曾 培，歐樂明，馮其明，李洪強，張福亞

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，長沙 410083)

在微細(xì)粒礦物浮選過程中，親水的脈石礦物機械夾帶進(jìn)入精礦中，導(dǎo)致精礦品位降低，成為微細(xì)粒礦物浮選過程中的一大難題[1-2]。機械夾帶常分為以下幾種方式：礦泥罩蓋、顆粒連生、泡沫夾帶以及夾雜[3]。其中，泡沫夾帶指的是親水的脈石礦物隨浮選精礦泡沫中氣泡平臺區(qū)及液膜間的水上浮進(jìn)入精礦槽。實際礦物浮選中，普遍存在泡沫夾帶現(xiàn)象。在隱晶質(zhì)石墨礦浮選中，脈石礦物的泡沫夾帶大幅降低浮選的選擇性[4]，在Au-Cu硫化礦[5]、微細(xì)粒閃鋅礦[6]、堿金屬礦石[7]的浮選中，脈石礦物的泡沫夾帶同樣顯著降低精礦的品位。

大量研究表明，親水脈石的泡沫夾帶量與泡沫精礦中水的回收率呈線性關(guān)系[8]。LIVSHITS等[9]和JOWETT[10]是最早研究泡沫夾帶的學(xué)者，結(jié)果表明脈石泡沫夾帶回收率與精礦水回收率呈正比例關(guān)系，所以泡沫水回收率直接影響夾帶程度。MELO等[11]認(rèn)為脈石礦物的無選擇性機械夾帶與精礦中水的回收率密切相關(guān)。GüLER等[12]通過研究天青石礦的浮選及夾 帶行為發(fā)現(xiàn)，增加捕收劑用量、縮短浮選時間可以減小夾帶作用，提高浮選選擇性。盧毅屏等[13]研究表明，礦物顆粒越細(xì)，礦漿濃度越大，泡沫水量越多，脈石的夾帶越嚴(yán)重。

泡沫特性對脈石礦物的泡沫夾帶影響顯著[14]。泡沫特性包括氣泡大小、泡沫含液率和泡沫均一性等。試驗表明，影響泡沫特性的因素很多，包括起泡劑的種類及用量，顆粒尺寸及形狀，捕收劑種類及用量 等[15]。脈石回收率與泡沫特征的一般原則如下：泡沫中水含量越高，脈石夾帶越嚴(yán)重。

目前，對泡沫夾帶的研究工作已取得一定成果，但對于浮選過程中泡沫的微觀結(jié)構(gòu)及其特性對夾帶行為的影響還缺乏細(xì)致研究。因此，本文作者利用泡沫性能測試系統(tǒng)(泡沫柱)，測定了氣泡的直徑、泡沫的靜壓強、泡沫柱表觀溢流速度，通過多項式擬合確定壓強與高度的關(guān)系表達(dá)式，計算出不同高度層泡沫的含液率。研究兩相體系下不同非極性基結(jié)構(gòu)的醇類起泡劑的泡沫特征，為實際礦石浮選時控制脈石礦物的泡沫夾帶和提高精礦品位提供理論參考。

1 實驗

1.1 試驗裝置

泡沫柱工作系統(tǒng)。將半徑為150 mm的2.0 L攪拌槽通過一個錐型的過渡件與直徑為50 mm的玻璃柱相連。下部的攪拌槽由有機玻璃制成，而上部的泡沫柱子由普通石英玻璃制成，可以防止泡沫牢牢粘在內(nèi)壁干擾檢測。利用氮氣作為氣源，氮氣通過砂芯進(jìn)入攪拌槽底部而產(chǎn)生氣泡，通過礦漿循環(huán)裝置使溢流泡沫重新進(jìn)入泡沫柱實現(xiàn)循環(huán)工作。

1.2 試驗方法

1.2.1 表面張力測定

本實驗中選取了兩種烴鏈結(jié)構(gòu)的醇類起泡劑。一種為帶支鏈的醇類起泡劑甲基異丁基甲醇，即MIBC；另一種為八碳的高級脂肪醇及有機含氧化合物BK-201，脂肪醇含量超過60%，其疏水碳鏈較MIBC 更長[16]。當(dāng)氣泡集合在一起形成泡沫，其結(jié)構(gòu)隨著時間延長發(fā)生演變和變形，并產(chǎn)生排液作用[17]。

圖1 泡沫性能測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory equipment arrangement (Unit：mm)

起泡劑溶液表面張力的測定采用法國GBX公司生產(chǎn)的MiniLab ILMS表面張力綜合測試系統(tǒng)。使用Wilhlmy鉑吊片法測定不同起泡劑在不同濃度下的表面張力，每次固定待測溶液體積為30 mL，于玻璃器皿中配置不同濃度的MIBC、BK-201水溶液，重復(fù)測量3次取平均值。

1.2.2 泡沫性能測試

利用泡沫性能測試系統(tǒng)，測定兩相泡沫的靜壓強、氣泡直徑、泡沫柱溢流流量，研究MIBC和BK-201在不同濃度下的泡沫特性，對比兩種起泡劑的夾帶特性。

靜壓強測定。將壓強探測管伸入某一泡沫層高度處，打開氣泵，并調(diào)節(jié)大小，使氣體剛好能平穩(wěn)地冒出探測管管口，讀取壓強計示數(shù)。依據(jù)連通器原理，氣管內(nèi)各處壓強相同，從而測定的壓強即為此高度處的靜壓強。

氣泡直徑的測定。用可上下自由移動的佳能550D數(shù)碼相機拍攝靠近玻璃壁上的氣泡，通過專業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus Version 6.0處理氣泡照片，測量出氣泡的尺寸。

泡沫柱溢流流量。用量筒測量出單位時間內(nèi)泡沫柱頂部的溢流水體積，即可求得泡沫層頂部的溢流流量。

為便于考察起泡劑的濃度對泡沫特征的影響，試驗過程中將泡沫層的厚度固定為0.29 m，充氣量固定在190 L/h。

1.3 兩相泡沫含液率的計算方法

含液率εl是通過泡沫某處的靜壓強計算而來，靜壓強與某處的泡沫含液率計算公式推導(dǎo)如下：對于一個厚度為Δh的泡沫層，在高度h處受到的壓強為p，則h+Δh處受到的壓強為p-Δp，Δp源于厚度為Δh的泡沫層受重力作用而產(chǎn)生的壓強，即

忽略氣泡中空氣的質(zhì)量，則

式中：ρ為泡沫層密度；ε1為含液率；wρ為水密度。

規(guī)定h的方向向上為正，則：

圖2 泡沫柱內(nèi)部泡沫層受力分析 Fig.2 Force analysis of foam layer in foam column

即某泡沫高度處的含液率可以通過對該處的靜壓強求導(dǎo)而得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 起泡劑對溶液表面張力的影響

測定了MIBC、BK-201對溶液表面張力的影響，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，BK-201的表面活性高于MIBC的。根據(jù)降低溶液表面張力能力的大小，可以明顯地觀察出這兩種起泡劑性質(zhì)差異：1) MIBC降低溶液表面張力的能力較弱，且隨著其濃度的增大，表面張力變化很?。?) 隨著起泡劑BK-201濃度的增大，溶液表面張力顯著下降。BK-201中脂肪醇含有較長的支鏈?zhǔn)杷鶊F(tuán)，分子中的粘結(jié)力低，更能降低水的表面張力[18]。

2.2 起泡劑對泡沫特性的影響

2.2.1 起泡劑對氣泡直徑的影響

起泡劑的濃度對氣泡直徑有很大的影響。隨著BK-201和MIBC濃度的提高，溶液表面張力降低(見圖3)，氣泡的液膜強度提高，液相中氣泡間的兼并速率降低，從而有效控制了氣泡直徑的增大[19]。CHO 等[20]的研究表明，每種起泡劑存在一個臨界兼并濃度(cc)，當(dāng)起泡劑的濃度低于cc時，氣泡直徑隨起泡劑濃度的增加而減小；當(dāng)起泡劑濃度超過cc時，氣泡間的兼并將很難發(fā)生，繼續(xù)增加起泡劑濃度，氣泡直徑保持不變[21]。圖4所示為BK-201濃度對氣泡直徑的影響。圖5所示為MIBC濃度對氣泡直徑的影響。由 圖4和5可知，BK-201的臨界兼并濃度為150 mg/L，MIBC的臨界兼并濃度是75 mg/L。

圖3 MIBC與BK-201濃度對溶液表面張力的影響 Fig.3 Effect of MIBC and BK-201 concentrations on solution surface tension

圖4 不同泡沫高度下BK-201濃度對氣泡直徑的影響 Pig. 4 Effect of BK-201 concentration on bubble diameter under different foam heights

圖5 不同泡沫高度下MIBC濃度對氣泡直徑的影響 Pig. 5 Effect of MIBC concentration on bubble diameter under different foam heights

在泡沫隨著上升的氣流而向上運動過程中，泡沫層中自發(fā)進(jìn)行了兩個過程：1) 奧斯特瓦爾德陳化(Ostwald ripening)，即泡沫中氣泡直徑差異產(chǎn)生曲面壓力差，導(dǎo)致氣體從高拉普拉斯壓力的小氣泡中擴散到低拉普拉斯壓力的大氣泡中，大氣泡持續(xù)變大而小氣泡逐漸減小直至消失；2) 氣泡的兼并，即氣泡液膜、泡沫平臺區(qū)及頂點處的液體因重力作用而排液，導(dǎo)致氣泡膜逐漸變薄，當(dāng)氣泡間液膜的含液率低于臨界含液率時，受到外力作用，氣泡膜便發(fā)生破裂，兩個小氣泡兼并為一個大氣泡。以上兩個過程導(dǎo)致氣泡的平均直徑隨停留時間的延長而增大，因而，隨著高度的提高，泡沫停留時間延長，泡沫中氣泡群平均直徑逐漸增大。當(dāng)BK-201濃度為37 mg/L時，氣泡直徑從高處0 m處的0.93 mm增大到高度0.08 m處的1.00 mm；高度0.17m處，氣泡直徑進(jìn)一步增大到1.08 mm，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高點0.29 m處時，氣泡直徑為1.16 mm。

BK-201非極性基的結(jié)構(gòu)與MIBC的不同，BK-201的表面活性強于MIBC的，其所形成的泡沫特征也很不一樣?？梢灾庇^地對比75 mg/L下，MIBC和BK-201在高度h=0 m的泡沫照片，兩種起泡劑產(chǎn)生泡沫的氣泡直徑大小如圖6所示。

與BK-201相比，MIBC所形成的氣泡直徑更小，在相同的藥劑濃度75 mg/L下，在泡沫層高度為0 m處，MIBC的氣泡直徑為0.757 mm，而BK-201的氣泡直徑為0.913 mm。在其他各泡沫層高度下，MIBC的氣泡直徑也明顯小于BK-201的氣泡直徑。氣泡直徑越小，氣泡大小就會越均勻，氣泡會更加緊密的堆積在一起，阻礙泡沫的排液，從而使泡沫含液率更 高[15]。

2.2.2 起泡劑對泡沫含液率的影響

1) BK-201濃度對泡沫含液率的影響

利用數(shù)字式微壓計測定各高度處泡沫的靜壓強，對壓強曲線進(jìn)行二階多項式擬合y=A+B1h+B2h2。式中：A、B1、B2均為參數(shù)。對擬合的曲線一階求導(dǎo)，便可得到泡沫含液率與泡沫高度的關(guān)系函數(shù)。

以BK-201為起泡劑，研究其濃度對泡沫含液率的影響。泡沫靜壓強隨濃度的變化規(guī)律如圖7所示。

由圖7可知，隨著BK-201濃度的提高，泡沫的靜壓強逐步增大，表明泡沫含液率與BK-201的濃度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖6 高度為0時MIBC與BK-201氣泡直徑的比較 Fig.6 Comparison of bubble diameter of MIBC and BK-201 at height of 0：(a) MIBC; (b) BK-201

圖7 不同BK-201濃度下泡沫高度與泡沫靜壓強的關(guān)系 Fig.7 Relationship between foam static pressure and foam height at different BK-201 concentrations

表1所列為不同起泡劑濃度下泡沫靜壓強與泡沫層高度的多項式擬合結(jié)果相關(guān)性系數(shù)是指實際曲線與 該二次曲線模型的相關(guān)性，能代表靜壓強與泡沫層高度之間的變化規(guī)律。對壓強與泡沫層高度多項式一階求導(dǎo)，其結(jié)果見表2，得到的含液率(1ε)隨泡沫層高度的變化如式(5)所示：

式中：a為0 m高度處(泡沫/溶液界面處)的泡沫含液率；b的大小與泡沫的排液性能有關(guān)，b的絕對值越大，隨高度的上升泡沫含液率下降得越快。將含液率隨泡沫層高度變化的函數(shù)作圖，得到泡沫含液率隨泡沫層高度變化的曲線圖，如圖8所示。

表1 使用BK-201起泡劑時泡沫靜壓強與泡沫層高度的多項式擬合結(jié)果 Table1 Polynomial fitting results of foam static pressure and height using BK-201 as frother

圖8 不同BK-201濃度時泡沫高度對泡沫含液率的影響 Fig.8 Effect of foam height on foam liquid holdup at different BK-201 concentrations

表2 使用BK-201起泡劑時泡沫含液率與泡沫層高度關(guān)系線性擬合結(jié)果 Table2 Linear fitting results of relationship between foam liquid holdup and height using BK-201 as frother

由圖8及表2可知，泡沫的含液率隨起泡劑濃度增大而增大，在泡沫/液體界面處，BK-201的濃度分別為37、75、112、150和300 mg/L時，泡沫的含液率為含液率函數(shù)的截距，分別為0.400、0.413、0.427、0.434和0.434。起泡劑濃度的提高，泡沫含液率的降低幅度(斜率的絕對值)減緩，從1.073逐漸降低到0.763。相應(yīng)地，泡沫頂部的含液率分別降低到0.100、0.1005、0.1823、0.1952及0.2204。

2) MIBC濃度對泡沫含液率的影響

當(dāng)起泡劑為MIBC時，測定各泡沫層高度下的靜壓強，得到含液率隨MIBC濃度的變化規(guī)律。含液率與泡沫層高度關(guān)系擬合結(jié)果見表3和圖9。

與BK-201類似，MIBC泡沫的含液率隨起泡劑濃度增大而增大。當(dāng)MIBC的濃度從37 mg/L增大到94 mg/L時，泡沫高度0 m處，泡沫的含液率從0.489增大到0.588； MIBC的泡沫含液率函數(shù)斜率的絕對值卻逐漸增大，從0.993逐漸增大到1.262，相應(yīng)地，泡沫頂部的含液率差別變小，僅從0.211增大到0.250。

表3 泡沫含液率與泡沫層高度關(guān)系擬合結(jié)果(MIBC) Table3 Relationship between foam liquid holdup and height of linear fitting (MIBC)

圖9 不同MIBC濃度下泡沫高度對泡沫含液率的影響 Fig.9 Effect of foam height on foam liquid holdup at different MIBC concentrations

3) BK-201和MIBC含液率的對比

圖10所示為起泡劑濃度均為75 mg/L時兩種起泡劑產(chǎn)生的泡沫含液率的對比。很明顯地，BK-201所產(chǎn)生的氣泡含液率顯著低于MIBC的。泡沫高度0 m處，兩種起泡劑泡沫的含液率分別為0.44和0.57；在泡沫層頂部，含液率分別為0.10和0.22。

圖10 起泡劑MIBC與BK-201濃度為75 mg/L時泡沫高度對泡沫含液率的影響對比 Fig.10 Comparison of effect of foam height on foam liquid holdup at MIBC and BK-201 frothers of 75 mg/L

2.3 起泡劑對泡沫夾帶的影響

對于微細(xì)粒脈石礦物，質(zhì)量小，可假定在泡沫層中脈石與液體無相對運動。因而，脈石在泡沫層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w與礦漿中一致，脈石的夾帶回收速率Rg(t)符合式(6)：

式中：Rg(t)為脈石的夾帶回收速率；maxlJ 為泡沫層頂部的表觀溢流流速，即泡沫柱的水回收速率。本實驗中所使用泡沫柱的最大高度hmax為0.29m，0.29m處的凈表觀溢流流速即為；為泡沫層頂部的表觀氣流速度；εmax為泡沫層頂部的含液率。

圖11所示為起泡劑對泡沫表觀溢流速度的影響。由圖11可知，試驗濃度范圍，在相同的濃度下，BK-201產(chǎn)生泡沫的表觀溢流速度要低于MIBC的，即使用BK-201時，泡沫柱的水回收速率小于MIBC的。當(dāng)固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定時，決定脈石的夾帶回收速率Rg(t)。因而，使用BK-201時，脈石的泡沫夾帶更弱。

圖11 起泡劑濃度對泡沫表觀溢流速度的影響 Fig.11 Effect of frothers on floth apparent flooding velocity

3 結(jié)論

1) 在同一濃度下，表面活性更強的起泡劑BK-201所產(chǎn)生的氣泡直徑明顯大于MIBC的。起泡劑BK-201的氣泡臨界兼并濃度為150 mg/L，MIBC的氣泡臨界兼并濃度為75 mg/L。當(dāng)起泡劑濃度低于氣泡臨界兼并濃度時，起泡劑濃度越高，氣泡的兼并速度越小，氣泡直徑減?。划?dāng)起泡劑濃度高于臨界兼并濃度時，兼并作用非常弱，氣泡直徑基本不變。

2) 在水-氣兩相體系中，泡沫的含液率隨起泡劑濃度增加而增大。BK-201所產(chǎn)生的泡沫含液率顯著 低于MIBC的，其水回收速率也低。

3) 在相同起泡劑用量條件下，微細(xì)粒脈石在BK-201所形成的泡沫中夾帶更弱，浮選選擇性更好。

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