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浮选过程中的泡沫夹带研究进展 李洪强 1 郑惠方 1 戈武 1 翁孝卿 1 宋少先 2 肖林波 3 (1. 武汉工程大学兴发矿业学院, 湖北 武汉 430073; 2. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430070; 3. 湖北三宁化工股份有限公司, 湖北 枝江 443206) 摘要细粒矿物浮选过程中, 亲水的脉石矿物泡沫夹带进入精矿中, 导致精矿品位降低。揭示泡沫排液及排 脉石过程中的相关理论, 可以为浮选泡沫结构及泡沫夹带行为的研究提供理论基础。浮选过程中的脉石泡沫夹带 是一种普遍现象, 脉石夹带回收率与精矿水回收率呈线性关系; 两相泡沫排液受重力、 毛细作用力 (表面张力) 、 黏滞 力控制, 不同含液率的两相泡沫排液遵循不同的排液公式; 三相泡沫的排脉石过程遵循对流扩散模型, 脉石的夹 带回收率受三相泡沫排液速率及脉石颗粒浓度分布控制。浮选操作条件、 亲水脉石的特性、 矿浆特性以及泡沫结构 是影响泡沫夹带的主要因素; 优化浮选操作条件, 改变浮选流程结构和改变药剂制度可以有效降低脉石的泡沫夹 带, 提高浮选选择性。未来, 还需开发表征浮选三相泡沫特征的方法、 装置或仪器, 三相泡沫的结构及形态、 疏水矿 物颗粒与亲水脉石颗粒在泡沫中的运动路径及分布规律、 浮选三相泡沫排液及排脉石的数学模型还需要进一步的 细致研究。另外, 降低脉石泡沫夹带的技术对于部分浮选体系虽有一定效果, 但脉石的泡沫夹带尚难以消除, 须开 发一些革命性的技术。 关键词泡沫夹带影响因素两相泡沫三相泡沫 中图分类号TD923文献标志码A文章编号1001-1250 (2018) -12-067-06 DOI10.19614/ki.jsks.201812012 A Review of Froth Entrainment in Flotation Process Li Hongqiang1Zheng Huifang1Ge Wu1Weng Xiaoqing1Song Shaoxian2Xiao Linbo32 (1. Xingfa School of Mining Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China; 2. College of Resource and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3. Hubei Sanning Chemical Co. Ltd, Zhijiang 443206, China) AbstractIn the process of fine mineral flotation, hydrophilic gangue minerals report into concentrate by froth entrain- ment, which leads to the decrease of concentrate grade. To reveal the theories of water drainage and gangue particles drainage will provide theoretical basis for the research of foam structure and foam entrainment behavior in flotation. The froth entrain- ment of gangue is a common phenomenon in the process of flotation. There is a liner relationship between recovery of gangue entrainment and recovery of concentrate water. Two-phase foam drainage is controlled by gravity, capillary force(surface ten- sion)and viscous force. The water drainage of two-phase foam with different liquid content follows different drainage ula. The drainage of gangue particles of three-phase foam follows the convection-diffusion model; the entrainment recovery rate of gangue is controlled by the water drainage and the concentration distribution of gangue particles. Flotation operation condi- tions, hydrophilic gangue characteristics, slurry characteristics and foam structure are the main factors affecting foam entrain- ment. Optimization of flotation operation conditions,change of flotation flow sheet and reagent scheme can effectively reduce the foam entrainment of gangue and improve flotation selectivity. In the future, it is necessary to develop s, devices or instruments to characterize three-phase flotation froth. The structure and morphology of three-phase froth, the movement path and distribution law of hydrophobic mineral particles and hydrophilic gangue particles in the froth, the mathematical model of water drainage and gangue drainage in three-phase flotation froth also need to be detailed studied. In addition,although the technologies developed could effectively reduce the foam entrainment of gangue,it is still difficult to eliminate the froth en- 收稿日期2018-10-25 基金项目国家自然科学基金青年基金项目 (编号 51504176) , 湖北省技术创新专项重大项目 (编号 2017ACA187) , 湖北省大学生创新创业训练 计划项目 (编号 201710490023) , 武汉工程大学科学研究基金项目 (编号 K201728) 。 作者简介李洪强 (1985) , 男, 博士, 硕士研究生导师。通讯作者翁孝卿 (1985) , 女, 讲师, 博士。 总第 510 期 2018 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 510 December 2018 矿物工程 67 ChaoXing 李洪强等 浮选过程中的泡沫夹带研究进展2018年第12期 m/s;εl为泡沫含液率; n为幂指数。 Pal和Masliyah同样基于漂移通量理论, 研究了 带泡沫冲洗水浮选柱类的两相泡沫的排液方程 [11], Jd VT εgexp2.4-2.5εg.(3) 式中,εg为泡沫含气率。 Stevenson通过无量纲分析, 认为排液速率可以 用式 (4) 表示, Jd ρgr2 b μ mεln(4) 式中, ρ为液体密度, kg/m3; μ为液体动态黏度, mPa s; rb为气泡几何平均半径, m; m、 n为与表面活性剂种 类及浓度有关的可调参数; g为重力加速度, 取9.8 m/s2。 泡沫的排液影响精矿的水回收率, Neethling等 [12] 研究了流动的泡沫柱的水回收率理论计算公式, 以 流过泡沫堰未破灭的气泡占表面总气泡的百分数α 为边界条件。 当α<1/2, J1 AColumnv2 gλ k1 1-αα,(5) 当α≥1/2, J1 AColumnv2 gλ 4k1 ,(6) 其中, k1 ρg 3Cpbμ .(7) 式中, J1为泡沫柱液体流量; m3/h; AColumn为泡沫柱的横 截面积, m2; λ为平台区长度, m; vg为气体的流速, m/s; Cpb为平台区黏性阻力系数。 虽然上述的研究并没有考虑矿物颗粒及其他浮 选药剂对泡沫排液的影响, 但这些理论研究对理解 矿化泡沫的排液过程至关重要。 3三相泡沫的排液及排脉石过程 由式 (1) 可知, 亲水脉石的泡沫夹带回收率与脉 石夹带率及精矿泡沫水回收率相关。浮选三相泡沫 的排液过程决定精矿泡沫的含液率, 进而决定浮选 精矿的水回收率。浮选三相泡沫的排脉石过程决定 精矿泡沫中微细粒脉石的含量, 进而决定微细粒脉 石的夹带率。浮选过程中三相泡沫的主要作用是将 有用矿物颗粒在最小损失的情况下向上携带进入精 矿, 同时, 排除非选择性地进入泡沫的脉石。因而, 浮选三相泡沫的含液率及含脉石量将严重影响精矿 的回收率及品位 [10]。 1975年, Cutting研究团队 [10]对三相泡沫的排液 及排脉石过程进行了大量的研究, 他们应用自制浮 选柱模拟浮选过程中的泡沫行为, 观察到了2种明显 的排质方式 ①膜排质, 即水和固体颗粒从气泡周围 排出; ②柱排质, 即沿垂直向物质浓度的快速降低。 1981年, Cutting等 [13]又提出了第3种排质机理俯 冲排质, 即固体颗粒在泡沫表面聚集形成大块或孤 岛, 当下层的泡沫无法支撑位于其上层的泡沫时便 迅速下沉进入矿浆, 这种机理在大型的浮选槽中才 能见到。 为了开发浮选过程中的自动控制技术, 很多研 究者开展了大量的工作, 研究脉石夹带进入精矿的 模型。大量的研究发现, 浮选中脉石的夹带速率与 水回收速率具有相关性 [14]。Kirjavainen[15]给出了一 个经验公式, 认为脉石的夹带速率是水回收速率、 颗 粒密度、 矿浆黏度及颗粒形状因子的函数。Stevenson 等 [16]认为, 脉石的夹带过程分为2个子过程 ①由于 液体在泡沫中传输而导致的颗粒对流; ②泡沫内颗 粒的分散。并由此提出了浮选过程中脉石夹带的对 流扩散模型。充气泡沫从浮选柱排出的流量符合 下式 Jl εlJg 1-εl - ρgr2 b μ mεn l .(8) 泡沫中固体颗粒浓度分布符合下式 cxmin[εlφexp[-1 D JB εl Vsh],εlφ]. (9) 固体颗粒的回收速率则为 Rgmin[J max l φexp[-1 D JB εl Vsh],J max l φ]. (10) 式中,J max l 为泡沫顶部液体的表观流速, m/s; h为泡沫 层的高度, m;φ为矿浆中的颗粒浓度, ; D为轴向分 散系数; Vs为固体颗粒沉降速度, m/s; JB为液体的偏 速度, m/s; Jg为表观气速, m/h。 轴向分散系数D分2种方式求解 当颗粒粒度小 于5 m, 其受重力作用下的干涉沉降可以忽略, 符合 以下关系, D rbJd 2.84S -1 3 k .(11) 式中, Sk为无量纲的斯特克斯数。 当颗粒粒度大于5 m, 其受重力作用下的干涉 沉降不能忽略, 颗粒的轴向分散系数D符合下面的关 系 D rbJdεlVs 2.84■ ■ ■■ ■ ■ ■■ μJdεlVs ρgr2 b -1 3 .(12) 4影响泡沫夹带的因素 决定泡沫夹带的主要因素包括浮选操作条件、 69 ChaoXing 金属矿山2018年第12期总第510期 亲水脉石特性、 矿浆特性以及泡沫结构 [10]。 浮选操作条件包括充气速率、 泡沫层高度、 矿浆 浓度、 给矿速率、 给矿品位等。Engelbrecht和Wood- burn [17]研究了充气速率及泡沫层高度对浮选的影响, 提高充气速率导致高的脉石夹带。Ekmekci等 [18]研 究表明, 通过提高泡沫层高度, 可提高泡沫的排脉石 效率, 从而将精矿中杂质Cr2O3含量降低到3以下。 TUTEJA 等[19]研究了捕集区高度 (相当于泡沫层高 度) 、 表观气速、 表观给矿速度、 给矿品位等对浮选泡 沫夹带的影响。Szatkowski [20]研究了操作因素对煤浮 选的影响, 小气泡、 低气流速度及厚的泡沫层有利于 降低精矿中的灰分含量。 亲水脉石特性包括 颗粒粒度、 颗粒形状、 颗粒 密度、 颗粒的亲疏水性等。Kirjavainen [15]曾以绢云母 和石英为研究对象, 在无疏水矿物存在的条件下, 研 究发现亲水脉石矿物的夹带受颗粒的质量及形状控 制, 牛顿流体中夹带率e符合如下规律 e w0.7 w0.7bψμ -0.5ψm0.5ψ-0.4 ,(13) 式中, w为水回收速率, kg/ (m2 s) ; m为颗粒质量, g; μ 为矿浆黏度, mPa s; ψ为动态形状因子; b为常数, 取 0.006 94。 脉石矿物的粒度接近胶体粒级时, 其排液速度 可以忽略, 其夹带率主要受颗粒粒径所控制, 夹带率 e 接近 1。对于颗粒状的石英, 其形状因子取值为 1.25; 而片状的绢云母, 其形状因子取值高达9.4。 矿浆特性包括矿浆的物理特性及化学特性, 他 们均通过影响泡沫结构或稳定性来影响泡沫夹带行 为, 进而影响浮选指标。矿浆浓度越高, 进入单位泡 沫液膜中脉石颗粒的量越大, 夹带越严重 [21]。矿浆 特性显著地影响脉石夹带回收率, Sheni在铂族金属 浮选中发现, 矿浆电位、 pH、 溶氧量及离子强度均会 影响浮选泡沫稳定性, 矿浆电位对脉石的泡沫夹带 影响最大 [22]。王渤等研究发现盐水中脉石的泡沫夹 带更严重 [23]。 泡沫结构主要指泡沫形态学方面的特性, 包括 气泡大小, 泡沫含液率, 泡沫均一性等。事实上, 影 响泡沫结构的因素很多, 主要包括 ①起泡剂的种类 及用量 [24]; ②脉石矿物颗粒尺寸及形状; ③捕收剂种 类及用量; ④矿浆中阳离子组成; ⑤脉石矿物的絮凝 等。脉石夹带与泡沫结构的一般原则 泡沫中水含 量越高, 脉石夹带越严重。Hemmings [25]研究发现, 泡 沫的液膜厚度是控制夹带的关键因素, 现实中, 泡沫 液膜厚度在几十至几百微米之间变化。形成稳定的 泡沫是取得好的浮选指标的关键。Ekmekci [18]研究 了2类起泡剂, 其中一类以Dow200为代表, 泡沫结构 紧凑、 稳定性好, 精矿回收率较理想; 另一类以TEB 为代表, 形成的泡沫性脆, 精矿中杂质铬铁矿回收率 较低, 精矿品位并没有相应提高, 这主要是由于泡沫 稳定性差, 无法提供稳定的泡沫层来保证脉石的排 除。 5降低脉石泡沫夹带的技术 针对浮选操作条件、 亲水脉石的特性、 矿浆特性 以及泡沫结构等决定夹带的因素, 研究学者们开展 了大量的工作, 试图降低浮选过程中脉石的泡沫夹 带。 优化浮选操作因素, 可有效降低脉石夹带。利 用柱浮选技术, 通过增大浮选泡沫层厚度及添加泡 沫冲洗水实现浮选泡沫的逆流洗涤, 可强化泡沫的 排脉石性能, 进而提高浮选选择性 [26]; 低的表观气 速, 能有效降低脉石矿物的夹带, 但精矿的回收率也 会相应降低 [27]; 在低的浮选矿浆浓度及高的捕收剂 用量下, 脉石矿物夹带得以缓解, 可获得较高选择性 的产物 [28]。由于脉石矿物夹带回收率与浮选精矿的 水回收率呈线性关系, Akdemir等试图通过提高疏水 矿物的浮选速率以降低精矿的水回收率, 从而降低 脉石矿物的夹带 [2]。为了降低脉石夹带, 振动泡沫 区 [29]等方法同样被尝试过, Mulleneers 等在浮选槽中 添加了一个逆流沉降区, 其目的主要是创造条件使 脉石从精矿泡沫中排出。 通过改变药剂制度也可有效控制脉石的夹带。 起泡剂对泡沫的排脉石性能影响很大, Ekmekci等选 择合适的起泡剂对浮选泡沫稳定性及排脉石性能进 行调控, 实现了精矿中杂质Cr2O3的含量降低到3以 下 [30]。Mcfadzean等利用混合起泡剂 (PPGs与MIBC 用量比为4 ∶ 1) 改变浮选泡沫的结构, 发现混合起泡 剂形成的泡沫更稳定, 有价组分回收率更高, 同时泡 沫中亲水脉石含量更低, 夹带更弱, 精矿品位也显著 提高 [31]。添加药剂增大亲水脉石的粒径将有利于降 低脉石因泡沫夹带进入精矿的量, 包括无机抑制 剂, 如ZnSO4, 有机高分子聚合物, 如羧甲基纤维素 钠 (CMC) 、 古尔胶、 淀粉及聚环氧乙烷 (PEO) 等, 都 曾经被使用过 [4, 27, 32-33], 这些药剂都在一定程度上可 以增大脉石矿物的粒度, 降低石英等脉石的泡沫夹 带。李洪强等通过添加聚合氯化铝降低了隐晶质石 墨浮选过程中绢云母脉石的夹带 [34]。 Purcell通过改变浮选流程结构, 使用饥饿加药的 方式先获得一部分高固定碳含量的精矿Ⅰ; 而尾矿 则通过继续加药扫选, 以满足回收率的要求, 扫选精 矿可进行精选, 以获得合格的精矿Ⅱ。这一流程在 70 ChaoXing [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] 煤泥浮选工业中被广泛应用 [35]。Li等利用阶段磨矿 阶段浮选的流程, 降低了隐晶质石墨浮选过程中 绢云母等脉石的泡沫夹带, 取得了比一段磨矿浮选 更好的指标 [36]。 6结论及展望 (1) 浮选过程中普遍存在脉石矿物的泡沫夹带 现象, 微细粒矿石浮选中泡沫夹带尤为严重, 泡沫夹 带会降低微细粒嵌布矿物浮选的选择性。基于气液 两相和气液固三相体系, 研究泡沫排液及排脉石过 程中的相关理论, 为理解浮选泡沫结构及泡沫夹带 行为提供了理论基础。浮选操作条件、 亲水脉石的 特性、 矿浆特性以及泡沫结构是影响泡沫夹带的主 要因素; 优化浮选操作条件, 改变浮选流程结构和改 变药剂制度可以有效降低脉石的泡沫夹带, 提高浮 选选择性。 (2) 浮选三相泡沫的结构及形态是浮选泡沫夹 带方面的研究重点, 包括表征浮选三相泡沫的方法、 装置或仪器的开发, 揭示三相泡沫形态的基本原理, 以及三相泡沫排液行为及数学表达, 疏水矿物颗粒 与亲水脉石颗粒在泡沫中的运动路径及分布规律。 尽管不少研究者揭示了影响浮选精矿的水回收率及 夹带率的因素, 但这些因素如何影响三相泡沫的结 构、 排液行为及排脉石行为, 还需要进一步开展细致 工作。已开发的降低脉石泡沫夹带的技术对于部分 浮选体系有一定效果, 但脉石的泡沫夹带尚难以消 除, 须开发一些革命性的技术。 参 考 文 献 Kirjavainen V M. 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