矿物浮选第3章浮选的基本原理(1)

,浮选的基本原理（1）矿物表面润湿性与浮选,浮选课程,1润湿性理论,1.1润湿现象与润湿过程,润湿理论浮选是利用各种矿物表面润湿性的差异来实现的；润湿涉及三个相，而且其中两个相为流体；矿物表面润湿性可以通过药剂作用来调节的。,1润湿性理论,1.1润湿现象与润湿过程,上式中SG固体-空气界面自由能;LG水-空气界面自由能;SL固体-水界面自由能。,杨氏（Young）方程,1润湿性理论,1.1润湿现象与润湿过程,三种基本的润湿现象(a)沾湿；(b)铺展；(c)浸湿,1润湿性理论,1.1润湿现象与润湿过程,系统消失了固-气界面和水-气界面，新生成了固-水界面单位面积上位能降低为：WSL=SG+LG-SL=-G(1)上式中SG固体-空气界面自由能;LG水-空气界面自由能;SL固体-水界面自由能。如果SG+LGSL，则位能的降低是正值，沾湿将会发生。,a沾湿,1润湿性理论,1.1润湿现象与润湿过程,系统消失了固-气界面，新生成了固-水界面和水-气界面单位面积上：W=SG-SL-LG=-G（2）若SGSL+LG，水将排开空气而铺展，为了达到很好的润湿,须使LG和SL降低，而不降低SG。,b铺展,1润湿性理论,1.1润湿现象与润湿过程,系统消失了固-气界面，新生成了固-水界面，单位面积上W=SG-SL（6-3）因此，自发浸没的必要条件是SGSL，但这还不充分。因为固体进入水中必需通过气-水界面，这样就必须满足其他有关的条件。,c浸没,1润湿性理论,1.1润湿现象与润湿过程,c浸没,使每个连续阶段成为可能的必要条件是：由阶段到阶段SG+LGSL由阶段到阶段SGSL由阶段到阶段SGLG+SL如果第三阶段是可能的，则其他阶段亦皆可能。因此浸没润湿的主要条件是：SG-SLLG所以浸没润湿与铺展润湿的条件相同。,1润湿性理论,1.2固体颗粒表面润湿性的度量,接触角可以标志固体表面的润湿性。如果固体表面形成的角很小，则称其为亲水性表面；反之，当角较大，则称其疏水性表面。角越大说明固体表面疏水性越强；角越小，则固体表面亲水性越强。,1润湿性理论,1.2固体颗粒表面润湿性的度量,图a表示可以被水完全润湿的固体，水滴可沿整个表面展开，值近于零。图b表示，当SL，则位能的降低是正值，沾湿将会发生。,润湿功亦可定义为：将固-液接触自交界处拉开所需做的最小功。显然，WSL越大，即cos越大，则固-液界面结合越牢，固体表面亲水性越强。浮选中常将cos称为“润湿性”。,杨氏（Young）方程,1润湿性理论,1.2固体颗粒表面润湿性的度量,润湿功与润湿性,浮选涉及的基本现象是,矿粒粘附在空气泡上并被携带上浮。矿粒向气泡附着的过程是系统消失了固-水界面和水-气界面，新生成了固-气界面，即为铺展润湿的逆过程。该过程体系对外所做的最大功为粘着功WSG，则WSG=LG+SL-SG=-GWSG=LG（1-cos）WSG表征着矿粒与气泡粘着的牢固程度。显然，WSG越大，即（1-cos）越大，固体表面疏水性越强。,1润湿性理论,1.2固体颗粒表面润湿性的度量,浮选涉及的基本现象是,矿粒粘附在空气泡上并被携带上浮。矿粒向气泡附着的过程是系统消失了固-水界面和水-气界面，新生成了固-气界面，即为铺展润湿的逆过程。该过程体系对外所做的最大功为粘着功WSG，则WSG=LG+SL-SG=-GWSG=LG（1-cos）WSG表征着矿粒与气泡粘着的牢固程度。显然，WSG越大，即（1-cos）越大，固体表面疏水性越强。,1润湿性理论,1.2固体颗粒表面润湿性的度量,粘着功与可浮性,WSG表征着矿粒与气泡粘着的牢固程度。显然，WSG越大，即（1-cos）越大，则固-气界面结合越牢，固体表面疏水性越强。因此，浮选中常将（1-cos）称为“可浮性”。接触角、润湿性cos、可浮性（1-cos）均可用于度量固体颗粒表面的润湿性，且三者彼此之间是互相关连的。当矿物完全亲水时，=0，润湿性cos=1，可浮性（1-cos）=0。此时矿粒不会附着气泡上浮。当矿物疏水性增加时，接触角增大，润湿性cos减小，可浮性（1-cos）增大。,1润湿性理论,1.3润湿性与可浮性,改变固体间表面润湿性差异的方法,添加特定浮选药剂的方法来扩大物料间润汲性的差别。,捕收剂：主要作用是使目的矿物表面疏水、增加可浮性，使其易于向气泡附着。起泡剂：主要作用是促使泡沫形成，增加分选界面，与捕收剂也有联合作用。调整剂：主要用于调整捕收剂的作用及介质条件，其中促进目的矿物与捕收剂作用的为活化剂；抑制非目的矿物可浮性的为抑制剂；调整介质pH的为pH调整剂。,1润湿性理论,1.3润湿性与可浮性,泡沫浮选,气泡矿化过程,气泡矿化的必要条件：(1-cos)0,矿化=SG-SL-LG0,矿化=-LG（1-cos）0,沾附气泡的矿粒上浮的条件应是其上浮力大于或等于下沉力,1润湿性理论,1.3润湿性与可浮性,因0sin1，只要有足够大的接触角及液气表面张力LG，就能使颗粒浮起。颗粒越粗要求的及LG越大。,表层浮选,粒浮,l3gl3g4LGsin,l3gl2hg+4lLGcos(180-)=l2hg-4lLGcos,1润湿性理论,1.3润湿性与可浮性,可以通过添加化学药剂对矿物表面润湿性进行调控,进而达到改变矿物可浮性的目的，如图增大黄药浓度时，矿物表面接触角增大，矿物表面疏水，进而回收率提高。,1润湿性理论,1.3润湿性与可浮性,捕收剂溶液中一水硬铝石的接触角和浮选回收率与pH值的关系图,1.Dodecylamine;2.Cetyltrimethylammoniumbromide;3.Sodiumoleate;4.Sodiumdodecylsulfate.,1润湿性理论,1.4浮选体系中润湿性与可浮性的研究,水化作用,润湿是水分子（偶极）对矿物表面的吸附形成的水化作用。水分子是极性分子，矿物表面的不饱和键能具有不同程度的极性，极性的水分子会在具有极性的矿物表面吸附，并在矿物表面形成水化膜。水化膜中水分子是定向排列的，与普通水分子的随机稀散排列不同。最靠近矿物表面的水分子，受表面键能吸引最强，排列最整齐严密。水化膜是界于固体矿物与普通水之间的过渡间界，故又称为间界层。通过表面化学研究，水化膜的厚度与矿物的润湿性成正比。例如：亲水的矿物石英、云母的表面水化膜厚度为1cm，而疏水的矿物石墨等仅为0.11m。,1润湿性理论,1.4浮选体系中润湿性与可浮性的研究,结构,特性,图6-6水化膜示意图a疏水性矿物（如辉钼矿），表面呈弱键，水化膜薄；b亲水性矿物（如石英），表面呈强键，水化膜厚,水化作用,1润湿性理论,1.4浮选体系中润湿性与可浮性的研究,矿粒表面可能与水的偶极分子发生不同性质及强度的作用，使表面不饱和键得到程度不同的补偿,水分子间的缔合能Ew,Ew146x10-3Jm2,矿物颗粒表面与水分子作用获得的补偿能E,E=Ecom+Ea+Ehy+Em,水分子与矿粒表面的作用强烈；,水分子与矿粒表面的作用弱于水分子这间的作用,水化作用,1润湿性理论,1.4浮选体系中润湿性与可浮性的研究,水化膜的薄化矿物表面水化性强（亲水表面），随着气泡向矿物接近，水化膜表面自由能增加，除非有外加的能量，水化膜不会自行薄化，亲水表面不易和气泡接触粘附。矿物表面水化性弱（疏水表面），水化膜比较脆弱，有部分自发破裂，水化膜表面自由能减低，易和气泡接触粘附。但是到很接近表面的一层水化层，是很难排除。,水化作用,1润湿性理论,1.5矿物价键特性与润湿性,（1）矿物表面润湿性的分类,备注：E为表面同水的作用能；Ew为水分子间缔合能。,1润湿性理论,1.5矿物价键特性与润湿性,（2）矿物的表面键能与天然可浮性浮选所遇到的矿物断裂面，具有不饱和的键能，能与水偶极的作用，将决定矿物的天然可浮性。沿较弱的分子键层面断裂的矿物，其表面是弱的分子键，对水分子引力小，为非极性矿物，可浮性好；内部结构属于离子晶格或共价晶格的矿物，矿物断裂面呈现原子键或离子键，具有较强的偶极作用或静电力，因而亲水，可浮性小；实现矿物的浮选依靠人为改变矿物的可浮性。,1润湿性理论,1.5矿物价键特性与润湿性,（3）矿物表面的不均匀性与可浮性浮选所遇到的同一类矿物的天然可浮性相差很大，是由于不同产地矿物的物理不均匀、化学不均匀，导致其表面的不均匀性而形成的。物理不均匀矿物表面的宏观不均匀性（矿物破碎解离时形成）缺陷（间隙离子与空位）：间隙离子缺陷：某些离子进入晶格的间隙，而正常完整的位置空缺位错与镶嵌结构,1润湿性理论,1.5矿物价键特性与润湿性,非化学计量组成特性闪锌矿（ZnS）：金属过量、带阴离子空位金属过量、带间隙阳离子非金属过量、带间隙阴离子金属过量、带阳离子空位,杂质闪锌矿（ZnS）：杂质元素单一同晶形置换锌杂质元素在ZnS中形成机械夹杂杂质元素单一同晶形置换锌和杂质元素在ZnS中形成机械夹杂的复合形式。,化学不均匀,半导性晶格缺陷与半导性关系杂