水力空化在氧化锌矿浮选中的应用研究.pdf

2 0 1 5 年第2 期有色金属 选矿部分 2 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．1 6 7 l 一9 4 9 2 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 7 水力空化在氧化锌矿浮选中的应用研究 胡勇，张国范，石睛，徐会华，吴柏君 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要采用自主设计的水力空化循环装置处理氧化锌矿浆后进行浮选，研究了浮选条件对有、无空化处理的氧化 锌矿浮选回收率的影响，结果表明水力空化能大大提高氧化锌矿的回收率。在此基础上，研究了空化时间、空化管结构、 充气量等因素对空化处理氧化锌矿回收率的影响，并对空化泡提高浮选回收率的基本原理进行分析和讨论。 关键词水力空化；空化泡；氧化锌矿；浮选；空化数 中图分类号T D 9 2 3 ．9 ；T D 9 5 2 ．3文献标志码A文章编号1 6 7 l 一9 4 9 2 2 0 1 5 0 2 0 0 2 5 _ 0 5 T h eA p p Ⅱ船t i 伽o fH y d r o d y n 舢l l i cC a V i t a 6 彻i nt h eF l o t a 廿伽o fZ i n cO 菇d eO 胛 丑UY r o 叼，Z 五阴2 ＼陋G u 咖n ，s ⅡrQ z 叼，j m 日l ‘讯啪．，W UB 咙如n h o o fo 厂施n e 础m c e s s i 叼n n dB t D e n 讲n e e 订叼，C e n t 捌s o t ￡饥U h i D e r S { 国，‰n 泸№ 4 ID I 蝎3 。C h f n n A b s t r a c t Ac i I ℃u l a t i o nd e v i c eo fh y d r o d y n a m i cc a t i v a t i o nw h i c hw a sd e s i g n e di n d e p e n d e n t l yw a s u s e df o rt h ep r e p r o c e s s i n go fz i n co x i d ep u l pb e f o r en o t a t i o ni nt h i sp 印e r ．E f f e c t so fn o t a t i o nf 如t o r so n r e c o v e r yo f z i n co x i d ep u l pw i t ha n dw i t h o u tb e i n gp r e p r o c e s s e db y h y d r o d y n a I l l i cc a t i V a t i o n w e r es t u d i e d a n dr e s u l t ss h o w e dt h a th y d r o d y n 砌i cc a t i V a t i o ng r e a t l yi m p m V e dt h er e c o V e r yo f z i n co x i d eo r e ．O nt h i s f o u n d a t i o n ， e n I e c t so fc a t i v a t i o nt i m e ，s t l l l c t u r e so fc a t i v a t i o nt u b ea n di n n a t i n gv o l u m eo nr e c o V e r yo fz i n c o x i d eo r ew e r e i n v e s t i g a t e d ．F i n a l l y ， t h eb a s i c p r i n c i p l e t h a tc a t i V a t i o nb u b b l e sc a na s s i s ti n i m p r o V i n g r e c o v e r yw a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d ． K e yw o r d s h y d r o d y n a I I l i cc a v i t a t i o n ；c a v i t a t i o nb u b b l e s ；z i n co x i d eo r e ；f l o t a t i o n ；c a v i t a t i o nn u r r I b e r 随着矿产资源的不断开发利用，富矿和易处理 的矿石资源日趋减少，如何高效利用品位低、嵌布 粒度细的复杂矿石已经成为我们面l 临的挑战。为了 获得充分的单体解离，这些矿石加工处理过程中常 常需要细磨；但是，随着粒度的减小，过粉碎的矿 物颗粒由于质量变小和比表面积增大等而变得难以 浮选回收【l _ 3 ] 。在有色金属资源中，由于易于处理 的金属硫化矿资源逐渐消耗，难处理的金属氧化矿 资源已经越来越受到重视。针对如何提高微细粒级 矿物的浮选回收问题，国内外研究机构做了大量工 作，其主要手段包括增大微细粒级矿物的表观粒径 和减小气泡尺寸等[ 1 ，引。 在近年的研究中，国外的研究者发现纳米气泡 有助于微细粒矿物的浮选，并对纳米气泡在矿物 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 4 2 2 9 收稿日期2 0 1 4 - 0 l 0 9修回日期2 0 1 5 0 1 一1 4 作者简介胡勇 1 9 8 9 一 ，男，湖南长沙人，硕士研究生。 浮选中的影响和作用进行了一些探索研究，他们发 现空化作用形成的纳米气泡使矿物的浮选回收率 有显著提高[ 川。国内对纳米气泡应用于选矿的研 究则处于起步阶段，如陶有俊等人研究了纳米气泡 提高细粒煤的浮选效果[ 8 ] ，关于纳米气泡能否提高 微细粒金属氧化矿的可浮性，纳米气泡在复杂微细 粒氧化矿浮选体系中的影响等的研究尚未涉及。现 有的研究对于纳米气泡的形成机理尚未形成统一认 识，目前应用领域中认为纳米气泡的形成主要有两 种方法 1 通过水力空化产生纳米气泡； 2 利用 超声波辐射诱导超声空化作用，形成纳米气泡[ 引。 水力空化现象是由流动的液体经某一收缩装置 如 文丘里管 而产生的，当压力降至某一临界压强 蒸气压 以下时，溶解在流体中的气体会释放出 万方数据 2 6 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第2 期 来产生大量的空化泡。空化气泡一般是指直径为几 百个纳米至几十个微米之间的微气泡阻1 0 ] ，包括 纳米气泡和微米级的气泡，后者也可能是由前者兼 并而成。 为了研究水力空化作用能否提高微细粒金属氧 化矿的可浮性，以氧化锌矿作为试验矿样。本研究 结合自主设计组装的水力空化装置来浮选氧化锌 矿，探索了浮选条件和空化条件对微细粒氧化锌矿 回收率的影响，并阐述空化作用的基本原理。 1 试验 1 ．1 设备 试验采用自主设计的水力空化装置，如图1 所 示，其中包括耐腐耐磨泵、静态混合器、空化管、 空压机。此装置通过矿浆循环经过静态混合器和空 化管产生水力空化效应而形成空化泡。 图1空化循环以及空化管结构图 F i g ．1 C a V i t a t i o nc y c l ea n ds t l l l c t u r eo fc a V i t a t i o n t u b e 1 ．2 试验方法 1 把6 0 0g 矿样磨好后倒入搅拌桶，加入4L 水搅拌3I I l i n ，再加入N a 2 C O ， 分析纯 将p H 调 至9 左右并调浆3I I l i n ，然后加人捕收剂油酸 工业 纯 搅拌8m i n ，使其与氧化锌矿物充分作用。 2 打开阀1 和阀2 ，搅拌桶停止搅拌，然后打 开泵，矿浆在泵的作用下流经空化管，并在主管路 中形成循环，在一定时间内矿浆多次流经空化管发 生空化作用。 3 矿浆空化一定时间后先关闭阀2 再关闭泵， 使矿浆全部流人搅拌桶中，然后打开阀3 使矿浆流 人浮选机开始进行浮选，浮选刮泡时间为8I I l i n 。 4 浮选后产物进行烘干称重，记录并计算相 关的数据。为更简单的讨论空化作用效果，本文将 矿物浮选产率计为氧化锌回收率。 为了更有效的体现水力空化作用在浮选中的效 果，缩短浮选工艺流程，本试验采用脂肪酸法浮选 氧化锌矿。 以下如无特别说明，试验条件为捕收剂油酸 1 6 6 趴，p H9 ．0 ，磨矿时间1 0I I l i n ，磨矿浓度为 5 8 ．8 2 ％。空化管条件收缩段长度2 0m m ，试验 段长度1 0m m ，扩散段长度为5 0m m ，试验段直 径为4 ．5m m 。空化时间为3m i n ，空化循环中阀 门全开矿浆流量2 4 6 ．3 8m 从，空化后立刻进行浮 选。若有充气条件，充气量为0 ．6U m i n 。 1 ．3 试验样品 试验所用的氧化锌矿样取自陕西。矿样经过 x R F 测得的部分元素组成如表1 所示。 表1试样多元素分析结果 仉l b l elM u l t 沁l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t so fs a m p l e／％ 元素 0z nF eC a M g s S i m 含量4 2 ．o o2 0 ．6 01 9 ．9 69 ．9 62 ．1 91 ．7 11 ．3 90 ．8 0 2 结果与讨论 2 ．1 浮选条件试验 图2 为矿浆未经空化、经过空化以及充气空化 后浮选的回收率与捕收剂油酸用量的关系。由图2 可知，在三种条件下，氧化锌的回收率都随着油酸 用量增加而增加，说明加大油酸的用量能使氧化锌 表面疏水且能使空化泡在矿浆中更加稳定；当氧化 锌经过空化后，相对于未经过空化回收率增加7 ％一 1 2 ％，如在捕收剂用量为2 0 0 鼽时，氧化锌的回 收率由1 8 ％左右增至将近3 0 ％；在充气条件下， 矿浆中气体含量增加，使得空化作用更加剧烈，进 一步提高了氧化锌回收率。图3 为浮选时间与浮选 回收率的关系曲线，其中空化作用后，浮选速率得 到明显的提升，充气空化条件下浮选速率得到进一 步升高。空化作用能改善氧化锌矿的浮选效果，其 原因是空化作用在矿浆中产生了大量的空化气泡， 一方面提高了与微细粒颗粒的碰撞和附着的概率， 另外空化作用还可能在矿物颗粒表面产生纳米气 泡，使疏水的颗粒相互凝聚瞰] ，促进了氧化锌回 收率以及浮选速率的提高。 表2 为氧化锌在不同磨矿时间下的磨矿细度， 图4 为磨矿时间与浮选回收率的关系曲线，随着磨 矿时间的增加，两条曲线浮选回收率都呈先升高后 基本不变的趋势。然而空化作用使得微细粒氧化锌 万方数据 2 0 1 5 年第2 期胡勇等水力空化在氧化锌矿浮选中的应用研究 2 7 8 【 l H Jl2 【Jl 舢 1 6 【 l 斟 2 L U2 川2 4 U2 6 U 油酸用量／ g f “ 图2 不同油酸用量条件下空化条件对浮选效果的 影响 F i g ．2 E 旧F e c t so fc a v i t a t i o no nr e c o v e r ya td i n ’e r e n t o l e i ca c i dd o s a g e 零 、 料 娶 回 浮选时问／m m 图3不同浮选时间条件下空化对浮选回收率的影响 F i g ．3 E 虢c t so fc a v i t a t i o no nr e c o V e r ya t d i 归f e r e n tn o t a t i o nt i m e 的回收率明显高于没有空化作用的回收率。这说明 水力空化循环确实产生了大量的空化气泡且对微细 粒氧化锌的回收率提高有显著作用。 表2磨矿细度 T a b l e2 G r i n d i n gf i n e n e s s 些巴垒量丝竺 i 垫墅丝 i i 磨矿时间／n i “ 图4 不同磨矿时间下空化作用对浮选回收率的影响 F i g ．4 E 伍e c t so fc a V i t a t i o no nr e c o V e r ya td i ￡f e r e n t 面n d i n gt i m e 2 ．2 空化条件试验 图5 是空化作用后矿浆搁置时间与矿物回收率 的关系曲线。随着矿浆搁置时间的延长，浮选回收 率明显降低。这主要是因为空化循环装置形成的气 泡直径包括纳米级到几百个微米级多个等级，搁置 时间的延长使微细气泡的兼并以及粒级较大的气泡 膨胀破裂，从而使得浮选效果变差。 矿浆搁萱时J 删／m m 图5 空化矿浆搁置时间对浮选回收率的影响 F i g ．5 E f f e c t so fc a V i t a t i o no nr e c o V e r ya t d i f r e r e n tp u l pp l a c e m e n tt i m e 图6 为空化循环时间与氧化锌浮选回收率的关 系曲线，油酸对氧化锌的捕收的回收率随着空化时 间的增加而增加，说明增加空化作用的时间有助于 对氧化锌的浮选，其原因可能是空化的时间越长由 空化作用产生空化气泡的数量越多，因而促进了对 微细粒氧化锌的浮选，证明空化气泡产生具有一定 的调控性，通过对空化时间长短的控制来达到对空 化气泡产生的数量进行一定的控制，空化时间与空 化气泡产生的数量呈正相关。 空化时问／m i n 图6 空化时间对浮选回收率的影响 F i g ．6 E f f e c t so fc a V i t a t i o nt i m eo nr e c o V e r y 图7 为空化循环中矿浆流速与浮选回收率的关 系曲线，试验中采用控制阀门开口度大小的方法来 控制矿浆流速，开口度越大流速越大。由图7 可 知，随着矿浆流速 阀1 开口度 的增加，精矿回 收率先降低后提高。矿浆流速较小时，阀门开口度 较小，可能是因为阀门本身产生了一定的空化作 用，使得矿浆中有一定量的空化气泡起到提高矿物 回收率的作用，此时精矿回收率为2 6 ．0 8 ％。随着 弘乾勰斟加m坦8 4 O 堡蝌娶日 拍弛勰抖加m他0 4 0 万方数据 2 8 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第2 期 堡 褂 娶 国 矿浆流速／ n ，L s 。1 图7 矿浆流速对浮选回收率的影响 F i g ．7 E 珏e c t so fs l u n yn o wV e l o c i t yo nr e c o V e r y 矿浆流速增加，阀门本身的空化效应减小，从而精 矿回收率降低。当阀1 开口较大，矿浆流速超过 2 2 0m 弘时，精矿回收率明显得到提高，至阀门 全开，回收率达到最大。这表明了矿浆流速对空化 作用的发生以及剧烈程度都有重要的影响。 图8 、图9 、图1 0 均为空化管结构对氧化锌回 收率以及浮选速率的影响。 图8 为空化管试验段直径与氧化锌浮选回收率 的关系曲线，当试验段长度为1 0m m ，扩散段长 度为5 0m m ，喉部直径d 增大时，矿浆流在空化 管试验段的流速降低，氧化锌矿的回收率降低，浮 选速率减小，说明试验段直径的增大会使空化作用减 弱，不利于空化泡的产生，导致氧化锌回收率降低。 誉 、 褂 擎 回 浮选时间，m i n 图8 不同浮选时间条件下空化管试验段直径对浮 选回收率的影响 F i g ．8 E 艉c t so ft e s t i n gs e c t i o nd i a m e t e ro f c a v i t a t i o nt u b eo nr e c o v e r ya td i f I ．e r e n tn o t a t i o nt i m e 图9 为空化管试验段长度与氧化锌浮选回收率 的关系曲线，试验段直径为4 ．5m m ，扩散段长度 为5 0 咖，试验段长度增加时，氧化锌的回收率 降低，浮选速率降低，说明试验段长度的增大会使 空化作用减弱，不利于空化泡的产生，导致氧化锌 矿回收率降低。 图1 0 为空化管扩散段长度与氧化锌浮选回收 率的关系曲线，当试验段长度为1 0 咖，试验段 浮选时间／“n 图9 不同浮选时间条件下空化管试验段长度对浮 选回收率的影响 F i g ．9 E f | f e c t so ft e s t i n gs e c t i o nl e n g t ho fc a v i t a t i o n t u b eo nr e c o v e r ya td i f 玷r e n tn o t a t i o nt i m e 直径为4 ．5m m ，扩散段长度增大时，氧化锌回收 率升高，浮选速率加快，说明空化管扩散段长度的增 大会使空化作用加强，有利于空化泡的产生。 冰 ＼ 瓣 擎 回 浮选时阳] ／m i n 图1 0 不同浮选时间条件下空化管扩散段长度对 浮选回收率的影响 F i g ．10 E f 玷c t so fd i f f u s i n gs e c t i o nl e n g t ho f c a v i t a t i o nt u b eo nr e c o v e r ya td i f 玷r e n t f 】o t a t i o nt j m e 2 ．3 空化作用的讨论 2 ．3 ．1空化气泡对碰撞概率和矿物可浮性的影响 碰撞、附着和脱落这3 个阶段决定泡沫分选能 否有效发生。浮选过程中气泡和疏水性颗粒的大小 都对上述3 种方式和矿化有重要的影响。近几十年 来的浮选理论研究发现，颗粒和气泡的碰撞概率P 与颗粒和气泡的直径比相关[ 1 - - 挖] 。其表达式为 P 。c D 。／D a “ 1 式中D 。为矿粒直径；D 。为气泡直径；n 一 般为2 。 由公式 1 可知，当D 。一定时，P 随D 。的 减小而呈平方次提高。空化作用过程中形成了大量 的不同直径的气泡，其中与微细粒矿物粒级相近的 气泡易于与矿物颗粒形成有效碰撞。而纳米级气泡 改善矿物可浮性的原因主要有1 纳米气泡可以 万方数据 2 0 1 5 年第2 期胡勇等水力空化在氧化锌矿浮选中的应用研究 2 9 起到“气桥”的作用，增强颗粒间的相互作用力， 有利于微细颗粒的疏水聚集；2 纳米气泡吸附于 矿物颗粒表面，增大了矿物表面接触角，从而增强 了矿物可浮性。所以，空化作用产生的空化气泡是 提高氧化锌浮选效率的有效措施。 2 ．3 ．2 空化数与空化机理 空化数是描述空化的状态和程度的一个重要参 数[ 1 5 | ，其定义为 一P - 只 庐帝 2 式中P 为流动系统中的参考压强 绝对压 力，空化管下游的恢复压力 ；只为某一温度下液 体的饱和蒸气压强；p 为液体密度；t ，是试验段的 平均流速。 空化数可以用来衡量空化强度。空化数越小则 越易发生空化，空化程度越强。空化管试验段是空 化水流的限流区域，起到增速降压的作用。试验段 直径大小影响空化流场的流速和压强分布，以及湍 流强度。由公式 2 可知，试验段直径增大时，喉 部限流区流速减小，空化数增大。空化数越大，越 不容易发生空化，产生的空化泡也较少，因而对氧 化锌的回收率产生不良影响。 通过阀l 控制矿浆流速，矿浆流速增大，秽增 大，空化数减小，空化作用越明显；空化管试验段 直径的增大，导致秽减小，空化数增大，空化作用 减弱；空化管试验段长度的增大和扩散段长度的减 小都有可能导致扩散段内流体发生流动分离现象， 不利于水力空化作用的产生[ 1 4 ] 。 若将公式 2 中只改为空穴中气体压力足，则 有广义的空化数定义式为 庐器 3 由公式 3 可知，在充气条件下，R 将增大， 空化数减小，空化作用变剧烈，这也是在充气条件 下口较低就可以产生空化作用的原因。 3 结论 1 捕收剂用量、浮选时间和磨矿时间对有、 无空化处理的氧化锌浮选的影响较为一致，在相 同的浮选条件下，水力空化能大大提高氧化锌的回 收率。 2 空化时间的增加促进了空化气泡数量的增 加，有利于浮选回收率的提高；矿浆流速、空化管 试验段和扩散段的长度、空化管试验段的直径及充 气空化等因素都对氧化锌的浮选回收率有重要影响。 3 空化气泡易与矿物颗粒形成有效碰撞，是 提高氧化锌浮选效率的有效措施；空化作用的强度 可用空化数表示，空化数越小，氧化锌浮选回收 率越高。 参考文献 [ 1 ] M i e t t i f I e nT ，R a l s t o nJ ，F o m 鹊i e mD ．T h el i m i t so f f i n e p a r t i c l en o t a t i o n 【JJ ．M i n e r a l sE n 舀n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 2 3 5 4 2 0 4 3 7 ． [ 2 ] C h i p f u I l l l uD ，z a r I i nM ，G 舢oS ．n o 枷o nb e h a v i o ro f f i n ep a n i c l e s 访t l lr e s p e c tt oc o n t a c t 明d e [ J ] ．c h e I I l i c a l E n g i I l e e r i n gR e s e a r c h 粕dD e s i g I l ，2 0 1 2 ，9 0 1 2 “3 2 ． [ 3 ] N g u y e nAV 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