中國礦業(yè)大學(xué)邢耀文教授團隊：粗顆粒浮選過程強化研究進展及展望

作者及單位

作者：張怡晴^1,2， 何琦^1,2， 楊陳儀敏^1,2， 丁世豪^1,2， 邢耀文， 桂夏輝

作者單位1.中國礦業(yè)大學(xué)國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心； 2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院

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摘 要

粗顆粒浮選不僅能夠有效拓寬浮選粒度上限、減少碎磨能耗,而且對建設(shè)綠色礦山和提高資源利用率具有重要意義。目前,針對粗顆粒浮選過程強化,國內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)研究并取得了顯著成果。從粗顆粒的難浮機理出發(fā),重點綜述了當前粗顆粒浮選過程強化技術(shù)新進展,并分析了不同分選技術(shù)的作用機理、優(yōu)勢與不足,以期為粗顆粒浮選實踐提供理論指導(dǎo)與技術(shù)借鑒。浮選礦漿的高紊流環(huán)境是造成粗顆粒難浮的根本原因,基于此,為了降低粗顆粒紊流效應(yīng),更多研究聚焦于高效粗顆粒浮選裝備開發(fā),如礦冶科技集團有限公司研制的CLF 粗粒浮選機和美國Eriez 公司設(shè)計的流態(tài)化浮選設(shè)備——水力浮選機。最后提出了未來粗顆粒浮選技術(shù)的新發(fā)展方向,主要包括低紊流高相含率的浮選環(huán)境下濃相流態(tài)化浮選機理、大型流態(tài)化浮選智能裝備開發(fā)以及由此帶來的新型浮選工藝開發(fā)設(shè)計。

正 文

浮選是利用顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異實現(xiàn)有用礦物和脈石礦物選擇性分離的界面分選方法,廣泛應(yīng)用于有色金屬礦物、黑色金屬及非金屬礦物提質(zhì)降雜。入料粒度對浮選效果具有顯著影響,低于或超出該粒度范圍均會導(dǎo)致浮選指標大幅惡化。粗顆粒浮選作為目前礦物分選領(lǐng)域內(nèi)的研究重難點,不僅能夠有效拓寬浮選粒度上限、減少碎磨能耗,而且對建設(shè)綠色礦山和提高資源利用率具有重要意義。

粗顆粒難浮的主要原因在于顆粒-氣泡間的黏附概率低、脫附概率高、粗顆粒存在浮力限制3個方面。其中,浮選紊流造成的高脫附概率是粗顆粒浮選回收率低的最主要原因。傳統(tǒng)機械攪拌式浮選機依賴葉輪的高速旋轉(zhuǎn)輸入能量,使顆粒懸浮并與氣泡碰撞發(fā)生黏附,但過強的紊流會破壞礦化氣絮體的穩(wěn)定性,導(dǎo)致顆粒脫附。紊流是一種多尺度復(fù)雜的不規(guī)則流動現(xiàn)象,礦漿中的脫附形式主要是紊流引起的渦流離心脫附、氣泡振蕩脫附和剪切脫附,為了簡化研究難度,目前研究尚且集中于以Schulze模型為基礎(chǔ)的各向同性紊流的離心脫附機制,其中各向同性表示的含義是紊流場具有均一性,即每個研究位置的所有方向的紊流特性都是一致的。基于粗顆粒難浮機理研究,學(xué)者們圍繞粗顆粒浮選過程強化也進行了大量探索,為了降低粗顆粒紊流效應(yīng),更多研究聚焦于高效粗顆粒浮選裝備開發(fā),如礦冶科技集團有限公司研制的CLF粗粒浮選機和美國Eriez公司設(shè)計的流態(tài)化浮選設(shè)備—水力浮選機。此外,強力浮選藥劑和其他過程強化技術(shù)如微納米氣泡浮選以及泡沫相浮選(SIF法),在一定程度上也可以提高粗顆粒浮選回收率。本文從粗顆粒的難浮機理出發(fā),綜述了當前粗顆粒浮選過程強化技術(shù)新進展,著重分析了不同分選技術(shù)的作用機理及優(yōu)勢和不足,以期為粗顆粒浮選過程強化提供理論指導(dǎo)與技術(shù)借鑒。

本文從粗顆粒的難浮機理出發(fā),綜述了當前粗顆粒浮選過程強化技術(shù)新進展,著重分析了不同分選技術(shù)的作用機理及優(yōu)勢和不足,以期為粗顆粒浮選過程強化提供理論指導(dǎo)與技術(shù)借鑒。

明晰粗顆粒難浮機理是實現(xiàn)粗顆粒浮選過程強化的前提,粗顆粒浮選回收率低的最主要原因是由強紊流環(huán)境引起。近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對顆粒-氣泡紊流脫附機理開展了大量的試驗探索。

顆粒-氣泡脫附研究起源于顆粒在流體界面準靜態(tài)脫附過程中的受力分析,其中紊流離心脫附假說占據(jù)研究主流。NUTT對黏附在氣泡上的球形顆粒脫附進行了研究,通過外加流場的離心作用使顆粒從氣-液界面脫附,建立了毛細管力、浮力和離心力3種力的理論計算模型,并在特定的體系(接觸角、表面張力和液固密度等)中,對顆粒脫附的臨界離心力進行了理論計算。SCHULZE對該理論進一步優(yōu)化,在準靜態(tài)力平衡的基礎(chǔ)上,考慮了紊流渦對顆粒-氣泡脫附的影響,即顆粒以氣泡直徑為旋轉(zhuǎn)半徑隨紊流渦同速旋轉(zhuǎn),當離心力超過顆粒與氣泡間的作用力后,顆粒表面會從氣泡表面脫附。同時,SCHULZE[7]提出了邦德(Bond)指數(shù)用于表征顆粒-氣泡穩(wěn)定性和計算脫附概率,邦德指數(shù)定義為脫附力和黏附力之比,其中顆粒所受脫附力為表觀重力、流體靜壓力和離心力,黏附力主要為毛細力。NGUYEN在此基礎(chǔ)上進一步考慮了氣泡大小對顆粒氣泡間相互作用力的影響,通過求解重力與壓力耦合的Young-Laplace 方程推導(dǎo)出顆粒-氣泡脫附概率()模型為

式中,σ 為表面張力;θ 為平衡接觸角或前進接觸角;Δρ 為顆粒與礦漿間的密度差;g 為重力加速度。

近年來,隨著國內(nèi)外學(xué)者對顆粒-氣泡礦化氣絮體在紊流渦中運動行為認識的不斷加深,重點對顆粒所受離心加速度(bm)計算公式進行了不同形式的修正。GOEL 和JAMESON將顆粒在紊流渦中的旋轉(zhuǎn)半徑調(diào)整為氣泡半徑,假設(shè)黏附的顆粒在與氣泡同等大小的各向同性紊流渦中勻速旋轉(zhuǎn)。NGO-CONG 和NGUYEN結(jié)合顆粒運動慣性和流體黏滯效應(yīng),將顆粒所受離心加速度分為法向和切向兩個分量,全面研究了紊流拉應(yīng)力和切應(yīng)力對顆粒脫附的影響。NGO-CONG等進一步采用Basset-Boussing-Oseen方程描述氣絮體中顆粒加速度,推導(dǎo)出新的紊流機械加速度計算模型,該模型考慮了由顆粒密度引起的慣性效應(yīng)的影響。從力學(xué)角度分析顆粒-氣泡的相互作用力,可以對顆粒-氣泡發(fā)生脫附進行簡單判斷,但顆粒從氣泡上脫附是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程,僅僅從力學(xué)角度判斷是不夠全面的。

顆粒-氣泡間能量分析是描述氣絮體穩(wěn)定性的另一重要方法,能量的可疊加性避免了對顆粒-氣泡間的復(fù)雜受力分析,適用于復(fù)雜紊流結(jié)構(gòu)下顆粒-氣泡脫附行為定性判斷。YOON 和MAO在1996 年建立的基于能量平衡的脫附概率模型(式(2))反映了脫附概率與動能、黏附功和能量勢壘之間的關(guān)系,當脫附動能大于黏附功和能量勢壘時顆粒與氣泡發(fā)生脫附。其中,為黏附功,為能量勢壘,為顆粒從氣泡表面脫附的動能。

WANG 等則通過試驗發(fā)現(xiàn)上述脫附概率模型過高地估計了礦漿紊流對顆粒動能的影響,忽略了脫附過程中氣泡變形所需要的能量和顆粒的慣性,導(dǎo)致計算出的顆粒脫附概率隨紊流耗散率急劇增加。丁世豪從熱力學(xué)角度提出了一種基于能量分析的顆粒-氣泡間穩(wěn)定性評判方法。從受力角度來看,顆粒發(fā)生脫附一方面要求外力大于顆粒-氣泡間最大黏附力,另一方面還需外力作用足夠的時間保證氣液固三相潤濕周邊完成滑動收縮;從能量角度來看,顆粒-氣泡間不受外力時可看作是一個處于平衡狀態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng),當外力做功小于脫附能時顆粒-氣泡間通過氣-液、液-固和氣-固界面面積的變化維持穩(wěn)定,但當外力做功大于脫附能時顆粒與氣泡分離。

近年來,高速動態(tài)攝像與CFD 數(shù)值模擬極大助力了顆粒-氣泡紊流離心脫附機制研究。WANG等設(shè)計了可以產(chǎn)生不同紊流渦結(jié)構(gòu)的微流體通道,通過使用高速動態(tài)攝像機成功捕捉到顆粒-氣泡在紊流渦中的離心脫附過程,試驗發(fā)現(xiàn)與紊流的影響相比其他脫附力幾乎可以忽略不計,SCHULZE的離心脫附假說得到了首次驗證。與此同時,WANG等發(fā)現(xiàn)礦漿相中由氣泡兼并和紊流震蕩如顆粒-氣泡不規(guī)則的加減速運動也會誘發(fā)顆粒-氣泡脫附。即礦漿相中的脫附受到紊流震蕩、離心運動、氣泡兼并和氣絮體不規(guī)則運動等多因素協(xié)同影響。在脫附過程中,顆粒與氣泡間作用力發(fā)生著動態(tài)變化,特別是動態(tài)毛細力的演化規(guī)律與顆粒氣泡所受流體的Basset力需要在后續(xù)研究過程中加以考慮。

2 粗顆粒浮選過程強化技術(shù)

2.1 粗顆粒浮選過程強化裝備

2.1.1 CLF 粗粒浮選機

機械攪拌式浮選機是浮選工藝中應(yīng)用最廣泛的分選設(shè)備,粗顆粒在常規(guī)機械攪拌式浮選機中不易與氣泡黏附且極易脫落,無法獲得較好的分選效果。優(yōu)化傳統(tǒng)機械攪拌式浮選機結(jié)構(gòu)使其適用于粗顆粒浮選已成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。

國內(nèi)外學(xué)者采用降低浮選槽的深度和增大浮選充氣量等措施改善粗粒礦物的回收效果。粗粒浮選機研制主要聚焦于對傳統(tǒng)浮選機定子、葉輪、穩(wěn)流板及槽深等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,構(gòu)建適合于粗顆粒浮選的流體動力學(xué)環(huán)境。礦冶科技集團有限公司研制了CLF 粗顆粒充氣機械攪拌式浮選機,該機的特點是:采用獨特的葉輪定子結(jié)構(gòu)和全新的礦漿循環(huán)方式,較低的葉輪轉(zhuǎn)速攪拌能力弱,但是紊流度小且礦漿循環(huán)量大,粗顆粒礦物可懸浮在槽子中部區(qū),而返回葉輪的循環(huán)礦漿濃度低、粒度細,提升粗顆粒浮選效率的同時兼顧細顆粒的浮選,且葉輪和定子的磨損減輕,功耗低;槽內(nèi)建立了上升礦流,有助于粗粒礦物的礦化氣泡上浮,減少了粗粒礦物與氣泡之間的脫附力;格子板造成的懸浮層使粗粒礦物懸浮在格子板上,可減少槽內(nèi)紊流,有利于粗粒浮選。

CLF 型浮選機廣泛應(yīng)用于有色金屬的粗粒浮選回收,在不降低中、細粒級回收率的基礎(chǔ)上,顯著提高了+0.15 mm 和+0.45 mm 粒級的回收率,有效擴大了浮選作業(yè)的粒度范圍。張躍軍等以來自加拿大魁北克的鈦鐵礦為礦樣,在實驗室開展了25 L CLF 浮選機對粗顆粒鈦鐵礦浮選工藝適應(yīng)性研究,礦樣密度4.3 g/cm,+300 μm 粒級占76%,與常規(guī)浮選機相比,25 L CLF 浮選機對粗顆粒鈦鐵礦浮選工藝適應(yīng)性更強,在指標相當?shù)臈l件下,浮選濃度上限可提高7 個百分點。此外,CLF 浮選機針對非常規(guī)粒級、大比重礦物浮選,如銅爐渣,鋅爐渣,氰化渣,粗顆粒磷,黃鐵礦,石英砂,鋰云母礦和石墨礦等多種礦物也有較好的浮選效果。廣西金川120 萬t/a 銅冶煉爐渣選礦廠的入料原料為閃速熔煉爐爐渣,給礦粒度-45 μm 占80%,浮選濃度30%～35%,選礦廠采用CLF-40 型浮選機,回收率可達87%以上,每年可從銅冶煉廢渣中多回收近2 萬t 銅金屬。但是CLF 浮選機仍采用機械攪拌來維持顆粒的懸浮,葉輪附近區(qū)域仍存在著較強的紊流環(huán)境,僅依靠設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化無法從根本上調(diào)和粗顆粒懸浮及礦化氣泡穩(wěn)定性間的矛盾。

2.1.2 流態(tài)化浮選技術(shù)

流態(tài)化浮選是近年來出現(xiàn)的一種新型浮選技術(shù),利用流態(tài)化床層耦合浮選過程實現(xiàn)粗粒礦物的有效回收。眾所周知,傳統(tǒng)液固流化床廣泛應(yīng)用于粗煤泥分選,其利用顆粒間的不同沉降末速實現(xiàn)有用礦物與脈石礦物的分離。然而因不同組分間密度差異小,液固流化床很難用于有色金屬礦物的粗顆粒分選。但液固流化床的分選原理對強化粗顆粒浮選回收仍有較強的指導(dǎo)和借鑒意義,通過液固流化床減小浮選流場的局部能量耗散率在理論上是可行的,據(jù)此原型技術(shù)提出的氣液固三相流化床浮選機,與傳統(tǒng)浮選機相比可以節(jié)能4/5。2010 年,澳大利亞Jameson 教授設(shè)計了實驗室流態(tài)化設(shè)備NovaCell 浮選柱,其工作原理如圖1 所示,該設(shè)備由浮選柱體、泡沫槽、尾礦出口、中礦循環(huán)管路、礦氣混合裝置組成。槽體的分選區(qū)域主要由泡沫區(qū)、分離區(qū)和流態(tài)化區(qū)組成,礦氣混合裝置中基于水力空化原理實現(xiàn)顆粒和空氣高度剪切碰撞,實現(xiàn)了細粒級的高紊流礦化及粗顆粒低紊流回收的有機結(jié)合。NovaCell 浮選柱極大提升了浮選粒度上限,回收了直徑為1 mm 的方鉛礦顆粒,而對于密度較低的顆粒,如石英和煤,浮選上限分別提高到至少2 mm 和5.6 mm。由圖2 可以看出,在機械攪拌式浮選機中方鉛礦的最大可浮粒徑在150 μm 左右;使用流態(tài)化浮選時其最大可浮粒徑可達850 μm 左右。

圖1 NovaCell 浮選柱工作原理

圖2 NovaCell 浮選柱與機械攪拌式浮選機浮選結(jié)果對比

美國Eriez 公司基于流態(tài)化理念開發(fā)了另外一種粗粒浮選裝備—水力浮選機(HydroFloat),其直接用氣水兩相流替代原有的干擾床流化水,回收粒度上限可達6 mm,設(shè)備示意如圖3 所示。與NovaCell 浮選柱的不同之處主要在于HydroFloat 水力浮選機中上升的流態(tài)化水不斷溢出,生成的泡沫層較薄。水力浮選機強化粗顆粒浮選的機理可以概括為以下幾點:

圖3 HydroFloat 水力浮選機示意

(1)碰撞、黏附概率增大。流態(tài)化浮選中的干涉沉降大大降低了顆粒和氣泡之間速度差,降低的速度差將增加氣泡顆粒間的接觸時間,從而提高碰撞、黏附概率,提高粗顆粒的浮選回收率;

(2)脫附概率低。流態(tài)化浮選中的上升水流可以在無劇烈機械攪拌的情況下使顆粒保持分散和懸浮狀態(tài),紊流度的減小降低了高強度紊流造成的脫附。且水力浮選機的泡沫層較薄,穿越相界面和氣泡兼并造成的脫附減少;

(3)浮力限制減小。在傳統(tǒng)粗顆粒浮選機中,浮力是推動顆粒-氣泡氣絮體上浮的唯一動力,因此固定尺寸的顆粒在浮選環(huán)境中所受的浮力有限。流態(tài)化浮選中氣泡的引入,有效降低了被氣泡附著的顆粒-氣泡結(jié)合體的視密度,與普通的浮選設(shè)備相比,低密度顆粒被提升入精礦聚集區(qū)不需要很大的浮力。

2001年,KOHMUENCH等比較了HydroFloat與傳統(tǒng)浮選機對-3 mm 磷礦的回收能力,HydroFloat 水力浮選機的有用礦物回收率接近95%,而常規(guī)浮選機僅為79%。FOSU等比較了HydroFloat 水力浮選機與丹佛浮選槽對連生結(jié)構(gòu)復(fù)合顆粒的回收能力,圖4(a)為HydroFloat 水力浮選機和丹佛槽對于簡單連生結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆?；厥招Ч?隨著粒徑增大,HydroFloat 水力浮選機的浮選性能略優(yōu)于丹佛浮選槽,丹佛浮選槽中最粗粒級(425～600 μm)的最高回收率為72%,然而,對于相同粒級,HydroFloat 水力浮選機將回收率提高到80%。圖4(b)為丹佛槽中具有復(fù)雜連生結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆?；厥章蔬h遠低于Hydro-Float 中所有粒級的回收率,丹佛槽對于425～600 μm的最高回收率約為16%,HydroFloat 的回收率為82%。結(jié)果表明,在HydroFloat 水力浮選機中不同連生結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒的回收率均得到了提高,復(fù)雜和簡單連生顆粒的回收率幾乎相同。

圖4 流態(tài)化浮選與傳統(tǒng)浮選對于簡單連生及復(fù)雜連生閃鋅礦的回收率對比

紐卡斯爾大學(xué)設(shè)計的回流浮選機(Reflux Flotation Cell,簡稱RFC)是一種新的流態(tài)化浮選設(shè)備,對不同粒級的顆粒均表現(xiàn)出較好的分選效果。RFC本質(zhì)是一個倒置的流化床,結(jié)構(gòu)如圖5 所示,主要由3 部分組成:下降管、逆向流化床和傾斜管道。下降管中的噴射器可以通過入料流量提供的高剪切速率在下降管中形成細密氣泡,下降管中產(chǎn)生的紊流增大了顆粒氣泡的碰撞概率。氣泡隨礦漿從下降管排出進入傾斜管道與尾礦流分離,上升的氣泡將進入逆向流化床,RFC 頂部添加的清洗水流化上升的氣泡并消除了傳統(tǒng)的泡沫層,減少了粗顆粒穿越相界面造成的脫附。傾斜管道增強了氣泡與礦漿相的分離,減少礦化氣絮體的損失。RFC 通過傾斜管道和流化床的結(jié)合成功實現(xiàn)了回流機制,傾斜管道中分離的氣泡分為兩股流,一股氣泡流繼續(xù)上升至流化床,而另一股氣泡流由于下降管和沖洗水向下流動,在流化床下部和傾斜管道之間再循環(huán),這種回流有助于進一步回收有用礦物。RFC 分選粒度上限可達350 μm,已在煤炭浮選中得到初步應(yīng)用。

圖5 回流浮選機示意及實驗室RFC 裝置示意

綜上所述,目前對于氣液固三相流態(tài)化浮選機理的研究仍尚不深入,更多集中在宏觀參數(shù)對于浮選效果的影響,未來粗顆粒流態(tài)化浮選技術(shù)應(yīng)主要從3 個方面討論:低紊流高相含率的浮選環(huán)境下濃相分選機理的深入研究,濃向大型流態(tài)化智能裝備的開發(fā)以及流態(tài)化浮選技術(shù)引入后整個選廠工藝流程的變革。

2.2 強力浮選藥劑

捕收劑、起泡劑及調(diào)整劑等浮選藥劑對于浮選顆粒、氣泡性質(zhì)及其相互作用具有顯著影響,通過強力浮選藥劑提升粗顆粒浮選效率是提高浮選粒度上限的必要手段,成為國內(nèi)外的研究重點之一。

添加捕收劑是改善粗顆粒表面疏水性的最常用手段之一,捕收劑用量及藥劑分子結(jié)構(gòu)均對粗粒浮選速率有顯著影響,增大捕收劑用量及采用長分子鏈捕收劑更有利于粗顆粒浮選。RAO 等通過試驗研究了黃藥鏈長度對氧化鎳浮選的影響,結(jié)果如圖6所示,隨著所用黃藥分子鏈長度的增加,氧化鎳回收率增加。對結(jié)果分析可得,由于氧化物的天然親水性,需要疏水性更強的捕收劑對其捕收,且黃藥與金屬氧化物的作用較硫化物相比更依賴于靜電作用,而靜電鍵弱于化學(xué)吸附鍵,因此需要更長的烴鏈來形成疏水的穩(wěn)定薄膜,這與觀察到的浮選速率常數(shù)隨鏈長增加而增加的現(xiàn)象一致。FOSU 等在浮選閃鋅礦時發(fā)現(xiàn),隨著捕收劑濃度增大,顆粒的接觸角增大。粗顆粒相比細顆粒需要更大的接觸角來保持顆粒在流體中懸浮并與氣泡形成更加穩(wěn)定的氣絮體,在高濃度捕收劑下形成的氣絮體需要更大的脫附力才能被破壞。即隨著礦物顆粒粒度增大,所需藥劑用量增大。通過起泡劑優(yōu)化氣泡性質(zhì)也可有效提升粗顆粒浮選效率,更小的氣泡直徑及更穩(wěn)定的泡沫能增大顆粒與氣泡的黏附概率、增強氣絮體穩(wěn)定性。EISHALL 等研究了起泡劑類型對粗磷酸鹽浮選過程的作用,結(jié)果表明,起泡劑類型嚴重影響精礦品位和回收率,使用非離子型起泡劑烷基醚硫酸鈉時有更低的溶液表面張力和更好的氣體分散性,在最佳的條件下粗顆粒磷礦物的回收率可以達到96.1%。

圖6 黃藥鏈長對氧化鎳浮選的影響

除使用高效浮選藥劑外,改變加藥方式也是進一步增強粗顆粒浮選的有效途徑。因為粗粒級無法在一次浮選過程中得到有效回收,可以采用多段加藥強化粗粒級回收效果,BANERJEE 等探究了加藥方式對粗顆粒浮選回收率的影響,試驗結(jié)果如圖7 所示,在第一階段使用最佳的捕收劑和起泡劑劑量,在第二階段添加20%-30%的額外藥劑,二段加藥點處產(chǎn)率急劇增加。

圖7 對浮選入料中24.5%和0%超粗粒級的單、二段藥劑添加比較

強力浮選藥劑能夠改善顆粒、氣泡性質(zhì)和浮選溶液環(huán)境,從而在一定程度上降低顆粒脫附概率并提高粗顆粒浮選產(chǎn)率,但浮選藥劑難以從根本上抑制顆粒在極強紊流條件下的脫附,亦無法解決浮力限制問題,藥劑優(yōu)化對粗顆粒浮選效果的改善極為有限,傳統(tǒng)浮選環(huán)境中極強的紊流以及浮力限制問題沒有得到解決。

2.3 粗顆粒浮選過程泡沫相強化技術(shù)

2.3.1 微納米氣泡浮選

氣泡發(fā)生時直徑在數(shù)十微米到數(shù)百納米之間的氣泡稱為微納米氣泡,由于微納米氣泡具有比表面積大,生存周期長等優(yōu)勢,在浮選領(lǐng)域開始受到廣泛關(guān)注。微納米氣泡優(yōu)先在固體表面成核,使原來的固-液界面轉(zhuǎn)變?yōu)闅?液界面,界面間相互作用發(fā)生質(zhì)的改變,能夠促進氣泡的礦化。隨著表面檢測技術(shù)的發(fā)展,通過原子力顯微鏡、電子顯微鏡及光散射等技術(shù),證明了某些固液界面微納米氣泡的存在。

微納米氣泡已被證明可以強化粗顆粒浮選回收率,即強化黏附、抑制脫附。微納米氣泡強化浮選黏附機制主要包括:微納米氣泡的引入促進顆粒-氣泡碰撞黏附過程中的排液;微納米氣泡橋接作用使顆粒-氣泡間出現(xiàn)長程引力,促進顆粒間的團簇作用及顆粒氣泡的黏附,圖8 為微納米氣泡強化顆粒-氣泡黏附示意。DING 等使用顆粒-氣泡振蕩脫附觀測平臺研究了微納米氣泡對顆粒-氣泡分離行為的影響,使用臨界分離振幅評估氣絮體穩(wěn)定性,并使用微納力學(xué)測試系統(tǒng)直接測量有無微納米氣泡時的顆粒-氣泡脫附力,結(jié)果表明存在微納米氣泡時,顆粒-氣泡的臨界分離振幅更大,且顆粒脫附力更大,其作用機理如圖9 所示,浮選體系中的宏觀氣泡與顆粒表面上的微納米氣泡聚結(jié),增加了三相接觸線的釘扎并增大接觸角。即引入微納米氣泡浮選可以提高粗顆粒與氣泡的黏附強度,降低粗顆粒的脫附概率,從而有效提升粗顆粒的浮選回收率。

圖8 微納米氣泡強化顆粒-氣泡黏附示意

圖9 微納米氣泡在增大接觸角中的作用

NAZARI 等通過試驗研究微納米氣泡在粗粒石英顆粒(425～106 μm)浮選中的影響,在浮選體系中存在微納米氣泡時,回收率增加,有無微納米氣泡時的浮選回收率分別是67%和53%。韓峰等對3種粒度的屯蘭煤進行微泡處理,發(fā)現(xiàn)粗粒度煤和中等粒度煤浮選效果顯著提升,500～710 μm 的粗粒度煤可燃體回收率最高可提升13.31%。

2.3.2 泡沫相浮選（SIF）

除了紊流脫附,礦漿-泡沫相界面處也是脫附發(fā)生的一個主要區(qū)域,穿越相界面時礦化氣泡產(chǎn)生的劇烈震蕩及氣泡積聚引起的兼并會產(chǎn)生較強的能量釋放從而引起脫附。為了消除礦漿相界面脫附的不利影響,早在20 世紀70 年代,前蘇聯(lián)科學(xué)家就提出了泡沫相浮選(SIF)的概念。SIF 浮選法是一種截然不同的浮選方法,直接將礦漿給入浮選泡沫層中,疏水顆粒直接接觸泡沫時立即就被回收,脫附或未分選顆粒進入礦漿相進行二次分選。該技術(shù)對于粗顆粒浮選狀況的改善效果顯著,SIF 浮選之所以能提高粗顆粒浮選回收率,可從以下幾個方面進行分析:

(1)礦漿直接給入泡沫層中,碰撞概率接近于1;礦物顆粒和氣泡之間的相對速度較常規(guī)浮選小得多,增加了礦粒和氣泡的黏附概率;泡沫相浮選的紊流度較常規(guī)浮選小,也有效避免了礦漿相界面脫附行為,脫附概率大大減小。

(2)泡沫相浮選可以看作泡沫浮選與常規(guī)浮選的有效結(jié)合,顆粒先在泡沫相中實現(xiàn)一次分選,然后部分脫附或未分選的顆粒進入礦漿相中繼續(xù)進行二次分選,因此浮選效率較高。

ATA 等搭建了如圖10 所示的實驗裝置探究SIF 對粗顆粒的回收效果,入料由攪拌桶中的細粒級入料和粗選槽的粗粒級入料兩部分組成,細粒級入料給入浮選槽下部的礦漿相中,粗粒級入料給入浮選槽上部的泡沫層中。結(jié)果表明泡沫相分選回收粗顆粒是可行的,100 μm 的顆?？稍谂菽嘀袑崿F(xiàn)高達50%的回收率,雖然回收率隨著粒徑增加而減小,但對于200 μm 的顆粒也可實現(xiàn)38%的回收率。凌向陽對比分析了粗粒煤泥的常規(guī)浮選和泡沫相浮選效果,泡沫相浮選的各粒級精煤灰分和可燃體回收率均高于常規(guī)浮選,粗粒級中可燃體回收率增幅遠大于精煤灰分增幅。劉立峰等詳細地論述了泡沫相浮選技術(shù)對粗粒浮選的影響。在實驗室對金剛石、磷灰石、方解石和硅酸鹽礦物進行浮選試驗研究,結(jié)果表明,只要礦物解離充分,上述所有礦物在粒度為-3 mm 時均能成功浮選,且品位和回收率均很高。在分級回路中對粗粒度方解石進行測試,結(jié)果表明,對于0.1～0.5 mm 的粒度范圍內(nèi),SIF 作業(yè)可得到的方解石精礦回收率超過90%。然而,SIF 浮選研究大多停留在實驗室階段,如何有效解決給料礦漿對泡沫層的機械擾動破壞效應(yīng)是其工業(yè)化應(yīng)用亟須解決的問題。

圖10 泡沫相浮選試驗流程

3 粗顆粒浮選過程強化總結(jié)與展望

改善粗顆粒浮選效果,對減少碎磨壓力、節(jié)能降耗有重要的意義,而且為尾礦的資源化利用提供了新思路。強紊流環(huán)境下的脫附是粗顆粒浮選回收率低的根本原因,更多研究是通過高效粗顆粒浮選裝備的開發(fā)來實現(xiàn)紊流效應(yīng)的降低,如礦冶科技集團有限公司研制的CLF 粗粒浮選機和美國Eriez 公司設(shè)計的水力浮選機。除此之外,還通過強力浮選藥劑和其他手段——如微納米氣泡浮選和SIF 法來強化粗顆粒浮選過程。

流態(tài)化浮選將是未來粗顆粒浮選技術(shù)的重點發(fā)展方向,但是目前對于氣固液三相流態(tài)化浮選的研究集中在宏觀參數(shù)對于浮選效果的影響,對氣固液三相流態(tài)化浮選機理的研究尚未深入,未來粗顆粒浮選技術(shù)的研究應(yīng)主要從3 個方面展開:(1)與傳統(tǒng)浮選不同,流態(tài)化浮選顆粒-氣泡礦化理論模型與能量傳遞過程更加復(fù)雜,低紊流高相含率的浮選環(huán)境下濃相分選機理亟待深入研究。(2)與傳統(tǒng)機械攪拌式浮選機相比,流態(tài)化浮選裝備積累經(jīng)驗較少,工藝設(shè)備方面均不完善,濃向大型流態(tài)化智能裝備亟待開發(fā),以擴大流態(tài)化浮選設(shè)備的應(yīng)用范圍,實現(xiàn)更優(yōu)的分選效果。(3)與傳統(tǒng)礦物分選技術(shù)相比,流態(tài)化浮選技術(shù)僅初步實現(xiàn)在磨礦回路中的應(yīng)用,流態(tài)化浮選對其他分選工藝的改進以及引入后整個選廠工藝流程的變革亟待解決。

引用格式

張怡晴, 何琦, 楊陳儀敏,等. 粗顆粒浮選過程強化研究進展及展望[J]. 金屬礦山, 2023(2):67-76.

作者簡介

邢耀文

教授、博士、博士研究生導(dǎo)師，入選國家重大人才工程青年項目、斯坦福大學(xué)全球前2%頂尖科學(xué)家?，F(xiàn)任中國礦業(yè)大學(xué)煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室副主任、國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心副主任。主要從事非常規(guī)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)分離過程強化、煤系關(guān)鍵金屬分離提取研究，先后主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金、企業(yè)重大科技攻關(guān)等各類縱橫向科研項目30余項。以第一或通信作者在《Advances in Colloid and Interface Science》《Chemical Engineering Journal》《Journal of Colloid and Interface Science》《Minerals Engineering》《煤炭學(xué)報》等國內(nèi)外期刊上發(fā)表SCI、EI收錄論文100余篇，其中ESI熱點論文1篇、高被引論文5篇；獲得國內(nèi)外發(fā)明專利授權(quán)90余項。研究成果入選Science：2020年中國高?？蒲惺笸黄菩猿晒平?，獲教育部科技進步一等獎、河南省科技進步一等獎、江蘇省高校自然科學(xué)一等獎、中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎、中國煤炭工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎、孫越崎青年科技獎、綠色礦山青年科技獎等多項科技獎勵。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：楊 婷

編排：戴穎熠

審核：王小兵

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