矿物浮选过程的耗散结构分析.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 0 6 年1 i 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 5N o ．6 N O V ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 2 2 0 5 矿物浮选过程的耗散结构分析 冯 莉，刘炯天，王永田，宋说讲，王彬果 中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要利用耗散结构理论分析了矿物浮选过程热力学和动力学特征．结果表明，进行浮选的矿 浆体系是一个开放系统，矿浆处于湍流状态，系统的熵较大．随着浮选药剂和空气的不断输入，系 统从环境吸入负熵流，悬浮矿粒与浮选药剂作用，使系统的熵降低，最后稳定在新的有序状态， 形成耗散结构，有利于提高矿物回收率．以回收某镍尾矿为例，由于层流态的浮选柱有效泡沫层 厚，底部的旋流力场赋予颗粒动能，能够容易地克服颗粒与气泡间的能垒，形成耗散结构．与浮选 机相比，利用浮选柱回收的镍尾矿精矿品位提高0 ．2 9o ／4 ，回收率提高3 ．0 2 ％． 关键词浮选；耗散结构；熵；动力学 中图分类号T D9 4文献标识码A A n a l y s i so fD i s s i p a t i v eS t r u c t u r ei nM i n e r a lF l o a t i n gP r o c e s s F E N GL i ，L I UJ i o n g t i a n ，W A N GY o n g t i a n ，S O N GS h u o j i a n g ，W A N GB i n g g u o S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i cs y s t e m si nm i n e r a lf l o a t i n g p r o c e s sw e r ea n a l y z e du s i n gad i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es l u r r y f l o a t i n gp r o c e s si sa no p e ns y s t e m ．W h e nt h es l u r r yi si nt h es t a t eo fo n f l o w ，t h ee n t r o p yv a l u e i sb i g g e r ．T h es y s t e ma b s o r b sm i n u se n t r o p yf l o ww i t ht h ef e e d - i no ff l o t a t i o na g e n ta n da i r ， a n dt h em i n e r a lp a r t i c l e sr e a c tw i t hf l o t a t i o na g e n t ，w h i c hr e s u l ti nt h ed e c r e a s i n go fe n t r o p y v a l u e ．F i n a l l y ，t h es y s t e ms t a b i l i z e si nan e wo r d e rs t a t ea n df o r m sad i s s i p a t i v es t r u c t u r e ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l ye n h a n c et h er e c o v e r ye f f i c i e n c yo fm i n e r a l ．F o re x a m p l e ，w h e nt h ev a l u a b l em e t a l sw e r er e c o v e r e df r o mn i c k e lt a i l i n g su s i n gac y c l o n i cs t a t i cm i c r o - b u b b l ef l o t a t i o nc o l u m n ，t h en i c k e lc o n c e n t r a t i o ng r a d ew a si n c r e a s e db y0 ．2 9 ％a n dt h er e c o v e r yw a si n c r e a s e db y 3 ．0 2 ％c o m p a r e dw i t ht h a tu s i n gaf l o t a t i o nm a c h i n e ．T h ef l o t a t i o nc o l u m nc a nf o r ml a m i n a r f l o wa n dt h i c k e re f f e c t i v ef o a ml a y e r ．T h ec y c l o n i cf o r c ei nt h eb o t t o mo ft h ef l o t a t i o nc o l u m n g i v e st h ep a r t i c l e sk i n e t i ce n e r g yt oo v e r c o m et h ee n e r g yo b s t a c l eb e t w e e np a r t i c l e sa n db u b b l e s a n df o r me a s i l yad i s s i p a t i v es t r u c t u r e ． K e yw o r d s f l o t a t i o n ；d i s s i p a t i v es t r u c t u r e ；e n t r o p y ；d y n a m i c 随着世界经济的迅猛发展及科学技术的飞速 进步，加之高品位、易选矿产资源的逐步枯竭，界面 分选方法已经成为微细颗粒分选的主要手段．而泡 沫浮选是发展历史悠久、分选效率高、应用范围最 广的重要方法，但泡沫浮选过程是一个复杂的物理 化学过程，影响因素是多方面的，诸如原料的矿物 收稿日期2 0 0 6 一0 2 1 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 5 7 4 0 9 2 ；国家杰出青年科学基金项目 5 0 4 2 5 4 1 4 ；中国矿业大学科技基金资助项目 O H 4 5 0 8 作者简介冯莉 1 9 6 6 一 ，女，江苏省徐州市人，副教授，博士研究生，从事矿物材料、纳米材料方面的研究． E - m a i l c u m t h g f l 1 6 3 ．c o r nT e l 0 5 1 6 - 8 3 5 9 1 0 7 0 万方数据 第6 期冯莉等矿物浮选过程的耗散结构分析 7 2 3 组成、化学组成、粒度组成、药剂制度、浮选机的工 作特性、浮选过程的操作因素等．因此模拟一个浮 选过程非常复杂．浮选模型的研究虽然开展时间较 长，但到目前为止，尚没有一个能够较好地概括浮 选的影响因素，在实际应用上比较满意的理论模 型[ 1 ] ．本文把矿浆体系看成是一个与环境有能质交 换和能量耗散，具有非线性动力学机制的热力学系 统，根据P r i g o g i n e 的耗散结构理论分析了浮选过 程热力学和动力学特征，试图为深入认识和研究矿 物泡沫浮选的运动规律探讨一条新途径． 1 矿物浮选过程 矿物浮选过程是利用矿物颗粒润湿性的差异， 依赖疏水矿粒在空气一水界面的有效富集．图1 是 浮选过程的框图，由图1 可见，泡沫浮选主要包括 以下单元过程1 充分搅拌使矿浆处于湍流状 态，以保证矿粒悬浮并以一定动能运动；2 悬浮 矿粒与浮选药剂作用，目的矿物颗粒表面的选择性 疏水化；3 矿浆中气泡的发生及弥散；4 矿粒与 气泡的接触；5 疏水矿粒在气泡上的黏附，矿化 气泡的形成；6 矿化气泡的浮升，精矿泡沫层的 形成及排出． 浮选药剂精矿 水 浮槽 图1浮选过程 F i g ．1 T h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff l o a t i n gp r o c e s s 2 耗散结构及其形成的条件 P r i g o g i n e 认为一个远离平衡的开放系统 主 要是力学的、物理的、化学的、生物的等 ，在外界条 件达到某一个特定阈值时，量变引起质变，系统通 过不断地与外界交换能量和物质，就可能从原有的 无序状态变为一种时间、空间或功能的有序状态． 这种非平衡态下的新的有序结构，就称为耗散结 构‘2 3 1 ． 任何一种新出现的有序总可以看成是某种无 序状态失去稳定性的结果，是在不稳定之后某种涨 落的被放大．当体系远离热力学平衡时，一个无序 的非平衡定态并不像在近平衡条件时那样总有保 证，在某些条件下，体系通过和外界环境不断的交 换能量和物质，以及通过内部的不可逆过程 能量 耗散过程 ，无序态有可能失去稳定性，某些涨落可 被放大，而使体系达到某种有序状态． 根据耗散结构理论，事物的发展过程是一个 不断形成新的耗散结构的过程．耗散结构形成必需 的内外条件为[ 2 ] 1 系统必须开放，与外界进行 物质、能量交换以引入负熵流；2 内部各元素之间 存在非线性协同作用和相干效应；3 系统存在涨 落，在外界参量控制下达到某一临界值，使系统 远离平衡态，形成新的耗散结构． 3 矿物浮选过程的耗散结构分析 进行浮选的矿浆体系是一个不断与外界有能 量和物质交换的开放系统．对于开放系统 d S d i S d 。S ， 1 式中d S 为系统的熵变化；d i S 为系统内部的不可 逆过程所引起的熵的增加，它的值恒为正；d 。S 为 系统与环境交换物质和能量所引起的熵流，它可为 正、负或零[ 4 ] ． 开放系统的熵变方程为 訾一萼 萼， ㈣ d ￡d ￡。d ￡’ ⋯ 当i d S o 时，矿浆系统处于定态；当下d S 0 当矿浆处于湍流状态，以一定动能运动，浮选 药剂刚刚加入，矿浆中气泡生成及弥散，吸附过程 没有开始时，此时式 5 ～ 7 中的线性项起主导作 用，i d S O ，即外界对系统的非平衡约束相对较 弱，系统尚处于稳定状态． 2 妻酽s ≤0 ，艿印 0 矿粒和气泡发生碰撞，矿粒与气泡的间距逐渐 减小，各种表面力开始发生作用．式 5 ～ 7 中的 非线性项上升到与线性项同等重要的地位，此时 譬接近0 ，系统处于临界状态． 3 艿2 s ≤0 ，艿印 0 随着吸附过程的进行，一方面浮矿粒与浮选药 剂作用，目的矿物颗粒表面选择性疏水化；另一方 面疏水矿粒在气泡上黏附，矿化气泡形成；然后矿 化气泡浮升，精矿泡沫层形成及排出．此时系统内 超熵的作用上升到主导地位，改变了熵产率对系统 总熵变率的影响，使i d S O ，形成耗散结构． 4浮选过程的动力学模型 大多数分选过程是在湍流或局部湍流中进行 的，充分利用湍流的分选过程便是浮选，湍流的主 要作用为1 实现矿粒在矿浆中的悬浮；2 实现 充气并使空气均匀弥散为小于2m m 的气泡；3 搅拌充气矿浆，以保证药剂的分散和混和及矿粒与 气泡的碰撞．另一方面，湍流又是破坏矿粒一气泡 联合体的主要因素． 按照浮选作用机理浮选过程可分解为4 个子 过程1 矿粒与气泡碰撞和附着；2 泡沫与矿浆 之间进行物质交换和分配；3 矿粒从气泡上脱落； 4 精矿泡沫排除槽外等．颗粒和气泡发生碰撞后， 只有那些表面疏水的颗粒，并且其黏附强度超过某 一个特定阈值，足以阻止浮选槽内流体动力学的破 坏作用，才能黏附到气泡上．使体系的熵值减小，系 统远离平衡态，形成新的耗散结构． 从上面过程可看出，浮选过程的作用机理非常 复杂，尝试用F r e u n d l i c h [ 7 3 吸附等温式进行解释． 即浮选速度与矿物浓度的行次方成正比 一i d c K c n ， 8 出 ’ 一7 式中C 为矿物浓度；K 为浮选速率常数；咒为反应 级数． 大量研究结果表明[ - 1 3 竹既可为整数，也可为 非整数，竹的大致范围是0 ≤咒≤6 ．根据B u s h e l l 的试验，对于1 7 9 ～25 4 0p m 的矿粒，n 3 ．2 ．随 着粒度的减小，竹值逐渐减小，当粒度小于6 5 弘m 时，I “ 1 1 ．所以，从给料粒度来看，粗粒矿物的n 值 较大，细粒矿物的咒值较小．在建立实用的浮选动 力学模型中，仍采用一级反应[ 1 3 一掌一K c ． 9 一面一 0 9 ’ 积分后，得 三一e _ m ， 1 0 C o 式中c 。为矿物的起始浓度． 实际上，欲浮矿物的回收率很少能达到 l O O ％，如果在长时间浮选后，留在浮选槽内的欲浮 矿物浓度为C 。。，用最大回收率R 。。 C 。一C 。，则式 1 0 经过数学变换后，可以得到以欲浮矿物回收率 表示的浮选速率公式 R R 。。 1 一e 一硷 ． 1 1 浮选过程的速率常数K 值，即颗粒被气泡捕 集的概率，由颗粒与气泡的碰撞、黏附及脱附概率 决定，浮选过程的速率常数K 值可表示为 K P 。P 。 1 一P d ， 1 2 式中P 。为气泡与矿粒的碰撞概率；P 。为气泡与 矿粒的黏附概率；P 。为气泡与矿粒的脱附概率． 颗粒与气泡的碰撞是形成颗粒一气泡集合体的 前提，但碰撞并非一定导致黏着．在二者的距离达 到表面力的作用范围时，进一步的靠拢以及黏着与 万方数据 第6 期冯莉等矿物浮选过程的耗散结构分析 7 2 5 否取决于总作用势能的走向．图2 表示疏水矿粒一 气泡作用势能的可能区域．曲线1 表示双电层静电 作用具有较大正值的情况，此时在一定间距处出现 一能垒；曲线2 表示双电层静电作用变为负值时的 情况．曲线1 及2 包络的区域表示疏水矿粒一气泡 黏着的全部可能范围． 嘉。 鍪 世 小L ／／／／听坝舳’ 图2疏水矿粒一气泡作用势能的可能区域 F i g ．2 T h ep o s s i b l ez o n eo fp o t e n t i a le n e r g yp r o d u c i n g b yh y d r o p h o b i cm i n e r a lp a r t i c l ea n db u b b l e 由图2 可知，最为有利的情形是疏水颗粒一气 泡相互作用完全无能垒，即U 。。。一0 ；而非常不利 的情形是亲水颗粒一气泡相互作用总势能急剧上 升，以致可认为能垒U 。。；是无穷大．泡沫浮选中的 颗粒一气泡体系一般介于2 种极端情况之间，即存 在着一个有限的能垒．为了使颗粒和气泡直接接触 并附着在一起，必须借助流体运动赋予颗粒的动 能，以克服存在的能垒．也就是说，只有那些运动动 能足以克服能垒U 。；的颗粒才能实现与气泡的接 触． 在湍流状态下，浮选过程中颗粒与气泡的黏着 概率Z p ，b 可表示为[ 1 1 Z p ．b P 。P 。一 号兀 ， 口 R 。 R b 3 I I 咒p ‰， 1 3 式中R 。，R “分别为颗粒和气泡的半径；e 为表征 湍流强度的能量耗散率；竹。，‰为颗粒和气泡的浓 度；厂 口 为捕获效率；￡，为流体的运动黏度．， n 反映能垒对颗粒和气泡附着的影响．U 。。， 0 ， ， 口 一1 ，意味着所有颗粒与气泡的接触均导致黏 着．对于亲水颗粒，U 。。。一∞，厂 n 一0 ．U 。。。与 厂 口 的关系为[ 1 ] m ，一訾W 唧[ 一巍m ] e x p 卜鬻wm ] ， 1 4 ， ‘ Lt u 。 DJ L 。 DJ 孑一专 尺， 风 2 詈 ， 1 5 式中m 。为颗粒的密度；W 2 为颗粒与气泡的相对 速度的均方根． 分析式 1 4 可知，碰撞频率与颗粒和气泡的浓 度、粒度、密度及湍流强度有关．颗粒一气泡集合体 形成后，在向上浮升的过程中受到流体运动的破坏 作用．特别在强湍流场中，只要作用于集合体的剪 切及拉伸应力超过颗粒一气泡的黏着强度时，集合 体将破裂．不利于浮选过程． 5 应用实例分析 以回收某镍尾矿为例，采用相同的矿物组成、 药剂制度，比较浮选柱和浮选机的浮选结果．浮选 机实验流程为一粗一扫三精，浮选柱浮选的流程为 一粗一扫一精，做3 次浮选柱分选实验，各个作业 结果加权平均后见表1 ，2 ． 裹1 浮选机分选结果 T a b l e1T h ef l o t a t i o nr e s u l t su s i n gaf l o t a t i o nm c h l n e ％ 3 1 0 扫选 1 1 人料 扫精 扫尾 8 8 ．8 0o ．2 07 7 ．6 0 8 ．o o o ．3 11 0 ．7 8 8 0 ．8 0o ．1 96 6 ．8 2 表2 浮选柱分选结果 T a b l e2T h ef l o t a t i o nr e s u l t su s i n gf l o t a t i o nc o l u m n ％ 比较表1 ，2 可知，浮选柱分选出来的镍精矿的 品位和回收率均高于浮选机．利用浮选柱回收的镍 尾矿的品位为1 ．1 2 ％，回收率为1 6 ．8 4 ％，精矿品 位比浮选机提高了0 ．2 9 ％，回收率提高了3 ．0 2 ％． 应用耗散结构模型和动力学模型分析如下 1 在叶轮周速为6 ～8m ／s 的机械搅拌式浮 选机中，颗粒一气泡集合体的破裂只发生在叶轮区 内．一旦颗粒一气泡集合体离开叶轮区进入浮选区， 万方数据 中国矿业大学学报第3 5 卷 体系远离平衡态，形成耗散结构，它们就可以稳定 上浮，直到进入泡沫层，从而得到较高的欲浮矿物 j C 回收率．而对于层流态的浮选柱，竿较小，容易形 Q ‘ 成耗散结构，因此集合体一旦形成，脱落的概率是 很小的，即P 。一0 ，K 值达到最大值，因此使用浮 选柱得到的精矿的回收率高于浮选机． 2 在相同药剂量的前提下，浮选柱较浮选机 产生的气泡多，产生的有效泡沫层厚度较高，黏着 概率Z 。 较高，浮选速率常数K 值较大，可浮性较 好，回收率较高． 3 在浮选柱中，喷洗水的加入引进负熵流，有 利于形成耗散结构，对泡沫中的非目的矿物起到了 有效的分离作用，能降低精矿中的其它非目的矿物 的含量，而又能使尾矿品位降低，减少镍的损失． 4 浮选柱底部的旋流力场，赋予颗粒动能，以 克服存在的能垒，使颗粒和气泡直接接触并附着在 一起，起到了2 次富集分选作用，降低了脉石等物 质对分选过程的影响． 6 结论 1 进行浮选的矿浆体系是一个开放系统，开 始时矿浆处于湍流状态，系统的混乱度增大，随着 浮选药剂和空气的不断输入，系统从环境吸入负熵 流，同时由于悬浮矿粒与浮选药剂作用，使得系统 的熵降低，有序度不断提高，最后稳定在比平衡 态的熵总值低的新的有序状态，形成耗散结构． 2 从浮选过程的动力学可看出，颗粒和气泡 发生碰撞后，只有那些表面疏水，并且运动动能足 以克服能垒U 。。。的颗粒才能实现与气泡的接触， 使体系的熵值减小，系统远离平衡态，形成新的耗 散结构．耗散结构的形成有利于提高欲浮矿物回收 率，可以通过控制矿物粒度，选择合适的药剂制度 和浮选柱，在浮选过程中掌握正确的操作方法，促 使体系耗散结构的形成，提高矿物浮选回收率． 3 以回收某镍尾矿为例，利用浮选柱回收的 镍尾矿与浮选机相比精矿品位提高了0 ．2 9 ％，回 收率提高了3 ．0 2 ％．其原因是层流态的浮选柱譬 U ‘ 较小，喷洗水的加入引进负熵流，容易形成耗散结 构；浮选柱较浮选机产生的气泡多，有效泡沫层厚， 底部的旋流力场赋予颗粒动能，容易克服存在的能 垒，使颗粒和气泡直接接触并附着在一起，起到了 2 次富集分选作用，提高了分选效率． 参考文献 [ 1 ] 王淀佐，卢寿慈，陈清如，等．矿物加工学E M ] ．徐州 中国矿业大学出版社，2 0 0 3 1 9 8 2 0 9 ，3 1 4 3 2 2 ． [ 2 ] N I C I L I SG ，P R E G O G I N EI ．S e l f - 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z i ．N o n e q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i cm o d e lo ff l u i d i z e db e d s [ J ] ．J o u r h a lo fT s i n g h u aU n i v e r s i t y S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， 1 9 9 8 。3 8 5 1 5 1 8 ． [ 7 ] 傅献彩，沈文霞，姚天扬．物理化学[ M ] ．北京高等 教育出版社，1 9 9 0 3 6 4 3 6 5 ． 责任编辑骆振福 万方数据