浮选基本原理安徽理工

浮游选矿,安徽理工大学矿物加工工程系,第一章浮选基本原理1.1概述,浮游选矿又称浮选，从水的悬浮液中（称矿物和水的悬浮液为矿浆）浮出固体的过程。浮选是由于不同固体矿物的表面性质差异，通过它们对矿浆中液体和气体的作用不同而实现分选的。有的矿物疏水、亲气，可粘附到气泡上，进入泡沫成为精矿，另一些亲水、疏气的矿物则不和气泡粘附，留在矿浆中成为尾矿(正浮选),现代的泡沫浮选过程一般包括以下作业：,磨矿即先将矿石磨细，使有用矿物与其他矿物或脉石矿物解离；调浆加药调整矿浆浓度适合浮选要求，并加入所需的浮选药剂，以提高效率；浮选分离矿浆在浮选机中充气浮选，完成矿物的分选；产品处理浮选后的泡沫产品和尾矿产品进行脱水分离。,浮选槽内完成浮选的过程,图1-1-2浮选槽内的浮选过程F入料；K泡沫精矿；T尾矿；空气；矿粒,1.2固、液、气各相性质,自然界的矿物按工业用途可分为两大类：工业矿物和能源矿物。前者多为晶体矿物，后者则为非晶体矿物。1.矿物的晶体结构晶体化学中根据晶体内部质点和键的性质将矿物晶体分为四类：离子晶体、原子晶体（共价晶体）、分子晶体和金属晶体。,1.2.1固相的结构和性质,(1)离子晶体：离子晶体由阴离子和阳离子组成，阴、阳离子交替排列在晶格结点上，它们之间以静电引力相结合，这种结合力所形成的键称离子键。(2)原子晶体：原子晶体由原子组成，晶格结点上排列的是中性原子，靠共用电子对结合在一起，这种键称原子键或共价键，极性较强。(3)分子晶体：分子晶体的晶格中分子是结构的基本单元，分子间由极弱的范德华力（即分子间力）或分子键联接。组成晶体的分子键很弱，因此硬度较小，对水的亲和力弱。多数层状构造矿物层与层之间常以弱分子键相连。(4)金属晶体：金属晶体的结点上为金属阳离子，周围有自由运动的电子，阳离子与公有电子相互作用，结合成金属键。,2.矿物的表面键能、极性与天然可浮性的关系,矿物晶格破裂时，由于暴露在表面的键型不同，矿物表面性质也就不同，其规律大致如下：当断裂面以离子键为主，表面不饱和键具有强的静电吸引力，为强不饱和键。当断裂面以共价键为主，表面不饱和键多为原子键。该类表面有较强静电力或偶极作用，亦为强不饱和键。当断裂面以分子键为主，其表面不饱和键多为弱键。如矿物表面以定向力、诱导力为主，此种弱键又强于色散力为主的弱键。矿物表面键能的差异对矿物的可浮性有极大的影响。1.亲水性表面，此时的矿物可浮性差。2.疏水性表面，此时的矿物可浮性好。,自然界中天然可浮性好的矿物较少。具有分子键的晶体，如石蜡、硫磺具有良好的天然可浮性；片状或层状结构的晶体，如石墨、滑石则具有中等天然可浮性；其他多数矿物都具有强的亲水性，其天然可浮性较差。大多数硫化矿、氧化矿、硅酸盐矿等都具有强的亲水性。要实现各类矿物的浮选主要是依靠人为地改变矿物的可浮性。要人为的改变可浮性，最有效的方法是浮选药剂在不同矿物表面的吸附。从而造成矿物表面的“人为可浮性”。,3.煤的组成结构与可浮性,(1)煤的基本组成煤的组成有明显的不均匀性。煤是由有机质和多种无机矿物组成的复合体，其成分随煤化程度的变化而大幅度变化。按煤岩学的观点，煤有四种主要组分：丝炭、暗煤、镜煤和亮煤。,(2)煤的结构模型,万克列维廉提出的煤的结构模型,煤主要是由芳香网络所组成，即是多环芳香族高分子化合物，是由大量苯核结合的芳香族化合物，由多层平面碳网组成，但也存在侧链。,(3)煤的可浮性煤是多环芳香族化合物，各基本单元和周围侧链及官能团随变质程度不同有很大变化，因此，煤具有如下性质：组成不同，各组分实际无法分离，浮选好坏与各组分含量和性质有很大的关系；煤的主体是多苯芳香核，芳香核的化学性质不活泼，具有疏水性。因此，煤的主要表面是疏水的；在芳香核的碳网上，有数量不等的侧链，在氧化过程中很容易生成含氧官能团,使煤的某些部位具有亲水性；煤的结构中还含有一定数量的矿物质，多数矿物质具有一定极性，因而使煤部分表面具有亲水性；,煤表面上的含氧官能团和无机矿物质虽使煤具有了一定亲水性，但这些部位也有较高的化学活性，捕收剂中的某些杂极性分子可以吸附在这些活性部位，从而提高整个煤粒的疏水性；煤的变质程度对煤的可浮性有很大的影响。通常，中等变质程度的煤具有最好的可浮性。变质程度高和变质程度低的煤，其可浮性均有下降。变质程度低时，含氧官能团数量大，孔隙度达10%以上；变质程度高时，亲水的含氧官能团数量虽有所降低，但侧链含量也减少，而且侧链变短，使疏水程度降低，孔隙度也比中等变质程度时有所增加，因此，在两种情况下，可浮性均较差；,1.2.2液相的结构和性质,浮选时液相为水，液体水的结构和性质对矿物表面性质、浮选药剂的性质及浮选过程均产生极大的影响，决定了浮选的特征。,1.水分子的结构特点水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，三个原子核构成以两个质子为底的等腰三角形，见图,2.水分子对矿物表面的作用矿物破裂后，其断裂面上具有不饱和键。将断裂面置于真空中，则得不到任何补偿；如置于空气中，虽可得到部分补偿，但由于氧、氮分子密度很低，不具有极性，所得到的补偿极小；如果将断裂面置于水中，则矿物表面的不饱和键与水偶极子发生作用，得到部分补偿。矿物由于构成其晶格结构的不同，当矿物破裂后，其断裂面上希望得到补偿的不饱和键特性不同，因而矿物表面的极性也有差,别。水分子则会根据矿物表面的极性不同在其表面进行不同形式的定向排列，形成不同性质的水化层或水化膜，使矿物表面的自由能发生变化。3.水的溶解能力水的溶解能力在浮选过程中具有相当重要的作用。由于水会对矿物表面的一些离子溶解，从而改变矿物表面的化学组成、界面电性及液相的化学组成，结果也改变了矿物在浮选过程中的行为。,1.2.3气相及其性质,泡沫浮选过程中，空气所形成的气泡是一种选择性的运载工具。浮选矿浆中某些颗粒能够粘附到气泡上浮出，其余则不能粘附到气泡上而留在矿浆中，从而将它们分离。浮选中的气相主要是空气，空气主要是由氧、氮、二氧化碳等组成的混合物。空气中不同成分在水中的溶解度不同，因而与矿物和水的作用也不同，对分选有不同影响。,1.3.1润湿性、水化现象与可浮性,1.矿物表面的润湿性（1）润湿现象润湿是自然界常见的现象。如往干净的玻璃上滴一滴水，水会很快地沿玻璃表面展开，成为平面凸镜的形状。但若往石蜡表面滴一滴水，水则力图保持球形，但因重力的影响，水滴在石蜡上形成一椭圆球状而不展开。这两种不同现象表明，玻璃能被水润湿，是亲水物质；石蜡不能被水润湿，是疏水物质。,1.3相界面性质与可浮性,如图矿物表面润湿现象,如图三种基本润湿形式(a)附着润湿；(b)铺展润湿；(c)浸没润湿,润湿：任意两种流体与固体接触后，所发生的附着、展开或浸没现象。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。,（2）接触角,在一浸于水中的矿物表面上附着一个气泡，当达平衡时气泡在矿物表面形成一定的接触周边，称为三相润湿周边。在任意二相界面都存在着界面自由能。固水与水气两个界面自由能所包之角（包括水相）称为接触角，以表示。,平衡状态（杨氏Young）方程,如上图，当达到平衡时（润湿周边不动），作用于润湿周边上的三个表面张力在水平方向的分力必为零。于是其平衡状态方程为：SG=SL+LGcoscos=(SG-SL)/LG式中，SG、SL和LG分别为固气、固液和液气界面自由能。上式表明了平衡接触角与三个相界面之间表面张力的关系，平衡接触角是三个相界面张力的函数。接触角的大小不仅与矿物表面性质有关，而且与液相、气相的界面性质有关。凡能引起任何两相界面张力改变的因素都可能影响矿物表面的润湿性。,当90时，SLSG，矿物表面不易被水润湿，称为疏水表