疏水性微细矿粒在水中的沉降速度.pdf

2 0 0 4 年第2 期 有色金属 选矿部分3 3 疏水性微细矿粒在水中的沉降速度 文书明，汪伦，周丽j 郭杰 昆明理工大学，昆明，6 5 0 0 9 3 摘要微细矿粒表面性质对其在水中的沉降有重要的影响，通过理论分析与计算，得出了包古表面性质因素 的颗粒沉降的介质阻力公式和沉降末速公式。试验测定了疏水前后的单颗粒和粒群在水中的沉降速度。结果表明， 矿粒表面疏水化后，在水中的自由沉降速度和干涉沉降速度均上升，这与理论分析结果相一致。 关奠词微细矿粒；疏水性；沉降速度 中图分类号1 1 3 9 2 2 文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 0 4 0 2 0 0 3 3 0 4 矿粒在水中的沉降运动是选矿的基础，早在2 0 世纪中期里亚申柯就对矿粒在水中的沉降运动规律 进行了深入的研究，这些理论与试验成果大大推动 了选矿技术的发展，已形成了经典的选矿理论体系。 随着现代选矿技术的发展，浮选的应用越来越广泛， 矿粒表面的性质受到人为的调节与改变，不仅使得 很多难以分离的矿物通过浮选实现了有效分离，而 且也使过程中的产品浓缩、脱水、过滤等发生了很大 的变化。在使用浮重、浮磁联合流程的选矿厂中，矿 粒表面性质的改变，也对后来的重磁过程产生了影 响，所以研究表面疏水性对矿粒沉降运动的影响，对 整个选矿理论的发展和工艺技术的改进具有重要的 理论价值。 经典的沉降理论没有考虑矿粒表面性质的影 响，应用于现代选矿中已经出现了一些误差，这主要 是因为微细颗粒在水中的沉降，表面性质的影响已 不可忽略。微流边界层理论⋯1 将这种影响归结于 固体表面分子对水分子的引力作用，并指出固体表 面微流边界层内的水的黏度不同于自由水的黏度， 离表面的距离越近，水的黏度越高；固体表面分子对 水分子的引力越大，水的黏度越高；固体表面边界层 内的水流黏度随离开固壁的距离的增加按指数方式 下降，直至等于自由水的黏度。本文以此为基础，研 究微细矿粒在水中的沉降速度，目的在于探索表面 性质对颗粒沉降规律的影响。 1 疏水性微细矿粒在水中的阻力 在不考虑表面性质的情况下，微细颗粒在水中 的阻力由斯托克斯公式给定，即 R 2 3 砟碹F 1 对于疏水性颗粒，表面性质的影响已不可忽略， 根据微流边界层理论的研究结果，颗粒表面微细流 体的黏度受表面性质的影响，其平均黏度⋯为 互2 岛 丽可专而 2 式中面一颗粒表面微层水的平均黏度； ≯一固体表面对水分子的引力系数； H 一固体表面微层水的厚度； a 一固体表面吸附非滑移层的厚度； n 一大于1 小于6 的指数。 由此可得疏水性矿粒在水中的阻力为 R 3 F 厅如2 3 ，r d v [ F o 丽气商] 3 2 疏水性矿粒在水中的沉降末速公式 当疏水性微细矿粒在水中自由沉降时，作用于 颗粒上的力有重力、水的浮力和水的阻力，分别为 G 警p gF 荐 警。g R2 3 7 r d s v [ ／a o - t 一面F 钿J 当颗粒沉降达到末速时，有 G F 浮～R 0 ，即 警B g 一警P g 一3 咖‰ 万‰] _ 0 丁B g 一丁一j 删鳓L 雎十茜百i j 了而J u ％ 瓦搿筋‰1j 4 “。 1 8 [ 卢。 ≠／d ，“一1 n 一 ] 、吖 式中m P 分别为矿粒和水的密度；d ，为矿粒 的体积当量直径。 基金项目云南省自然科学基金资助项目 2 0 0 2 E 0 0 2 3 M 器霎盆荠；雯骘面} { 鑫 ，男，贵州绥用人，资源工程学院教授，博士。 万方数据 3 4 有色金属 选矿鄯分2 0 0 4 年第2 期 由 4 式可知，微细矿粒在水中的自由沉降末速不仅 决定于矿粒和水的性质，而且还受矿粒与水之间相 互作用的影响。 对于亲水性矿粒，表面极性强，固体表面对水分子 的引力大，即≠值大，由 4 式可知，矿粒的自由沉降速 度小。对于疏水性矿粒，表面极性弱，固体表面对水分 子的引力小，即≠值小，矿粒自由沉降的速度变大。 3 疏水性矿粒在水中的沉降速度测定 与分析 3 ．1 ．1 试料和试验方法 用于测定沉降速度的矿粒为人工手选的方铅矿 和黄铁矿。方铅矿和黄铁矿的表面疏水化药剂为丁 基钠黄药。矿粒表面的疏水化在5 0 m l 烧杯中进行， 先加水4 0 m l ，再添加黄药配成0 ．0 5 ％的浓度，将矿 粒放入烧杯中，搅拌5 m i n ，再将矿粒取出放人直径 5 0 m m 、高7 5 0 m m 玻璃管的水中，测定其沉降的时 问，算出矿粒的平均沉降速度。 3 ．1 ．2 微细矿粒在水中的沉降速度测定结果讨论 方铅矿和黄铁矿颗粒在水中的自由沉降速度测 3 ．1 单颗粒疏水性矿粒在水中的沉降速度测定结果定结果分别列入表1 和表2 中。 表1方铅矿颗粒在水中的自由沉降速度 T a b1 T h ef r e es e t t l i p 4 jv e l o c i t yo fg a l e n af i n ep a r t i c l e si nw a t e r 试验结果表明，不论是方铅矿，还是黄铁矿，在 水中的沉降速度均受表面疏水性的影响。表面疏水 化后，沉降速度加快。 3 ．2 粒群在水中的沉降速度测定结果与讨论 当沉降过程中颗粒的固体容积浓度大于3 ％ 时，颗粒之间的相互影响将使沉降速度变慢，此时的 沉降速度与容积浓度之间的关系为 口 口o 1 一A ” 5 式中。。为单颗粒矿粒的自由沉降末速；A 为容积浓 度；m 为指数。 对 5 式两边取对数可得 l g v Ⅲt g 1 一 l g v 0 6 由 6 式可知，k 口与l g 1 一A 为直线关系。 3 ．2I 试料及试验方法 试料 试料使用人工手选的石英和钛铁矿颗粒，固体 表面疏水性药剂为混合胺和油酸，石英密度2 ．6 5 g ／e r a 3 、粒度一0 ．3 0 ．2 m m ，钛铁矿密度4 ．7 2 g ／c m 3 、粒度为一0 ．3 0 ．2 m m 。 试验方法 本试验采用里亚申柯的干涉沉降速度测定方 法- 2 J ，将一组粒度和密度均一的固体矿粒置于上升 水流中，当粒群从整体上看位于空间某一固定位置 时，根据相对性概念，将水在横断面面积上的上升流 速看成是粒群中任一颗粒的干涉沉降速度。试验开 始前将矿粒群浸泡3 0 m i n ，每次试验待水压稳定，悬 浮界面清晰时记录并测量流量。试验完成后，将矿 粒倒出，用疏水药剂配置的水溶液处理，石英的疏水 药剂用混合胺，钛铁矿的疏水药剂用油酸。颗粒表 面与药剂作用一定时间后，将颗粒与药剂溶液一起 转移到试验测试玻璃管中，整个过程确保颗粒不与 空气接触，确保颗粒与药剂作用后不发生团聚。 如图1 所示，在直径为5 0 m m 的垂直玻璃管下 边接一个带有切向给水管的涡流管，水流在回旋中 上升，可以较均匀地分布于管内横截面上。在玻璃 管的下部有一筛网，颗粒群放置于筛网上。玻璃管 侧面有一测压管，用于测定管内压强。从管的下部 给水，粒群在水流冲击下在管内上升悬浮。对应于 一定的给水量，粒群上升悬浮的高度有一定值，测量 由上部溢流槽流出的水量Q ，根据悬浮管的面积A 万方数据 2 0 0 4 年第2 期文书明等疏水性微细矿粒在水中的沉降速度3 5 可以得出管内净断面的流速‰为要的影响。 旷等 7 该水流上升速度等于颗粒在此容积浓度下的干 涉沉降速度w 。 一j f c 图1 干涉沉降试验装置 H g1 T h eh i n d e r e ds 毗} i r 】gr a t ee c p e 曲m t a ld e v i c e 1 一玻璃管；2 一旋流管；3 一切向给水管；4 ～测压支管； 5 一溢流管；6 一筛网 3 ．2 ．2 试验结果分析讨论 图2 为石英和钛铁矿粒群在水中的干涉沉降试 验结果。由图可知，无论对石英还是对钛铁矿，干涉 沉降速度的对数与松散度的对数基本保持直线关 系，这说明式 6 是正确的。对于石英颗粒，疏水前 后的直线斜率相等，为4 ．0 2 0 8 。但疏水前后的截距 发生了变化，即疏水前颗粒的自由沉降末速为2 ．2 7 7 e m ／s ，而疏水后变为2 ．4 1 1 c m ／s ，说明石英表面疏水 性的提高使其自由沉降速度加快。对于钛铁矿颗 粒，疏水前后的直线斜率也相等，为3 ．4 8 5 4 。但疏 水前的口。为3 ．6 3 5 e m ／s ，疏水后的⋯o 增加为3 ．8 6 0 c m ／s 。这也说明钛铁矿表面疏水后，颗粒自由沉降 末速加快。 以上试验结果与前面的理论表达式 4 具有相 同的结论，即颗粒表面疏水后，≠值减小，”o 的值将 增大。这进一步说明表面性质对颗粒的沉降具有重 图2 石英和钛铁矿颗粒疏水前后的干涉沉降速度 F i g2T h eh i n d e r e ds e t t l i l q gr a t eo fh y d r o p h o b i ea n d h y d r o p h i l i cq u a r t za n di l m e n i t ep a r t i c l e si nw a t e r 4 结论 1 ．微细矿粒在水中的自由沉降末速公式为 旷面捌筋‰ 2 ．微细矿粒表面疏水后，在水中的自由沉降末 速增加。 3 ．微细粒级矿粒在水中的干涉沉降速度也受 表面性质的影响，疏水化后的粒群，干涉沉降速度加 快，这是由于疏水性颗粒的自由沉降末速增加所引 起的。 参考文献 [ 1 ] 文书明．微流边界层理论及其应用[ M ] 北京冶金工 业出版社，2 0 0 2 ，1 0 0 1 0 3 ． [ 2 ] 孙玉波重力选矿[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 1 ， 3 7 5 0 万方数据 3 6有色金属 选矿部分2 0 0 4 年第2 期 1 l ⅢS E r Ⅱ．I N GV E I D C ⅡYo FH Y D R O P H O B I CF I N E 队咖C L E SI NW A T E R W E N S h ur u i n g ，W A N G L u n ，Z H O U L i ，G U O J 曲 K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n o A B S T K A C T T h es e t t l i n gv e l o c i t yo ff i n em i n e r a lp a r t i c l e si sa f f e c t e db yi t si n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c ．T h em e d i u mr e s i s t a T r l e ef o r m u l aa n dt h et e r m i n a lv e l o c i t yo fs e t t l i n gc o n t a i n i n gi n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i cf a c t o r sh a v eb e e nd e d u c e d b ya n a l y s i sa n ds t u d y ．T h es e t t l i n gv e l o c i t yo fh y d r o p h o b i ea n dh y d r o p h i l i cs i n g l ep a r t i c l ea n dp a r t i c l e si nw a t e r h a sb e e nd e t e r m i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef r e es e t t l i n gv e l o c i t ya n dt h eh i n d e r e ds e t t l i n gr a t eo ff i n ep a t t i c l e si nw a t e rh a v ei n c r e a s e da f t e rt h em i n e r a ls u r f a c eb e c a m eh y d r o p h o b i c ．T h i si si nk e e p i n gw i t ht h et h e o r y a n a l y s i sr e s u l t s ． K E YW O R D S f i n em i n e r a lp a r t i c l e ；h y d r o p h o b i c ；s e t t l i n gv e l o c i t y 上接第3 9 页】 ⅣI 旺’I F I C A T l 0 NA N DC H A R A C T E R I Z A T I o NO F R E DM U DA C T I V A T E DB YF e C l 3 H A NY i l ．W A N G J i n gg a n 9 1 一，T A N G M i n g s h u 2 1B e i j i n gU n i v e r s i t yo f C h e m i c a lT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 2 9 ，C h i n a 2 ．N a n j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 9 ，C h i n o T h i sp a p e ru s e dr e dm u da st h eI n f l i nm a t e r i a l ，a n dd e v e l o p e dam e t h o dt oa c t i v a t er e dm u db yt h eF e C l 3a s a na b s o r b e n to fC r 6 ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta c t i v a t e dr e dm u dh a sh i g h e ra d s o r p t i v ea b i l i t yo fC r 6 b y 9 6 ．1 8 ％．T h es t r u c t u r eo fr e dm u da n dr a wm a t e r i a la r es t u d i e db yS E M ，X R D ，T G D T Aa n dF T I R ．B e C A ．U s eo ft h ei n c r e a s e dF e 3 ．t h ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t y0 fa c t i v a t e dr e dm u dh a sg r e a t l yi m p r o v e d ． K E YW O R D S r e dm u d ；F e C l 3 ；C r 6 ；m o d i f i c a t i o n ；a d s o r p t i o n 万方数据