应用超声波强化泡沫浮选

理论与实践 应用超声波强化泡沫浮选 C?勒特马瑟? 等 摘? 要?从理论和试验两方面, 研究了在浮选不同阶段中超声波处理对泡沫浮选过程的改进。本文中以石墨为例讨论了超声波 处理对其浮选的影响。在浮选药剂乳化、 矿浆分散、 矿浆与药剂搅拌和浮选中应用超声波可在精矿产率固定的情况下 提高浮选效率, 即提高精矿纯度, 降低精矿灰分含量。在矿浆分散时应用超声波处理, 浮选结果的改进幅度最大。超声 波处理时石墨浮选速度明显降低和超声波的磨损问题是其缺点。 关键词?超声波处理? 浮选? 药剂乳化? 矿浆分散? 调浆? 石墨 概 ? 述 可用超声波强化在离心力场中的浮选。探索性 试验表明, 这种强化浮选的方法显然可以提高分选 效率。在浮选中应用超声波的主要优点在于可以使 固体颗粒起到分散作用, 例如可有助于团聚体破碎, 从固体表面除去杂质层( 清洗或脱泥) , 以及促进药 剂乳化。 从超声波场的特性来看, 超声波可产生高的声 波强度, 从而对浮选起到多种作用。能将声能聚集 的短波超声波可产生很高的强度。 早在 20 世纪 30 年代 Petersen W 就在浮选中广 范地试验了超声波, 试验结果表明, 与机械搅拌相 比, 超声波可使浮选药剂形成更好的乳浊液。一些 其他研究者也报导了超声波对浮选所起的促进作 用。 在泡沫浮选强化研究中, 可用试验证明应用超 声波获得好的作用。在实际浮选过程中, 还未直接 观察到超声波对浮选单个过程所起好的影响, 如清 洗固体表面, 增强固体碰撞速率和液膜在气泡与疏 水颗粒之间的分散以形成三相接触角。因此, 我们 在以下浮选 4个阶段研究了超声波的作用: 1) 浮选药剂的乳化: 2) 固体颗粒在悬浮液中的分散; 3) 调浆; 4) 浮选。 这儿所叙述的实验室试验集中在确定不同超声 波功率和超声波不同作用时间的影响程度。 1 ? 试验程序 在超声波处理浮选试验研究中用容积为 1?6L 的实验室型机械浮选机进行, 用 Bandelin 公司生产 的 HD 200 型超声波发生器, 其频率为 20 kHz, 最大 功率 Pmax= 200W。其功率值可以精确调节。施加 到浮选过程中的超声波功率与超声波发生器最大功 率成正比。 用石墨作为浮选试验样品。其中原始灰分 agf = 8?7% , 符合德国工业标准 DIN 51903。表 1 中所 列举的石墨特征粒度分布是由激光衍射粒度仪测定 出来的, 比表面积是由 BET 法测定的。为了研究超 声波对石墨粒度分布的影响, 用激光衍射粒度仪测 定了超声波处理的悬浮液的粒度。为此将固体含量 为 10 g/ L 的 0?5 L 液体用最大功率为 200 W 的超 声波处理 2min。此时超声波发生器单位输出能量 为 48 kJ/ L。从表 1 可以看出, 超声波作用前后石墨 颗粒粒度分布只有很小的差别。超声波处理后粒度 分布范围稍稍变窄, 粗颗粒范围向小的方向偏移。 - 26?m粒级稍稍减少。BET 法比表面积测定结果 也证实了超声波处理对石墨粒度有限的影响。根据 BET 测量结果, 超声波处理使石墨的比表面积从 Sm = 2?73m2/ g 稍稍增至 Sm= 2?90 m2/ g。 表 1? 石墨的特征粒度分布和比表面积 超声波处理前后X10,3/ ?mX50,3/ ?mX90, 3/?mSm/m2?g 超声波处理前91212832?73 超声波处理后171132462?90 ? 在实验室型浮选机中应用超声波的浮选试验程 序如图 1 所示。为了试验结果的重现性, 对每个试 212002. 10? ? ? ? ? ? ? 国? 外? 金? 属? 矿? 选? 矿 ? ? ? ? 验进行了 3 次。试验时固体浓度为 10g/ L。 图 1? 在实验室型浮选机中应用超声波的浮选试验程序框图 未超声波处理的参比试验是在实验室型浮选机 中用德国标准方法 DIN 22017 进行。试验分成 6 段, 分别刮泡, 获得 6 个精矿和 1 个尾矿。悬浮液分 散和添加药剂后调浆, 再通气体进行浮选。在浮选 时, 用人工刮泡。每段分别加药和刮泡, 共重复 5 次。 在药剂乳化试验中, 固体分散、 药剂添加、 悬浮 液调浆和浮选各过程与参比试验程序类似。药剂在 添加到悬浮液中前, 每种药剂用超声波发生器在 15 mL 水中乳化, 乳化在外部水冷式容器中进行。在 乳化过程中, 超声波处理时间 t 是变化的, 而超声波 处理循环时间是不变的 ta= 20 s。 循环次数为 Z。 也 就是说每次的脉冲次数是不变的, 脉冲的长度是变 化的, 所以, 超声波处理时间 t = ta? Z。 固体在浮选槽外边用容积为 2 L 的容器超声波 分散。为了防止潜在的再团聚, 将超声波处理过的 悬浮液尽快地转移到浮选槽中。然后用常规的方法 进行浮选试验, 但是, 矿浆不用转子- 定子系统分 散。 在借助转子/ 定子系统分散悬浮液后, 向浮选槽 添加一定数量的药剂, 再用超声波调浆。在每个浮 选试验中每段超声波作用时间是固定的。此后, 对 悬浮液立即进行常规浮选。 还在浮选( 即充气和矿化) 中直接应用超声波进 行试验。试验是在实验室型机械浮选机中进行, 超 声波发生器浸在浮选槽中对角线处。根据预先试 验, 浮选中超声波处理时间和浮选时间为 2min。预 先调浆 2 min。所以浮选时间要调整。在所有浮选 段中均应用这个时间。 在对比超声波分散矿浆、 超声波调浆和超声波 浮选时, 悬浮液的体积为 V悬浮液= 1?6 L。在乳化 时, 药剂溶液体积为 15 mL, 这样在超声波功率 P 和 作用时间 t 相同时, 药剂溶液超声波作用单位能量 Ev= P ? t/ V 为超声波分散矿浆、 超声波调浆和超 声波浮选时单位能量的 106 倍。因此, 在超声波乳 化药剂时作用最大时间为 20 s, 而在超声波调浆时 作用时间为 1 4min。这时超声波乳化药剂的单位 能量是超声波调浆时单位能量的 9 38 倍。乳化时 的单位能量仍然大大高于超声波分散矿浆和调浆时 的能量。 2 ? 试验结果 主要根据精矿固体产率和精矿灰分含量来讨论 浮选中应用超声波处理的效果。每套 3 个试验结果 表示在浮选曲线图中。如果不清楚, 只将每 3 个试 验的平均值曲线表示在图中。参比浮选试验以平均 值曲线也表示在图中。 2?1? 超声波乳化浮选药剂 超声波乳化药剂溶液的试验结果如图 2 所示。 试验中选择了 2 个不同的超声波功率 P = 0?7Pmax 和 P = Pmax= 200W( 100% Pmax) 。超声波处理时间 不同, 以超声波处理周期 Z 的百分数表示。 图 2? 在超声波功率 P 和超声波作用时间t = Z?20 s 变化时 浮选药剂溶液超声波乳化后的浮选结果 从试验结果可以看出, 只有在低功率( P = 0?7Pmax) 连续作用和最大功率( P = Pmax) 作用时才 22? ? ? 国 ? 外? 金? 属? 矿? 选? 矿? ? ? ? ? ? 2002. 10 能获得比参比试验更好的浮选选择性。显然, 为了 获得好的结果, 应该选择最佳的超声波功率和作用 时间组合, 以使浮选药剂超声波处理单位能量最小。 相反地, 在最高单位能量输入 ( Ev= 367 kJ/ L) 试验 中, 即 P = Pmax和连续作用( 即 Z= 连续时间) 试验 中, 浮选分选效率反而降低。由此可知, 能量输入不 能超过上限。这可能是由于团絮作用增强所致, 从 而对乳化起相反的作用。 与参比浮选试验不同, 浮选药剂超声波乳化使 得浮选曲线凸起来。在浮选开始阶段, 即精矿产率 低的点处, 精矿灰分比后面的产率高的精矿灰分还 要高。从精矿产率最低 Rsc开始, 随 Rsc的增大精矿 灰分降低。这方面的影响将在 2?5 中讨论。 对比浮选药剂超声波乳化试验和参比试验结果 后发现, 药剂超声波乳化后, 矿物浮选速度比参比试 验中的浮选速度慢得多。药剂超声波乳化使固体回 收率提高 0?5%, 但超声波处理需要较高的能量输 入, 并且使浮选速度变慢。 2?2? 超声波分散固体 超声波分散悬浮液中的固体浮选结果如图 3 所 示。试验中超声波发生器功率不变, 为 200W, 即功 率为 Pmax。超声波处理时间变化。从图 3 可以看 出, 随着超声波处理时间 t 的增长, 浮选结果变好, 图 3? 在超声波功率固定(P= Pmax= 200W)时悬浮液 超声波分散处理后浮选结果与超声波处理时间的关系 例如, 在精矿产率固定时, 精矿灰分降低。与参比试 验相比, 悬浮液超声波处理10min 后, 在 Rsc= 85% 时, 精矿灰分降低 2?3% 3% 。从温度测量可知, 随超 声波 处理时 间 不同, 热 输入 通量 Q/ t = CpmDT / t 是固定的, 约为额定功率的 60% 。在超 声波处理 1 min 后悬浮液温度升高 1 K, 处理 10 min, 温度升高 10 K。 系统试验表明, 随着超声波能量的降低, 超声波 处理时间对浮选的影响减弱, 并且逐渐接近未超声 波处理的参比浮选试验结果。例如, 在 P = 20% Pmax, 处理 1 min 时, 超声波处理的效果可以忽略不 计, 在超声波处理 2 min 后, 精矿灰分比参比试验精 矿灰分降低 0?1%左右。 在超声波分散悬浮液中的固体时, 超声波能量 P 和处理时间t 影响的系统结果如图4所示。 图中表 示了在精矿产率 Rsc= 85% 时精矿灰分与供给的单 位能量 Ev之间的关系。 在 Rsc= 85%时, 参比试验 获得的精矿灰分很高。从图 4 可看出, 随供给的能 量增大, 精矿灰分逐渐降低, 也就是在超声波处理时 间较短时, 提高超声波的能量也可获得好的浮选结 果。因此, 超声波处理时超声波的能量与处理时间 应该需要适当选择, 以获得好的浮选结果。 图 4? 在精矿产率 Rsc= 85%时精矿灰分与固体分散时 供给的单位能量 Ev和超声波处理时间之间的关系 据文献报导, 悬浮液超声波处理后浮选结果的 改善主要归因于脱泥过程。此时, 作为要回收的精 矿物料( 如石墨) 表面干净, 形成的细泥污染物被除 去了。超声波的空穴作用促使脱泥得以进行。 对比不同时期固体产率曲线( 图 3) 可以发现, 超声波处理初期时固体的浮选产率比参比浮选试验 的产率低, 在超声波处理第二阶段其精矿产率差别 减小。超声波处理使石墨的浮选速度减慢。 试验结果表明, 在悬浮液分散中应用超声波可 以改善浮选分离结果, 在精矿固体产率相近的情况 下获得更低灰分的精矿。前面的结果已经证明, 超 声波处理没有使物料向细粒级偏移, 因此, 超声波处 理使物料有效碎磨的观点可以排除。 232002. 10? ? ? ? ? ? ? 国? 外? 金? 属? 矿? 选? 矿 ? ? ? ? 2?3? 超声波调浆 根据超声波分散悬浮液的试验结果, 可以预料, 超声波调浆也可获得好的结果, 特别是在脱泥和浮 选药剂在固体表面上固着时。在能量固定为 P = Pmax= 200W, 处理时间 t 变化时, 超声波处理过的 矿浆浮选结果如图 5 所示。除调浆时应用超声波处 理外, 其它条件与超声波分散固体试验条件相同( 见 图 1) 。 正如预料中的那样, 调浆时超声波处理时间 t 和超声波功率P 对浮选起好的作用, 在精矿产率固 定时, 随着调浆中超声波处理时间的增长, 精矿灰分 agc降低, 其结果比参比试验好很多。 系统试验表明, 随超声波功率 P 增大, 超声波处理时间的影响更明 显, 浮选效果更好。 图 5? 在超声波功率固定( P= Pmax= 200W)时超声波 调浆处理后的浮选结果与超声波处理时间的关系 超声波调浆时, 精矿产率固定 Rsc= 85% 时, 超 声波处理时间 t 和超声波功率P 对浮选结果的影响 如图 6 所示。 从该图可以看出, 精矿产率固定 Rsc= 85% 时, 精矿灰分与超声波单位能量之间的关系。 根据试验程序, 在浮选前, 悬浮液每一段调浆时, 经 超声波处理 t = 1、 2 和 4 min( 见图 1) , 而每段供给 的单位能量 Ev/ S 和 Rsc= 85% 时供给的实际单位 能量 Ev之间就有了差别。 在各种能量 P 和超声波 处理时间t 情况下, 最迟在第三与第四段之间获得 85% 精矿产率, 即根据通过第三和第四测点的曲线 获得的最低产率。 在计算 Rsc= 85% 时供给的实际 单位能量时, 取 Ev为 Ev/ S 的 4 倍。 图 6? 在精矿产率 Rsc= 85%时精矿灰分与调浆时供给的 超声波单位能量 Ev和超声波处理时间之间的关系 从图 6 可以看出, 无论是在高能量还是在长处 理时间情况下, 精矿灰分均随着供给的单位能量的 增大而降低。例如, 超声波能量 Pmax时的精矿灰含 量只是 0. 5Pmax时的精矿灰分的一半。 超声波调浆后的浮选效率曲线是一条向右凸起 形状的曲线。由该图可以看出, 超声波调浆后获得 的精矿产率比参比浮选试验精矿产率低, 由此可知, 超声波调浆使得浮选过程变慢。 2?4? 超声波浮选 在浮选中直接应用超声波的探索试验结果如图 7 所示。超声波能量为 Pmax= 200 W, 处理时间 t = 2 min。与参比试验相比, 精矿灰分降低 0?6%。 图 7? 超声波在浮选中直接应用的结果 (每段浮选超声波处理 2 min, 超声波能量为 Pmax= 200W) 因为在浮选机有转子/ 定子组引入气泡, 所以, 在浮选中超声波的直接应用一方面使超声波场的强 度减弱, 另一方面, 超声波使小气泡摆动, 而对浮选 起好的影响。例如, 如果这些气泡的直径小于 330 ?m, 那么就会发生空穴效应。 2?5? 结果比较 改变试验条件和系统参数变化进行试验, 以讨 24? ? ? 国 ? 外? 金? 属? 矿? 选? 矿? ? ? ? ? ? 2002. 10 论试验结果( 图 8) 。该图表示了超声波处理时间不 同而其它参数相同情况下, 超声波分散矿浆悬浮液 和超声波调浆后的浮选结果。与参比浮选试验相 比, 两种超声波处理方法都改进了浮选指标。但是, 应该指出的是, 超声波分散矿浆, 只在分散阶段应用 超声波, 而在超声波调浆却在每段中应用超声波。 图 8? 在超声波能量固定时(Pmax= 200 W)不同处理时间 超声波分散矿浆和超声波调浆后的浮选结果对比 为了比较在精矿产率相同时, 两种超声波处理 方法对精矿灰分的影响, 故将输入的单位能量作为 一个重要参数。图 9 给出了在精矿产率 Rsc= 85% 时, 精矿灰分与供给的单位能量 Ev之间的关系。调 浆时供给的单位能量值比矿浆分散时供给的单位能 量值要高, 因为在所应用的试验程序中, 最迟只需要 图 9? 在精矿产率固定( Rsc= 85%)情况下超声波分散 矿浆和超声波调浆时单位能量与精矿灰分关系对比 在第四段浮选中回收固体。因此在精矿产率固定 Rsc= 85% 前提下超声波分散矿浆获得的精矿灰分 要比超声波调浆时低些, 需要的单位能量要少些。 在超声波乳化和超声波调浆试验中, 浮选效率 曲线是一条向右凸起的曲线。在浮选初始阶段, 固 体回收率最低