泡沫浮选的效果很差 浮选领域的进展 近二三十年来 浮选领域的进展是 1 浮选机的不断改进和大型化2 新药剂 新工艺不断涌现3 浮选理论的研究不断深入 二浮选发展历史 同时 随着化学工业的发展 人们开始设想用化学试剂来改变矿物的可浮性 因而浮选药剂业不断地得到了发展 比较重要的有 1913年发现重铬酸钾用于抑制方铅矿 硫酸铜活化铅锌矿 1921年采用有机化合物作捕收剂 1922年用氰化物作抑制剂抑制硫化矿 1924年用脂肪酸作氧化剂的捕收剂 1925年黄药的合成并作为硫化矿的捕收剂 使得泡沫浮选的分选效率大大优于全油浮选和表层浮选 从而摆脱了竞相争艳的局面 以至于当我们现在谈到浮选是一般都是指泡沫浮选 二浮选发展历史 1925年至今 是泡沫浮选在理论与实践上蓬勃发展时期 1930年起 对各种矿物的可浮性开始进行全面的研究 1940年前后开始了煤泥的大规模浮选 使浮选的范围由硫化矿推广到氧化矿 非金属矿 以及现在的稀有金属矿 由于浮选依据的是矿物表面性质 而表面性质是多样的 而且对于每一种矿物之间都必然存在某些差异 更何况采用了化学药剂的处理 因此 原则上浮选可以分选自然界中的各种矿物 浮选的生命力及其广阔的前程也正在于此 近几十年来 浮选已经不再局限于矿物加工工程 而向其他领域发展 在化学工业 造纸工业 农产 食品工艺及废水处理等方面有着广泛的应用 第三节浮选的特点 应用广泛 分选效率高 富集比高 有益于矿产资源的综合利用 分选粒度细 前途广阔 处理细粒浸染的矿物特别有效 浮选是资源加工技术中最重要的技术 由于浮选法所取得依据决定 它的应用前景是极为广阔的 几乎所有的矿物都可以采用浮选法从矿石中分离出来 同时可加工处理二次资源及非矿物资源 涉及无机化学 有机化学 表面化学 电化学 物理化学等几乎整个化学学科领域 形成了浮选电化学 浮选溶液化学 浮选剂分子设计 浮选表面化学等交叉学科领域 随着浮选的不断发展 目前 浮选已不局限于冶金矿山 在化工 造纸 食品 农业 医药 工业废物 废水诸方面都有着广阔的应用前景 第四节浮选法在选矿中的地位 浮选法原则上可选别所有矿石 目前 每年经浮选处理的矿石已超过十亿吨 可以肯定的说 浮选法是一种最重要的选矿方法 预计今后还会得到更广泛的应用 可选别各种黑色 有色 稀有金属 贵金属矿物100多种有用矿物 对贫矿 细粒矿 杂矿石有更大适应性 目前 回收率 60 的项目都被禁止 已从矿业扩展到其他领域 除浮选矿石 目前 浮选广泛应用于冶金 化工 造纸工业 农产品及食品工业 医药微生物 工业废物及废水处理等方面 冶金工业产品浮选 如铜镍混合矿 炼铜炉渣 阳极泥等的浮选 锰矿石中伴生Ag 740g t 的富集回收 工业废物及废水 二次资源 自然矿产的最大特点是数量的有限性和开发的一次性 因此 资源的循环使用 是最大的节约 三废治理 环境保护 是目前全世界共同关心的问题 例如 我国全国固体废料已堆有80多亿吨 占地90多万亩 目前固体废料利用节约24 每年有76 左右的固体废料堆存 引起资源和环保问题 如粉煤灰的综合利用首先得用浮选法回收碳 而省内目前是空白 省外已蓬勃开展 以贵铝为例 目前已堆存200万吨 每年排放15万吨 堆场建设费6元 吨 贵州省矿产资源丰富 在贵州这仅占全国总面积1 84 的地方 至今发现的矿产达110种以上 发现各类矿床 矿点3000余处 其中76种已程度不同地探明了储量 全省探明储量的产地达1338处 这些矿种中 煤 磷 铝 锑 金 锰 构成贵州主要的矿产资源优势 根据全国保有储量对比排序 贵州有40种矿产排列全国前十位 其中29种矿产列第一至第五位 22种列入第一至第三位 全省已探明矿产价值3亿万元以上 人均8 2万元 居全国第八位 单位国土面积的矿产潜在价值和人均占有量 高于全国平均水平 在西部12省区中居前列 发展矿业在贵州具有广阔的前景 第五节浮选在贵州矿业发展中的地位 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 贵州作为矿业大省 煤 磷 铝 电是我省四大支柱产业 但是 优势矿产资源却未能得到充分和合理的开发利用 资源优势未能变成经济优势 大量的矿产资源流失 长期以来 我省矿业以采矿为主 为追求短期效益而采富弃贫 采易弃难 加之浮选技术水平低 成本高 导致我省矿产资源存在有用成分回收率低 综合利用率低 储量利用率低等问题 且大量难选矿产资源成为 死宝 而未得到利用 仅资源回收率就只有国家规定回收指标的三分之一 我省现阶段矿业发展的状况与一个矿产资源大省的地位不相称 目前资源的合理开发 能源的高效利用和生态环境的改善已成为促进经济和社会协调发展的重要因素 矿物加工工程正在发挥重要的作用 由于矿产资源的不可再生性 矿山普遍存在供矿危机 随着高品位矿产资源不断枯竭 大量低品位的矿物只能靠矿物加工技术才能得以利用 煤 磷 铝是我省的支柱产业 也是现实优势资源 还是我省发展战略的主要依托资源 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 我省煤炭资源储量大 种类全 埋藏浅 煤质优良 被誉为 江南煤海 煤炭储量处在全国第五位 达492 48亿吨 煤炭的蕴藏量为江南9省之和 含煤地层主要为二叠系上统 含煤面积7万平方公里 2005年我省生产原煤1 08亿t 在全国排第六位 具有明显的区位优势 目前已开发利用储量占总储量的12 后备储量较大 当前 要发展洁净煤技术 为炼焦工业提供原料 必须进行选煤 选煤具有很大的经济效益和环境效益 随着 西电东送 作为西部大开发的一项重要战略措施的实施 发展选煤业可加强我省能源优势 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 随着国家对环境保护的重视 特别是对大气中二氧化硫造成的酸雨污染更为关注 对生产煤层硫分大于3 的矿井 逐步实行限产或关停 新建 改造含硫分大于1 5 的矿井 应当配套建设相应规模的煤炭洗选设施 另外 在我国各大 中城市 以及经济发达地区 一般要求硫分介于0 5 1 灰分小于20 而从我省煤炭资源赋存情况来看 大部分原煤的硫分都大于1 5 按要求都应配套建设选煤厂 而目前我省除在建的金佳选煤厂为动力煤选煤厂外 其余均为炼焦煤选煤厂 在今后一段时间内将会建设一批选煤厂 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 贵州磷矿分布广泛 全省46个县市均有产出 以瓮福 开阳 织金最为丰富 现有储量26亿吨 占全国总储量的1 6 排名全国第三位 全省磷 P2O5 含量平均达22 瓮福磷矿是国内少有的特大型中低品位磷矿石矿山 是我国目前最大的磷矿石采选联合企业 磷 P2O5 平均含量26 现有储量占全省总储量的1 3 这些矿石都必须经过选矿才能得到含P2O5大于30 的富矿 织金磷稀土矿13亿吨的储量 平均品位仅18 左右 也因矿物加工技术问题未解决而无法进行伴生稀土的综合回收 开阳的磷矿石原矿品位一般都在30 以上 暂时不需要选矿 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 截止1999年底 我省铝土矿保有储量尚存4亿吨 能经济地开发利用的露采储量只有1亿吨 按国家规定的回收率 以2005年达到年产400万吨矿石的规模计算 这1亿吨露采储量尚可满足25年的需求 我省非国有矿山资源回收率不足20 如果继续用这种方式 按每年400万吨矿石的需求量开采 则保有的1亿吨露采储量只能维持5年 5年以后我省的铝业就成无米之炊了 年产45万吨的规模的贵州铝厂存在很大的供矿危机 并且在现有的铝土矿露采储量中 大部分为A S在5 6 Al2O3 58 的普铝矿石 猫场的地下矿床 A S大部分在8以上 但含硫大于0 7 这类矿石资源难于满足氧化铝拜尔法生产 必须通过选矿方法脱出矿石中硫化矿和含硅矿物 才能提高铝土矿的质量 使A S达8 10 含硫小于0 5 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 黄金 贵州是国内首先发现的有工业价值的微细粒金矿省区 属产金大省 主要有红土型和卡林型两类金矿 卡林型金矿进一步分为以沉积岩和火山碎屑岩为容矿岩石两种类型 现已探明储量150吨 远景储量500吨 全省黄金资源主要以微细粒浸染型原生金矿为主 除少部分为砂金矿 如天柱金矿等 及氧化矿 如老万场金矿 紫木凼金矿上部氧化矿 外 90 以上属微细粒浸染型原生金矿 它主要分布在黔西南地区 136吨 目前已发现紫木凼 烂泥沟 板其 丫它 泥堡 戈塘 苗龙等7个较大矿床 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 作为全国黄金十大重要生产基地之一 国家已把我省列为黄金工业拓展的新基地 制定了 北矿南下 东矿西移 黄金工业布局的战略转移 我省黄金工业在 十五 规划目标中指出 计划五年内规划投资109020元 新增生产能力6645公斤 确保2005年产金21 2万两 省委 省政府把黄金工业作为可持续发展的新的经济增长点予以重视和培育 目的就是要通过发展黄金 振兴地方经济 富民兴黔 投向方兴未艾的贵州黔西南微细粒金和黔东南岩金的开发 促使贵州黄金工业实现从资源优势转换为工业优势和经济优势的战略升级 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 锑矿 30多万吨的储量 主要分布于晴隆 独山 三都 但是 晴隆的锑矿资源已枯竭 入选的矿石品位越来越低 氧化率越来越高 对现有浮选技术提出了更高的要求 硫铁矿 毕节的硫铁矿资源最为丰富 可以预计 作为生产硫酸原料的硫铁矿资源的开采利用将得到较快的发展 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 非金属矿 我省非金属矿丰富且用途广泛 作为冶金辅助原料矿产的有石灰石 菱镁矿 水镁石 粘土 叶腊石 石墨 铁矾石 蓝晶石类矿物 白云石 黄石 水晶石等 其中石灰石 粘土 石墨 白云石等具有较大的生产潜力 我省每年有3万吨的非金属矿开采量 但缺少矿物加工工程技术人才 非金属矿深加工技术急待提高和发展 常有 低价卖出原矿而高价买入加工产品 的现象 也有 一流的资源 二流的价格 三流的技术 之说 今后十年 我国非金属矿将优先发展国内急需 国际市场畅销 创汇率高的产品 包括 饰面石材 高岭土 石墨 膨润土 重晶石 石棉 石膏 硅灰石 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 工业废渣 目前资源的合理开发 能源的高效利用和生态环境的改善已成为促进经济和社会协调发展的重要因素 我省每年排放工业废弃物3000万吨 其中化工渣占500 600万吨 累计占地近900万平方米 以粉煤灰为例 我省粉煤灰的年排量将近400万吨 粉煤灰综合利用率仅30 左右 而在上海等地区已超过100 粉煤灰原灰供不应求 80 90元 吨 而贵阳电厂的粉煤灰仅10元 吨 贵州铝厂的粉煤灰则为0元 吨 由于锅炉的燃烧方式不同 湿排粉煤灰中未燃尽碳含量很高 常达20 以上 不能综合利用 这就需要浮选技术来进行分选 才能资源化和建材化 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 城市垃圾 城市垃圾每年以10 的速度增长 其处理在很大程度上也取决于矿物加工技术 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 西部大开发提出要利用自然资源优势 发展特色经济和优势经济 特别是科学合理地开发利用和有效保护矿产资源和能源 变矿产资源优势为经济优势 这预示着我省的矿业生产在今后相当长的一段时期内将有长足的发展 这同时要求我省的矿业技术必须紧紧跟上经济发展的步伐 矿业的发展 依赖于矿产资源的储量和高效的开采技术及深加工技术 在中国西部地区外商投资优势产业目录中 贵州省的11个优势产业中就有5个产业涉及到煤炭 钛 低品位难选冶金矿 钡盐以及磷矿的加工应用技术开发及产品生产 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 针对我省矿产资源特点 发展具有贵州特色的浮选技术 实施将生物技术用于传统矿业 可大大解决环境污染问题 加强浮选技术 在贵州西部大开发中依靠矿产品产值作为新的增长点发挥作用 提高社会效益和经济效益 经过几十年的发展 浮选已从一门纯工程技术向工程科学转化 目前 浮选的三大理论 润湿理论 吸附理论及双电层理论 已经初步形成 随着我国工农业的飞速发展 对金属的需求量也越来越大 而矿产资源属不再生资源 矿业开采的矿床趋势朝着贫 细 杂方向发展 矿石的分选难度也必将越来越大 因此 可以预见浮选法的应用前景也将在一定时期内更加广阔 四浮选在贵州的矿产开发中的地位 小结 近二三十年来 浮选领域的进展是 1 浮选机的不断改进和大型化2 新药剂 新工艺不断涌现3 浮选理论的研究不断深入 第二章浮选理论 本章重点 矿粒为什么能选择性的向气泡附着 在什么条件下发生附着 第一节浮选理论之一 润湿理论 润湿是自然界常见的现象 任意两种流体与固体接触 所发生的附着 展开或浸没现象 广义的说 称为润湿过程 其结果是一种流体被另一种流体从固体表面部分或全部被排挤或取代 这是一种物理过程 且是可逆的 如浮选过程就是调节矿物表面上一种流体 如水 被另一种流体取代 如空气或油 的过程 即润湿过程 判断矿物表面润湿性的大小 常用接触角表示 接触角的大小随着疏水程度的增大而增加 颗粒疏水性越高 越容易被稳定气泡吸附 接触角是反映矿物表面亲水性与疏水性强弱程度的一个物理量 成为衡量润湿程度的尺度 它既能反映矿物的表面性质 又可作为评定矿物可浮性的一种指标 接触角的大小与固 气 SA 固 液 SW 以及液 气 WA 界面的表面张力有关 平衡状态时如右图所示 接触角的定义当气泡在矿物表面附着 或水滴附着于矿物表面 时 一般认为其接触角处为三相接触 并将这条接触线称为 润湿周边 在接触过程中 润湿周边可以是移动的 或者变大 或者缩小 当变化停止时 表明该周边上的三相界面的自由能 以界面张力表示 已达到平衡 此时在润湿周边上任一点处 自液 气界面经过液体内部到固液界面的夹角叫 平衡接触角 简称接触角 用 表示 SA Air Solid WA SW 表1部分矿物的接触角 由表可以看出 大部分矿物是亲水的 矿物表面键性与润湿性关系 经破碎解离出来的矿物表面 由于晶格受到破坏 表面有剩余的不饱和键能 因此 具有一定的 表面能 这种表面能对矿物与水 溶液中的离子和分子 浮选药剂及气体等的作用起决定性影响 矿物表面未饱和键决定于 第一晶体内部的键性 第二 断裂规律 晶体内部的键性 1 晶体内部的键性 矿物内部结构按键能可分为四大类 离子键或离子晶格 如 u OH nS 共价键或共价晶格 如金刚石 i i n 断裂规律 a 与内部一致b 沿弱键断裂 键长愈长 键性愈弱 如 石墨的层与层之间距离为3 39 0 而层内碳原子间距离仅为1 42 0 所以易于沿层片断裂 作业思考题 如何评价和确定矿物表面的润湿性差异 试画出水滴附着于矿物表面时 矿粒与气泡的接触角平衡示意图 并指出若水在空气中的表面张力越小 固体的润湿性怎么样 简述矿物表面键性与润湿性的关系 第二节浮选理论之二 双电层理论 一 双电层结构及电位在浮选中 矿物 水溶液界面双电层可用斯特恩 Stern 双电层模型表示 1 结构定位离子 在两相间可以自由移动 并决定矿物表面电荷 或电位 的离子 定位离子在矿物表面的荷电层 称为 定位离子层 或 双电层内层 一般认为 对于氧化矿 硅酸盐矿物定位离子是H 和OH 对于离子型矿物 硫化矿矿物定位离子就是组成矿物晶格的同名离子 本体溶液 双电层 表面电位 图 双电层模型 电位 图中紧密层 或称Stern层 矿表到紧密层离子的中心线 因此紧密面离矿物表面的距离等于水化配衡离子的有效半径 图中扩散层 或称Gouy层 两层的分界面为紧密面 当矿物 溶液在外力下作相对运动时 紧密层中的配衡离子因牢固吸附会随矿物一起移动 而扩散层将沿位于紧密面稍外一点的 滑移面 移动 2 电位 表面电位 0 即矿物表面与溶液之间的电位差 其大小取决于吸附在矿表上的定位离子浓度及荷电数 对于导体和半导体 可将矿物做成电极测出 0对于非导体可用能斯特公式求出 0 其中 为溶液中正 负离子的活度 浓度稀时可用浓度代替 为 0 0时正 负离子的活度 浓度稀时可用浓度代替 斯特恩电位 紧密面与溶液之间的电位差 动电位 是指当矿物 溶液在外力下作相对运动时 滑移面上的电位 也称 电动电位 电位 3 零电点与等电点 1 零电点 PZC 是指当 0为零 或表面净电荷为零 时 溶液中定位离子活度的负对数 2 等电点 IEP 是指当没有特性吸附时 电位等于零时 溶液中定位离子活度的负对数 零电点与等电点的联系 动电位 的正负由 0来决定 0 0 必为零 反之则不然 无特性吸附时 纯水中测得 0 即可作为 0 0 以作定位离子的矿物 即PZC IEP 二 矿物表面电性与可浮性可浮性 通过浮选药剂 使矿物疏水或亲水的程度 研究矿物表面电性 对浮选研究通常有两个目的 一是为浮选药剂作用机理提供依据 二是判断矿物可浮性 1 矿表电性与可浮性关系 pH PZC矿物表面带负电有利于阳离子捕收剂吸附pH PZC矿物表面带正电有利于阴离子捕收剂吸附pH PZC矿物表面不带电原则上有利于中性捕收剂吸附 但难控制 选择性差 2 利用矿物表面电性 PZC 的不同分选矿物例 以铝土矿浮选为例 一水硬铝石的PZC 6 3 高岭石的PZC 4 5 在pH为4 5至6 3的范围内 采用阳离子捕收剂可以捕收高岭石 但是 要进一步实现一水硬铝石与高岭石的浮选分离 选择合适的一水硬铝石抑制剂至关重要 第三节浮选理论之三 吸附理论 浮选中的吸附现象吸附是指在吸附剂表面力作用下 在体系表面自由能降低的同时 吸附质从各体相向表面浓集的现象 吸附过程总是发生在各相的界面上 浮选研究中主要研究的是固 液 气 液界面 浮选是发生在固 液 气各相界面上的复杂物理化学过程 其中最为重要的是固 液界面上浮选药剂的吸附 这些吸附就其本质可以分为物理吸附和化学吸附两大类 但由于浮选药剂种类繁多 不同种的药剂可以吸附在界面的不同位置并产生不同性质的吸附及结果 为了便于研究 将浮选药剂在矿物 水溶液界面的吸附作用归纳和分类如下 一 浮选药剂在矿物 水溶液界面的吸附类型1 按吸附物的形态 分子吸附 被分散或被溶解于矿浆溶液中的药剂分子在表面上的吸附 吸附对象是分子 可以是弱电解质 极性分子 中性分子等 A非极性分子的物理吸附 主要是各类烃类油的吸附 如 中性油在天然可浮性矿物 石墨 辉钼矿等 表面的吸附而浮选 在煤表面的吸附而使煤粒团聚 B极性分子的物理吸附 如 起泡剂分子在液 气节面的吸附 弱电解质捕收剂 如黄原酸类 羧酸类 胺类 在水溶液中的溶解 其未溶解的分子在固 液界面的吸附 起泡剂分子在液 气节面的吸附 临界胶束浓度 表面活性离子及分子的烃链在特定浓度下发生缔合而胶束化 出现这种现象的浓度称为临界胶束浓度 CMC 半胶束浓度通常远比临界胶束浓度小 低于1 2个数量级 半胶束吸附的结果可以改变矿表的 电位 的符号 浮选中 利用半胶束吸附原理 加入长烃键中性分子 常可促进半胶束的发生从而达到 1 减少捕收剂用量 2 增强疏水性 消除极性端之间斥力 半胶束吸附通常在 Stern 层发生 捕收剂及其与矿浆中反应产物在矿物表面的吸附 2 按吸附方式 交换吸附 溶液中离子与矿表上另一种离子发生交换吸附 这是指溶液中某种离子与矿物上另一种相同电荷符号的离子发生等当量交换而吸附在矿表上 这种交换吸附在浮选中是较常见的 如Cu2 活化ZnS ZnS Cu2 CuS Zn2 竞争吸附 矿浆溶液中存在多种离子时 它们在矿表的吸附决定于它们对矿表的活性化及在溶液中的浓度 即决定于相互竞争 特征吸附 矿表对溶液中某种组分具特殊的亲和力 而发生的吸附称之为特征吸附 特征吸附通常是由静电力和化学键共同作用引起的 与静电吸附相比 它具有较高的选择性 吸附不完全依赖表面电荷 对矿表有特别亲和力而又非化学吸附的某些离子称为特征吸附离子 如 SO42 RSO4 PbOH 特征吸附发生在 Stern 层 吸附的结果使 Stern 层发生过电现象 从而可以改变 电位 的符号和大小 半胶束吸附可以认为是特征吸附的一种特例 3 按双电层中吸附位置 双电层内吸附 定位吸附 所谓 内层 浮选中是指矿表带电的净电荷层 外层 为物化中的 Stern 层 可作为 定位离子 的那些离子都可以发生这种吸附 吸附的结果是改变矿表的 o 数值和符合 如 同名离子 H OH 及可类质同象离子等 双电层内外吸附 Stern 吸附 靠静电引力作用在 Stern 层发生吸附 与表面电荷反号的配合离子均可发生这种吸附 吸附的结果 只改变 电位 的大小 4 吸附本质 物理吸附 由分子键力 包括电性力 引起的吸附 其特征是 吸附热小 数千卡 克 十几千卡 克 具可逆性 常为多层吸附 无选择性 吸附速度快 化学吸附 由化学键力引起的吸附 特征是 吸附热大 几十千卡 克 几百千卡 克 具不可逆性 单层吸附 强选择性 吸附速度慢 溶度积规则 浮选化学吸附图解法 根据化学吸附理论 影响浮选剂作用的主要因素是决定药剂解离程度的PH值和金属离子浓度 有两种图解法 PH PMn 和溶解度图 可用来研究化学吸附的浮选剂与矿物的作用 进而认识和解决矿物的分选问题 PH PMn 图 Bjerrum图 双对数图根据各种浮选剂与矿物金属离子作用产物的溶解度积 可换算出它们起作用的PH和PMn 范围 从而得出在各种离子竞争情况下优先发生哪种反应 PH PMn 图在化学吸附的浮选剂与矿物作用研究中的重要作用 由图可得出以下结论 1 指出了矿物与浮选剂 特别是捕收剂 溶液体系中各种离子的竞争情况 2 各种离子作用的分界线与A线的交点 表示该离子起浮选作用的PH上限 超过此交点的PH 就会形成氢氧化铅沉淀 3 对同一药剂离子来说 由于与铅离子作用产物的溶解度积是常数 所以当药剂用量增加时 则该药剂起作用的分界线将向下移动 浮选PH上限也增大 说明药剂用量将影响各种药剂与矿物的作用效果 溶解度图 化学吸附理论的另一种表示方法 表示溶液中各种化学吸附反应产物的品种及其稳定性 然后与捕收剂及浮选回收率对照 来阐明浮选机理 第四节矿物表面的不均匀性与可浮性 浮选研究常常发现同一种矿物可浮性差别相当大 这是因为实际矿物很少是理想典型的纯矿物 他们存在着许多物理不均匀性 化学不均匀性和物理化学不均匀性 半导体 从而使其可浮性发生各种各样的变化 矿物物理不均匀性与可浮性的关系 上述各种矿物的物理不均匀性 均对浮选性质发生影响 不仅已证明晶格缺陷 杂质 半导体 位错等直接影响可浮性 并可用这些性质来解释浮选剂与矿物表面的作用原理 此外 还研究过加入杂质或浸除表面杂质 用放射能照射 加热或加压等方式来改变晶格缺陷及位错 从而人为的改变矿物可浮性 提问 一 不同矿床的闪锌矿具有不同的颜色 与什么有关 二 各种颜色的闪锌矿的可浮性有差异吗 小专题 粉煤灰的分选 基于粉煤灰中含有碳 铁 铝以及粉煤灰空心微珠等有用组分 因此综合回收和利用是消除粉煤灰危害 使之资源化的有效途径 而粉煤灰的分选 则是使之资源化的关键 目前国内外对粉煤灰分选及产品应用作了大量研究工作 并已取得一定进展 在此对一些产品的分选方法作一简要介绍 一 从粉煤灰中选炭 电厂锅炉在燃用无烟煤和劣质烟煤的情况下 由于经济燃烧还存在一些技术上的困难 因此煤粉不能完全燃烧 造成粉煤灰中含碳量增高 一般波动于8 一20 全国每年从电站粉煤灰中流失数百万吨的纯炭 不但使煤炭资源白白流失 造成极大的浪费 而且 还由于粉煤灰中含有大量的炭 致使粉煤灰排放数量增加 更主要的是由于粉煤灰中含有未燃尽炭 会造成粉煤灰综合利用困难 影响了粉煤灰资源的开发 不利于环境保护 电选法从粉煤灰中选炭 电选适用于于法排放的粉媒灰 其原理是利用粉煤灰在高压电场作用下 因灰与炭导电性能不同 而进行分离的方法 粉煤灰是非导体物料 比电阻1010 10120 咖 炭粒是良导体物料 比电阻为10 一1050 on 在圆形电晕电场中 当粉煤灰获得电荷后 炭粒因导电性能良好 很快地将所获电荷通过圆筒带走 便在重力惯性离心力作用下 脱离圆筒表面 被抛入导体产品槽中 而非导体的粉煤灰所获电荷在表面释放速度较慢 故在电场力作用下 吸收在圆筒表面上 被旋转圆筒带到后部 由卸料毛刷排入非导体产品槽中 从而达到灰炭分离 选炭后各产品的应用 经过选炭以后的尾灰是建筑材料工业的优质原料 而浮选煤可以作为燃料用于锅炉燃烧或制活性炭等 二 从粉煤灰中选铁 煤炭中除了可燃物炭外 还共生有许多含铁矿物 如黄铁矿 FeS2 赤铁矿 Fe203 褐铁矿 2Fe203 3H20 菱铁矿 FeCO3 等 煤炭经过电厂锅炉高温下燃烧 铁矿物质即转变为磁性氧化铁 Fe304 此种磁性氧化铁可以直接经磁选机选出 1 熟料烧成 主要是使粉煤灰中的三氧化二铝与石灰石中的Cao化合生成易溶于碳酸钠溶液的5Ca0 3Al2O3 另一方面又使粉煤灰中的Si02与石灰石中的CaO生成不溶性的2Ca0 Si02 这便为溶出Al2O3创造了必要的条件 2 熟料自粉化 当熟料冷却时 在650 温度下 C2S由 相转变为Y相 因体积膨胀发生熟料的自粉碎现象 自粉化后几乎全部能通过200号筛孔 四 从粉煤灰中提取空心玻璃微珠 一 空心玻璃微珠的性质粉煤灰中一般含有50 一80 的空心玻璃微珠 其细度为0 3 200微米 其中小于5微米的占粉煤灰总量的20 从粉煤灰中经分选出的空心玻璃微珠 按其密度大小一般可分为两类 即空心漂珠 简称漂珠 和厚壁型空心微珠 简称沉珠 沉珠与漂珠相比具有壁厚 密度大 强度高 耐磨性好的特点 漂珠的壁厚为其直径的5 一8 壁上有细小针孔 珠壁密度为480kg m3 沉珠壁厚为其直径的30 珠壁密度为800kg m3 沉珠一般可承受7 14MPa的压力 最高能承受70MPa的压力 空心微珠各项物理性能 密度 gm 3 0 43 0 72堆密度 gm 3 250 400熔点 C 1430室温下比电阻 cm 9 9 1011抗压强度 Pa 137 106 686 106硬度 维氏 kgm 2 87 1269 空心玻璃微珠的应用 1 可作为轻质 高强 耐火 防火 隔热保温等建筑材料的原材料 2 可作塑料中较理想的填料 并能提高塑料的耐高温性能 3 可作为石油精炼过程中的一种裂化催化剂 4 可与一些树脂配制成耐高压的海底仪器和潜艇外壳 5 可作电瓷及其他电气绝缘材料的原材料 6 用于航天飞行器的复合表面材料 空心玻璃微珠的应用 7 作为高级喷涂材料和防火涂料的填充材料 8 用于制汽车刹车片 军用摩擦片及石油钻机刹车块等制品 9 用作聚氯乙烯人造革的填充剂 10 用作人造大理石的填充料 二 分选空心玻璃微珠的方法 目前 国内外从粉煤灰中提选空心玻璃微珠 大致可以分为两种方法 一是干法机械分选法 二是湿法分选法 这两种选取方法 在实际中都是可行的 根据具体情况采用 1 干法机械分选 在国内 采用于法机械分选方法中 有重离筛系的分选空心微珠设备 目前已初具规模 每天可以处理30t的粉煤灰 这套分选工艺包括提选空心玻璃微珠 并且可以选铁 选碳以及进行空心玻璃微珠的多种粒径分级 空心玻璃微珠分选装置由分选器 分离器和收集器三个主要部分组成 分选器 分选器是采用重力分离的方法 分选器是由三个大小不等的沉降箱所组成 在每个沉降箱的下部 都设有卸料装置 当含有粉煤灰的气流由进气管道进人沉降箱时 由于气流通道断面的增大 使气体流速迅速下降 粉煤灰借本身重力的作用 有一部分逐渐下落到沉降箱中 根据等降原理 较重的粗颗粒 蜂窝状的玻璃体 石英 莫来石 实心珠 铁球和大颗粒炭粒等大部分都分别沉降在分选器内 还有大部分细小的空心玻璃微珠 超细微珠等随气流进人分离器 分离器 分离器是利用气流旋转过程中作用于颗粒上的惯性离心力 使颗粒从气流中分离出来 分离器的主要形式为旋风分离器组 由沉降箱通道末选下来的细小空心微珠 随气流进入分离器 经过两级旋风分离器组的分选 能将大部分细小的空心玻璃微珠分选出来 余下极少量的超细微珠随气流最后进入收集器 收集器 收集器在分选装置的末端 它既是净化处理的装置 又是回收超细微珠的收集器 本工艺采用的是脉冲袋式收集器 它能将由分离器末选下来的超细微珠绝大部分收集起来 2 湿法分选空心玻璃微珠 在湿法分选空心玻璃微珠的工艺中 在国内有用浮选法 溜槽法及分选单体矿物的重液变温法等 某厂用浮选分离方法回收产率为22 2 的高档空心玻璃微珠及产率为9 23 的中档空心玻璃微珠 粉煤灰是 宝贵的资源 粉煤灰象铁矿 铝土矿 粘土矿一样 是一种宝贵的资源 若不进行合理有效的彻底利用 它将恶化我们生态环境 威胁人类的生存 1976年3月在美国召开的第四届国际灰渣利用会议上 RonaldE Morrison设想了一个 灰渣再循环联合企业 这个企业与一家2600MW的电厂相邻 并以它所排放的灰渣为原料进行加工 这个电厂年产灰渣约110万吨 将它按美国的典型粉煤灰组成及其百分数计算即得各组分的含量 美国粉煤灰典型组成 二氧化硅 占45 7 50 27万吨氧化铝 26 28 6万吨氧化铁 17 1 18 81万吨氧化钙 3 8 4 18万吨三氧化硫 2 6 2 86万吨氧化钾 1 5 1 65万吨氧化钛 1 2 1 32万吨氧化镁 1 2 1 32万吨氧化钠 0 6 0 66万吨五氧化二磷 0 3 0 33万吨 企业生产过程 第一 灰渣经过该联合企业的金属氧化物分离厂 该厂有破碎系统 燃烧系统 混合系统和密度控制系统 通过磁力型 气力型和机械型的分离器 以及酸槽搅拌和连续离心机 将灰渣分离成上述组分 第二 用一台输送机将50 27万吨二氧化硅和4 18万吨氧化钙送到另一个厂的料仓内 用来生产玻璃制品 特殊用途的超级轻质骨料 塑料和涂料的特殊填充料 无收缩型砂 高温耐火材料 耐火砌块和耐火浇铸料 玻璃钢绝缘材料和多种建筑砌块 实验一粉煤灰浮选速度的试验 一 实验目的 1 了解烃类油捕收剂和起泡剂对粉煤灰的浮选作用 2 了解浮选速度对粉煤灰浮选的影响 二 实验设备 用具 矿样 药剂 XFD型浮选机 3升 XTLZ 260 200真空过滤机CS101电热鼓风干燥箱FA2004电子天平注射器 包括微量注射器 秒表 滤纸 粉煤灰 贵州 轻柴油起泡剂BK204 三 实验内容及步骤 1 每次称取干矿样1000g 矿浆浓度30 采用 一次粗选 的流程 添加轻柴油800g t BK204600g t 添加药剂体积的折算方法 根据d轻柴油 0 836g cm3 dBK204 0 88g cm3则 x 0 4g所需添加的轻柴油的体积数V柴 0 479ml 对应800g t 所需添加的起泡剂的体积数V起泡 0 682ml 对应600g t 2 分别刮取第一分钟 第二分钟 第三分钟 第四分钟 第五分钟 第六分钟的粗选精矿 烘干称重 3 制样 混匀缩分样品 80目 4 分析各产品的灰分 四 列表记录实验结果 分散与聚集 在浮选体系中 由于微米粒级的矿粒质量小 表面能高 表面电荷和比表面积大等原因 故浮选效果很差 随着矿物资源的大规模开发和利用 贫矿 细粒矿和复杂有用矿物人选比例逐年增大 微细粒浮选作为世界难题 得到了很多研究 产生了许多细粒分选新工艺 这些新工艺的特点主要包括 调粒 和 调泡 三方面 调粒 是使微细粒级联合 合并成较粗颗粒 以适应常规浮选方法 调泡 则是将气泡尺寸变小 从而适合于微细粒级的浮选特性 以 调粒 为基本依据形成的选矿工艺 如团絮浮选 载体浮选 选择性絮凝分离等 其优点是可用常规浮选的通用设备和流程 这表明 以 调粒 调泡 为基本方法的细粒浮选工艺研究中 应充分重视 调粒 的途径 一 微细矿粒的分散和聚集状态 分散状态 矿浆中微细矿粒是悬浮状态 并且各个颗粒可自由运动 聚集状态 矿浆中微细矿粒相互粘附团聚 因团粒尺寸变大 根据其机理不同 可分为三种 聚集状态 凝结 凝聚 书P67图1 36a 在某些无机盐 石灰 明矾等 的作用下 矿浆中微细矿粒形成凝块的现象 主要机理是外加电解质消除了表面电荷 压缩双电层的结果 絮凝 图1 36ba 高分子凝聚 主要是用高分子絮凝剂 淀粉和聚电解质 通过桥键作用 把微粒联结成一种松散的网络状的聚集状态 也称高分子絮凝 图1 37 b 疏水凝聚 主要由外加表面活性物 如捕收剂 在矿粒表面形成疏水膜 则各矿粒表面间疏水膜中的非极性互相吸引 缔合而产生的絮凝 图1 38 团聚 指矿浆中加入非极性油后 促使矿粒聚集于油相中形成团 或者由于大小气泡拱抬 使矿粒聚集成团的现象 P67图1 36C 二 微粒间的凝聚作用 介质中呈分散状态的粒子的分散稳定性 由粒子间双电层的相互作用能量 Ve 和伦敦 范德华力的作用能量Va之和来决定 即V Ve Va根据粒子表面荷电情况 凝聚可分为同相凝聚和异相凝聚 同相凝聚 粒子表面的符号和大小都相同 即 1 2 时所产生的凝聚现象 它可用 DerjaguimLandauverweyOverbeek 理论定量说明 图1 39所示的位能曲线 2 异相凝聚 互凝 表面电位不同 符号或数值不同 的异类粒子凝聚 其分散和凝聚的情况较同相凝聚复杂 图1 40 复杂 也较复杂 最终要由 决定 矿粒间互凝实验研究对双矿物组含量溶液的互凝行为进行了研究 如石英 萤石 石英 金红石 石英 赤铁矿 石英 菱铁矿 石英 方解石 石英 菱铁矿 石英 菱锰矿 方解石 金红石 方解石 赤铁矿 方解石 菱镁矿 方解石 菱锰矿 菱锰矿 金红石的平衡出发 几乎同时分别提出了分散体系稳定性理论的基础 此理论通常被称为 V 理论 扫描电镜照片 互凝絮团的直观图像 由图可得知平均粒径为2 的矿物矿粒可生成粒径约为45 的聚团 能谱分析 可判断聚团是否有选择性 表6 4 界面分选原理及应用 列举了十二种组合矿物的互凝范围 值 及各矿物的零电点 由表可得到如下具有使用价值的结论 5 矿泥罩盖 矿泥罩盖的本质是微细矿粒与粗颗粒之间的互凝 因此 遵循互凝的基本规律 当两颗粒表面电位相反或相同但数值相差较大时 均可发生矿泥罩盖现象 可通过电子显微镜清楚的观察到互凝引起的微粒矿物的罩盖现象 矿泥罩盖选择缺乏选择性 对矿粒的分选有害 Taggart很早就指出 在进行优先浮选时 控制矿泥罩盖极其重要 矿泥罩盖的基础是不同粒度及荷电状况的异质颗粒间的互凝行为 矿泥罩盖对矿粒分选产生许多有害影响 1 降低分选过程中分选药剂对矿粒的吸附能力 2 在浮选中阻碍气泡对有用矿物的附着 3 罩盖在有用矿物上的脉石矿物微粒被选进精矿 使精矿品位降低 4 有用矿物微粒罩盖在脉石粗粒上 使它们难以回收 5 显著缩小分选颗粒的表面差异 三 絮凝与桥键作用 高分子絮凝与桥键作用原理不同 由于高分子的每个分子长度超过粒子间的范德华力和双电层力的作用距离 这样高分子絮凝剂就会象架桥一样 搭在两个或多个矿粒上 并以自己的活性基团与矿粒起作用 从而将矿粒联结形成絮凝团 这种作用称为桥联作用 因此 不论悬浮液中粒子表面荷电状况如何 势垒多大 只要添加的絮凝剂分子具有在粒子表面吸附的官能团 或具有吸附活性 便可实现絮凝 絮凝剂在粒子表面的吸附 主要由三种类型的键合作用引起 1 静电键合 主要指双电层内的静电相互作用 如带正电的矿粒吸附阴离子型分子絮凝剂 当添加量大时 矿物表面还可能带负电 2 氢键键合 聚合物分子中有NH2基团和HO基团时 它们与粒子表面的电负性较强的氧原子作用 会失去大部分电子而形成氢键 但靠氢键吸附的聚合物 对于全絮凝是理想的 但不适于选择性絮凝 3 共价键合 高分子絮凝剂的活性基团在矿粒表面的活性区吸附 并与表面的离子产生共价键合作用 这种作用可生成某种难溶的表面化合物或稳定的络合物 螯合物 并能导致聚合物的选择性吸附 四 选择性絮凝 处理细粒物料的重要方法 选择性絮凝是以高分子有机物为桥联物质 它选择性地吸附于某些矿粒表面上 将这些矿粒连接起来 形成矿粒聚集体的现象 选择性絮凝过程 1 分散 由于互凝是一种非选择性聚团 夹杂和不纯又是矿泥罩盖的原因 是选择性絮凝的一大障碍 故必须克服颗粒间互凝作用 对矿浆进行分散处理 即分散法 分散方法 物理分散法 超声分散化学分散法 采用添加分散剂 PH调整剂 水玻璃 六偏磷酸钠 单宁 木质素类 2 加药 加入絮凝剂后使其充分混匀弥散 为 活化 或 抑制 絮凝作用 要附加其它调整剂 其作用大致为 a 改变矿物表面电性 降低静电斥力 利于絮凝剂的吸附 b 改变高聚物絮凝剂的吸附机理 如加多价阳离子可活化阴离子吸附 调整PH或加入调整剂 会影响高聚物的聚合度 电离度及水解度等 c 调整剂与絮凝剂竞争 防止絮凝剂吸附 起抑制作用 吸附 选择絮凝 沉降分离 2 絮凝剂在矿物表面的吸附形式 化学吸附 可能是离子吸附 也可能是定位离子吸附 如含 COOH的化合物 氢键 未解离的聚丙烯酰胺 静电力吸附 改性的纤维素 选择性絮凝的应用 为避免矿泥的干扰 浮选前进行脱泥 即脱除细粒脉石 絮凝沉降物进行浮选分离 根据表1 可知 若要分离赤铁矿和硅酸盐 铝硅酸盐 用水玻璃或苛性钠分散 用强水解的聚丙烯酰胺使赤铁矿絮凝下沉 脱出细粒脉石 用浮选法浮得赤铁矿精矿 即 浮选被絮凝的有用矿物 选择性絮凝的应用 2 浮选被絮凝的脉石矿物 如含粘土的钾盐 先在盐水中使粘土絮凝 用浮选法将粘土絮团浮出 然后进行钾盐浮选 3 絮凝脉石 浮选有用矿物 如铬铁矿 在PH 11 5介质中用羧甲基纤维素絮凝脉石使其下沉不浮 此时用油酸浮出铬铁矿 4 粗细粒分级 粗粒浮选 细泥选择性细泥 目前已知 有若干的絮凝剂 辅助剂 分散及调整 用于混合物的选择絮凝分离 综合列于表1 11 浮选速率 一 概况 什么是浮选速率 浮选过程进行的快慢 可用单位时间内浮选矿浆中被浮矿物的浓度变化或回收率变化来衡量 并称之为浮选速率 什么是浮选动力学 研究浮选产品数量随时间的变化规律 浮选动力学主要任务是研究浮选速率的规律并分析各种影响因素 研究分析速率可以为改善浮选工艺和流程 改进浮选机设计和比拟放大 完善浮选试验研究方法 实现浮选槽和浮选回路的最佳化控制及自动化提供依据 浮选速率方程 一种将浮选速率和其相关量联系起来的等式 可表示为 dC dt Kncn式中c 在任何指定时刻t 矿浆中被浮矿物的浓度Kn 速率常数 浮选反应级数如以精矿 表示时 则上式可写成d dt K n 最大浮选回收率 纯矿物浮选时 可取100 在任何指定时间t 被浮矿物的回收率 影响浮选速率常数的因素 浮选几率W浮选 在某时刻t下 由tt dt瞬间内浮选入精矿中的某种矿物的颗粒数与在此时刻下矿浆中该种矿物总粒数之比 即W浮选 dN NdtW浮选即为K 只是二者出发点不同 W从浮选几率出发 K从浮选速率出发 各浮选阶段的几率 分为四个阶段 即是发生浮选现象的四个阶段 矿粒向气泡碰撞 W碰撞 dN碰 NdT 即在t时刻下 时间t到t t发生碰撞的颗粒数与N之比 各浮选阶段的几率 排开水化膜实现附着W附 dN附 dN碰 各浮选阶段的几率 在矿粒沿气泡表明滑动过程中实现稳固附着W固 dN固 dN附 在泡沫层中固着W浮出 dN浮出 dN固W W碰撞 W附 W固 W浮出 dN碰 NdT dN附 dN碰 dN固 dN附 dN浮出 dN固 dN浮出 NdT 各浮选阶段的影响因素 影响W碰撞的因素 a 矿粒的质量 在矿浆中受搅动而产生的惯性力大 易脱离流体的流线而实现碰撞 b 矿浆浓度P P高 W碰撞高 c 充其量高 碰撞颗粒数多 则W碰撞高 d 搅拌强度高 W碰撞高 影响W附的因素 a 颗粒的疏水性 大 W附高 b 药剂吸附 捕收剂W附高 抑制剂W附低 c 脉石矿泥的粘附W附低 d 氧的吸附 轻微氧化W附高 严重氧化W附低 3 影响W固的因素 a 附着力F a 液气sin 大 F大 W固大 影响W附的因素同样影响W固 b 脱落力 mv2 R mgm 矿粒的质量R 气泡半径V 矿粒在气泡表面滑动的圆周运动速度 4 影响W浮出的因素 a 影响W固同样影响W浮出b 气泡的稳定性c 泡沫层的厚度h h大 W浮出低 h小 W浮出高 第三章浮选药剂 第一节浮选药剂的分类与作用 矿物能否浮选取决于矿物表面的润湿性 自然界中的矿物 绝大多数可浮性都很差 必须用浮选药剂来加强 而且这种加强必须要有选择性 即只能加强一种矿物或某几种矿物的可浮性 而对其他矿物不仅不能加强有时还要削弱 这样 就可以人为地控制矿物的浮选行为 浮选之所以能被广泛应用于矿物加工 重要的原因在于它能通过浮选药剂灵活 有效地控制浮选过程 成功地将矿物按人们的要求加以分开 使资源得到综合利用 例如多金属硫化矿石 矿石中经常共生方铅矿 黄铁矿 闪锌矿 黄铜矿等硫化矿物 这些硫化矿物具有相似的物理性质 用重选等选矿方法很难使之分离 浮选药剂的产生和发展 经历三个阶段 3 60年代以来 发展中的非离子特性特效捕收