王市委，陶秀祥，陳松降，唐龍飛

（1. 六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水市 553000； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州市 221116）

我國(guó)低階煤資源的儲(chǔ)量十分豐富，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，約占我國(guó)煤炭探明儲(chǔ)量的45.68%。由于低階煤的變質(zhì)程度較低，其表面含有大量的含氧官能團(tuán)，如羧基、羥基和羰基(-COOH、-OH 和＞C=O) 等，因而，低階煤表面具有較強(qiáng)的親水性，很難用常規(guī)的浮選法對(duì)其細(xì)粒級(jí)（＜ 0.5 mm）進(jìn)行有效地回收[1-2]。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外研究人員為了強(qiáng)化低階煤的浮選主要著眼于提高低階煤的可浮性及表面疏水性上，即通過表面預(yù)處理手段來減少煤炭表面的含氧基團(tuán)[3-4]，或者選用合適的浮選藥劑來提高褐煤表面的疏水性[5]。在表面預(yù)處理研究方面，主要有研磨[6-7]、預(yù)調(diào)漿及預(yù)混合[8-9]、超聲波[10]、加熱[11]、微波[12-13]和直接接觸混合[14]等方法。以其作用原理可將過程作以下分類[15]：研磨、預(yù)調(diào)漿、預(yù)混合和超聲波等方法主要是有效去除低階煤/ 氧化煤表面上覆蓋的氧化層和薄黏土層；而加熱和微波預(yù)處理法則是去除煤孔隙中的自由水、結(jié)合水以及部分羥基官能團(tuán)；直接接觸混合法則是使捕收劑提前吸附在煤粒表面上，以避免煤表面上的水化層阻止捕收劑的吸附。此外，國(guó)內(nèi)外研究者還采用表面活性劑、促進(jìn)劑及煤與藥劑混摻的方式來提高低階煤表面的疏水性。這些表面改性化學(xué)藥劑主要包括含氧官能團(tuán)類捕收劑[16]、脂肪胺[17]、共聚物[18]、非離子和離子型表面活性劑[19-20]及烴類捕收劑和表面活性劑的聯(lián)合[20] 等。添加促進(jìn)劑可以對(duì)氧化煤/ 低階煤的表面改性，提高油類捕收劑的乳化和浮選氣泡的分散作用，因而向礦漿中添加促進(jìn)劑可以有效地促進(jìn)顆粒- 顆粒、顆粒- 氣泡以及顆粒- 油滴之間的接觸，以獲得理想的浮選回收率和選擇性，降低浮選油耗[21]。上述方法主要是通過物理方法或化學(xué)方法來改變低階煤表面的親疏水性，其處理過程所需能量或化學(xué)藥劑量較高。近年來，加拿大阿爾伯特大學(xué)利用油泡浮選技術(shù)對(duì)難浮油砂礦進(jìn)行了有效分選，并取得了較好的浮選效果。該方法采用活性油泡（其表面被含有捕收劑的油類或者改性油類捕收劑所覆蓋的氣泡）作為浮選載體，取代了傳統(tǒng)浮選過程中的氣泡[22]。油泡浮選并未改變低階煤表面的疏水性，而是通過增強(qiáng)氣泡表面的疏水性來提高礦粒- 油泡間的礦化作用。國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)用油泡浮選技術(shù)對(duì)我國(guó)低階煤浮選進(jìn)行了大量試驗(yàn)及基礎(chǔ)研究。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外低階煤的油泡浮選試驗(yàn)、礦化理論及分選裝置進(jìn)行評(píng)述。

1 顆粒油泡浮選試驗(yàn)研究進(jìn)展

研究人員采用油泡作為浮選載體對(duì)礦物顆粒進(jìn)行分選。為了對(duì)有效的分選加拿大細(xì)粒難選油砂礦，Liu 等[22-23]和Xu 等[24]采用活性油泡（氣泡表面被具有捕收劑性質(zhì)的油類薄層所覆蓋，見圖1）作為浮選載體。

圖1 普通氣泡與活性油泡的對(duì)比Fig .1 Ordinary bubble and oily bubble

油膜表面不僅可以粘附并團(tuán)聚顆粒，而且還可以向油相中添加一些可溶于水的表面活性劑來控制油泡外表面的性質(zhì)，以達(dá)到期望的浮選選擇性。油泡在閃鋅礦、SiO2和方鉛礦浮選中具有更強(qiáng)的捕收性能。Zhou 等[25-27]向煤油中添加脂肪酸制備的活性油泡對(duì)磷灰石和氟碳鈰礦進(jìn)行分選，結(jié)果表明，活性油泡較氣泡與未調(diào)漿礦物的粘附時(shí)間更短。Zhou 等[27]還通過擴(kuò)展DLVO 理論證實(shí)了油泡表面的疏水力要遠(yuǎn)高于普通氣泡表面的疏水力。因此，活性油泡比普通氣泡表現(xiàn)出更強(qiáng)的捕集能力及浮選選擇性。Wallwork 等[28]采用閃蒸法制備油泡，并以油泡作為浮選載體對(duì)氧化油砂礦進(jìn)行分選，與不添加煤油的浮選效果相比，當(dāng)浮選時(shí)間為80 min 時(shí)，油泡浮選回收率約提高80%，總回收率接近100%。Peng 等[29]也用閃蒸法制備油泡，并對(duì)富含-1.7 mm 粗粒和-600 μm 細(xì)粒精煤進(jìn)行快速浮選，同時(shí)分析了煤泥粒度對(duì)油泡浮選速率及回收率的影響。于偉等[30]和李甜甜等[31]用自主設(shè)計(jì)的油泡制備裝置及浮選裝置分別對(duì)伊泰和神東地區(qū)的低階煤進(jìn)行浮選試驗(yàn)，并獲得了較好的浮選效果。Xia 等[32]用連續(xù)油泡閃蒸裝置和浮選機(jī)對(duì)氧化煤進(jìn)行了油泡浮選試驗(yàn)，與常規(guī)浮選結(jié)果相比，油泡浮選可明顯提高氧化煤的浮選回收率。Liao 等[33]采用了5 種浮選動(dòng)力學(xué)模型，比較了低階煤顆粒的油泡及氣泡浮選的可燃體回收率及浮選速率常數(shù)，研究結(jié)果表明，除了全混合浮選動(dòng)力學(xué)模型外，低階煤顆粒的油泡浮選速率常數(shù)要遠(yuǎn)大于普通氣泡浮選速率常數(shù)。李振等[34]對(duì)油泡浮選技術(shù)在油砂及煤泥分選中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。綜上所述，與普通氣泡浮選相比，活性油泡浮選具有如下優(yōu)點(diǎn)[24]：

（1）避免了直接在水相中添加捕收劑，最大限度地降低了捕收劑對(duì)矸石礦物的活化作用；（2）消除了油類捕收劑分子在水相中分散效果差以及在無用顆粒上吸附消耗量大的問題；（3）避免了捕收劑、起泡劑及其他可能存在于礦漿中的化學(xué)藥劑之間不必要的協(xié)同作用；（4）油泡在油/ 水界面上具有較高的局部捕收劑分子濃度，顯著提高了其捕集能力；（5）油泡通過油/ 水界面上捕收劑分子與目標(biāo)礦物上的活性位點(diǎn)間化學(xué)和/ 或電化學(xué)作用，使活性油泡僅捕獲目標(biāo)礦物顆粒，故提高了浮選的選擇性；（6）由于油泡在目標(biāo)礦粒上附著的高潛能，使得活性油泡對(duì)粗細(xì)顆粒均具有較強(qiáng)的捕集能力。

Tarkan 等[35-36]通過在毛細(xì)管頂端覆蓋油類并鼓氣的方法制備油泡，并測(cè)定了油膜厚度（約為3 μm）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，烷烴類產(chǎn)生的油泡穩(wěn)定性要高于苯環(huán)類油泡的穩(wěn)定性（穩(wěn)定時(shí)間＜90 s）；在室溫條件下，所用有機(jī)物油滴均可以與瀝青表面發(fā)生粘附行為，而普通氣泡不能；較佳油泡制備的藥劑種類為十六烷與庚烷，其配比為25:75。Wang 等[37]，比較了低階煤顆粒在氣/ 油泡表面的滑動(dòng)速度及角速度，試驗(yàn)結(jié)果表明，在10-3mol/L的DAH 溶液中，低階煤顆粒在油泡及氣泡表面的滑動(dòng)角速度分別約為0.73°/ms 和0.75°Tarkan 等[35-36]通過在毛細(xì)管頂端覆蓋油類并鼓氣的方法制備油泡，并測(cè)定了油膜厚度（約為3 μm）。試驗(yàn)結(jié)果表明，烷烴類產(chǎn)生的油泡穩(wěn)定性要高于苯環(huán)類油泡的穩(wěn)定性（穩(wěn)定時(shí)間＜ 90 s）；在室溫條件下，所用有機(jī)物油滴均可以與瀝青表面發(fā)生粘附行為，而普通氣泡不能；較佳油泡制備的藥劑種類為十六烷與庚烷，其配比為25:75。Wang 等[37]，比較了低階煤顆粒在氣/ 油泡表面的滑動(dòng)速度及角速度，試驗(yàn)結(jié)果表明，在10-3mol/L 的DAH 溶液中，低階煤顆粒在油泡及氣泡表面的滑動(dòng)角速度分別約為0.73° /ms 和0.75°/ms。在去離子水中，低階煤顆粒在氣泡表面的滑動(dòng)速度約為0.60°/ms。在10-3mol/L 的DAH 溶液中，低階煤顆粒在油泡表面的滑動(dòng)角速度略低于煤顆粒在氣泡表面上的滑動(dòng)角速度，一方面可能是由于油泡表面的粘滯阻力要高于氣泡表面的粘滯阻力；另一方面可能是低階煤顆粒的形狀、大小及碰撞初速度等對(duì)結(jié)果造成的影響。但低階煤顆粒在油泡表面上的滑動(dòng)角速度明顯高于低階煤顆粒在氣泡表面上的滑動(dòng)角速度。低階煤顆粒在運(yùn)動(dòng)氣/ 油泡表面滑動(dòng)時(shí)間研究（圖2）。

圖2 浮選過程中顆粒在氣泡表面上滑動(dòng)過程Fig .2 The schematic diagram of particles sliding on the air bubbles surface of in the of flotation process

隨著碰撞接觸角的增加，低階煤顆粒在氣泡和油泡表面上的滑動(dòng)時(shí)間分別從約37 ms 和24 ms 下降到約16 ms 和7 ms；當(dāng)顆粒- 氣泡間的碰撞接觸角（θT）從約3°增加到61°，可以觀察到低階煤顆粒在油泡表面上的滑動(dòng)時(shí)間總是低于低階煤顆粒在氣泡表面上的滑動(dòng)時(shí)間[38]。這可能是由于油泡表面的疏水性要強(qiáng)于氣泡表面的疏水性。此外，陳等[39]測(cè)量了不同pH 值溶液環(huán)境下的低階煤顆粒- 油泡間的誘導(dǎo)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果表明，在堿性溶液環(huán)境中誘導(dǎo)時(shí)間更長(zhǎng)，不利于低階煤顆粒與油泡粘附；相反地，在酸性溶液環(huán)境中誘導(dǎo)時(shí)間最短，有利于低階煤顆粒與油泡間產(chǎn)生粘附行為。經(jīng)典的DLVO 理論分析表明，在pH 值為3 的溶液中，低階煤顆粒與油泡之間的相互作用力為引力，不存在作用能壘；而當(dāng)pH 值大于3 時(shí)，低階煤顆粒與油泡間的作用能壘逐漸增大。楊等[40]對(duì)勝利褐煤進(jìn)行了油泡浮選試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，添加2-乙基己醇和2- 辛酮的改性油泡可以將褐煤的誘導(dǎo)時(shí)間從300 ms 縮短至40 ms 左右，并且在相同的藥劑消耗下，改性油泡浮選試驗(yàn)的可燃體回收率比普通油泡高出60% 以上。陳等[41]從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面著手，用經(jīng)典的DLVO 理論分析了不同的電解質(zhì)溶液環(huán)境對(duì)褐煤煤粒- 油泡間相互作用勢(shì)能的影響，結(jié)果表明NaCl 和CaCl2兩種電解質(zhì)能顯著降低褐煤煤粒- 油泡間的相互作用能壘和縮短誘導(dǎo)時(shí)間， AlCl3電解質(zhì)的濃度大于20 mmol/L 時(shí)，褐煤煤粒- 油泡間的相互作用能壘和誘導(dǎo)時(shí)間不斷增大。比較低階煤顆粒在油泡及氣泡表面的滑移時(shí)間發(fā)現(xiàn)，低階煤顆粒在油泡表面的滑移時(shí)間要明顯短于氣泡表面，并且低階煤顆粒與油泡間的最大碰撞接觸角要高于氣泡，這表明油泡表面的疏水性遠(yuǎn)強(qiáng)于氣泡。

2 顆粒- 氣/ 油泡礦化理論研究進(jìn)展

氣泡外圍包裹的水分子層由里及外可分為水化層、擴(kuò)散層和普通水層。浮選礦漿中氣泡的尺寸、含量、分散度及表面性質(zhì)對(duì)浮選效果的影響極大，主要影響到浮選速率、回收率及選擇性[42-43]。除了上述因素影響浮選效果外，礦物顆粒與氣泡的作用機(jī)理對(duì)浮選效果的影響至關(guān)重要，因?yàn)轭w粒與氣泡間的相互作用不僅支配著浮選整個(gè)過程及分選效率，而且其作用機(jī)理對(duì)豐富和發(fā)展浮選理論也至關(guān)重要[44]。在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，通常把顆粒與氣泡作用過程分為三個(gè)階段[45]（見圖3）。

圖3 顆粒- 氣泡間礦化過程示意圖Fig .3 The mineralization process between particle and bubbles

（1）礦物顆粒與氣泡表面相互接近并碰撞；（2）顆粒與氣泡之間的水化膜薄化并破裂；（3）顆粒實(shí)現(xiàn)在氣泡表面上的粘附。有研究者認(rèn)為，礦化過程第二階段中水化膜薄化及破裂所經(jīng)歷的時(shí)間（誘導(dǎo)時(shí)間）占整個(gè)過程的76% ～94%[46]；同時(shí)，也有些研究者認(rèn)為水化膜薄化及破裂所經(jīng)歷的時(shí)間數(shù)量級(jí)相同[47]。在浮選過程中，只有當(dāng)誘導(dǎo)時(shí)間小于接觸時(shí)間（三個(gè)階段所需時(shí)間）時(shí)才能實(shí)現(xiàn)顆粒在氣泡上的粘附。在顆粒與氣泡的礦化過程中，需要完成顆粒與氣泡間的水化膜薄化和破裂，三相接觸周邊擴(kuò)展，最后達(dá)到平衡接觸角[45]。因此，從表面粘附的觀點(diǎn)出發(fā)，為了提高浮選效率，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)待浮顆粒在礦漿中的停留時(shí)間，同時(shí)提高待浮顆粒表面疏水性，以擴(kuò)大三相接觸周邊，提高附著強(qiáng)度。

2.1 顆粒- 氣/ 油泡間誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試

由于誘導(dǎo)時(shí)間的測(cè)試環(huán)境考慮到了流體動(dòng)力學(xué)和表面化學(xué)性質(zhì)的影響，并且誘導(dǎo)時(shí)間的測(cè)試范圍比平衡接觸角測(cè)量更寬，因此，誘導(dǎo)時(shí)間參數(shù)能更準(zhǔn)確地反映氣泡- 顆粒粘附作用機(jī)理[48]。加拿大阿爾伯塔大學(xué)的Gu 等[49]進(jìn)一步優(yōu)化了誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試裝置，測(cè)試精度為0.1 ms。

此裝置可以測(cè)量不同氣泡尺寸、顆粒粒度、溶液pH 值、氣泡碰撞速度、氣泡后撤速度及氣泡與床層之間距離下的誘導(dǎo)時(shí)間。通常情況下，由于較大尺寸的氣泡和顆粒表面具有較大尺寸的水化膜，因此，誘導(dǎo)時(shí)間隨著氣泡和顆粒尺寸的增加而增大[49]。隨著氣泡與顆粒床層碰撞速度的增大，從而加速了氣泡與顆粒床層間的排液過程，因此，氣泡- 顆粒間的誘導(dǎo)時(shí)間會(huì)縮短。同時(shí)，溶液中的離子濃度、pH 值、捕收含量及溫度都會(huì)影響誘導(dǎo)時(shí)間的長(zhǎng)短。Yoon 和Yordan[50]研究發(fā)現(xiàn)，在5×10-6mol/L 的十二胺鹽酸鹽溶液中，隨著KCl 溶液濃度的增加，氣泡- 石英顆粒間的誘導(dǎo)時(shí)間逐漸縮短。由于誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試結(jié)果會(huì)受到顆粒的異質(zhì)性、難于控制的氣泡變形程度及顆粒床層密實(shí)程度的影響，因此，誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試結(jié)果具有不確定性。盡管如此，誘導(dǎo)時(shí)間比接觸角能更好地反映顆粒的浮選效果。在一定的條件下，氣泡- 顆粒間的誘導(dǎo)時(shí)間越短，顆粒的浮選效果就越好[45]。

Su 等[51]發(fā)現(xiàn)，油泡在油砂表面上的鋪展速度要快于氣泡在油砂表面上的鋪展速度，并且油泡-油砂顆粒之間的誘導(dǎo)時(shí)間要遠(yuǎn)短于氣泡- 油砂顆粒之間的誘導(dǎo)時(shí)間；油泡的誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)量結(jié)果與油砂浮選效果很吻合。Zhou 等[26]采用活性油泡浮選氟碳鈰礦，誘導(dǎo)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)油泡表面被異羥肟酸覆蓋時(shí)，油泡和礦粒不發(fā)生粘附作用。Zhou 等[52]在誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)，活性油泡與稀土礦物顆粒的粘附受溶液pH 值的影響，當(dāng)溶液pH 值在4.8 ～ 9.0 時(shí)，礦粒才與活性油泡粘附。從白云石、石英和磷灰石礦物中選擇性的浮選出白云石的試驗(yàn)表明，油泡較氣泡具有更短的誘導(dǎo)時(shí)間、更強(qiáng)的粘附力及較好的浮選選擇性[27]。

近來，澳大利亞CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) 研究所研制的CSIRO Milli-Timer 可以用來測(cè)試顆粒在氣泡表面上的滑移時(shí)間[53]。

Verrelli 等[54]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有疏水表面的玻璃珠在氣泡上滑移一段時(shí)間后會(huì)突然向氣泡徑向運(yùn)動(dòng)，以此來判斷玻璃珠在氣泡表面完成了粘附和礦化行為。Verrelli 等[54]還發(fā)現(xiàn)隨著顆粒在氣泡表面的初始接觸角的增大，顆粒在氣泡表面的滑移時(shí)間也隨之增長(zhǎng)，這與很多研究結(jié)果相悖。同時(shí)，顆粒的形狀對(duì)滑移的影響很大，研究發(fā)現(xiàn)，帶棱角的玻璃珠顆粒的滑移時(shí)間比圓形玻璃珠顆粒的滑移時(shí)間短一個(gè)數(shù)量級(jí)[55]。Hassas 等[56]發(fā)現(xiàn)顆粒表面鋒利的邊緣可以觸發(fā)水化膜破裂，并有效地縮短附著時(shí)間。Brabcová 等[57]模擬了顆粒運(yùn)動(dòng)速度及在氣泡表面的滑移軌跡，模擬結(jié)果表明，微流體動(dòng)力學(xué)阻力控制著顆粒運(yùn)動(dòng)速度及滑移軌跡。

2.2 顆粒- 氣/ 油泡間水化膜薄化理論研究進(jìn)展

目前研究顆粒- 氣/ 油泡間水化膜薄化理論的模型主要有Stefan-Reynolds 模型、Taylor 方程、Stokes-Reynolds-Young-Laplace 模型以及Stokes-Reynolds 模型。Stefan-Reynolds 模型描述了兩個(gè)靜止平表面間的水化膜薄化過程，具體表達(dá)如下[58]：

式中：h- 水化膜厚度，μ- 溶液黏度，Pσ- 毛細(xì)管壓力，II- 分離壓，R- 水化膜半徑。在無邊界滑移的條件下，球形顆粒靠近固體表面時(shí)，水化膜的薄化過程可用Tayor 方程表達(dá)（h＜＜R）：

式中：Fh- 流體動(dòng)力拖曳力，R- 顆粒半徑。式（2）沒有考慮與距離無關(guān)的流體動(dòng)力拖曳項(xiàng)。研究表明，式（2）中的顆?？梢灾脫Q為微泡[59]。當(dāng)氣泡的表面是運(yùn)動(dòng)的，式（2）修正為：

對(duì)于Stefan-Reynolds 和Taylor 模型，需要通過干涉測(cè)試技術(shù)來確定液膜的形狀，并通過試驗(yàn)測(cè)試及擬合液膜薄化動(dòng)力學(xué)方程來獲得分離壓。而Stokes-Reynolds-Young-Laplace 模型可以獲得潤(rùn)滑及楊氏- 拉普拉斯方程的解析解，并且在給定的初始和邊界條件下來模擬液膜薄化過程。并且可以通過迭代的方法來確定液膜薄化過程中各個(gè)力參數(shù)，直到模擬的液膜輪廓與通過試驗(yàn)獲得的液膜輪廓一致。Ivanov 等[60] 通過推導(dǎo)獲得了Stokes-Reynolds-Young-Laplace 模型的控制方程。Chan 等[61] 對(duì)Stokes-Reynolds-Young-Laplace 模 型 及 解 法進(jìn)行了深入探討。通過最小化氣泡- 顆粒體系的亥姆霍茲表面能，可以推導(dǎo)出楊氏- 拉普拉斯方程的增廣方程。因此，流體動(dòng)力學(xué)壓力P 可以表達(dá)如下[61]：

式中：R- 氣泡半徑，r- 從液膜中心出發(fā)的徑向距離，h- 液膜厚度。式（4）中第一項(xiàng)是拉普拉斯曲面張力，第二項(xiàng)為分離壓，第三項(xiàng)是與曲率變化相關(guān)的拉普拉斯曲面張力。通過上式，可以理解液膜變薄過程中氣泡表面凹坑、折疊及波紋的形成。液膜的分離和流體壓力的變化決定了液膜在時(shí)空中的演變。例如，當(dāng)在中央作用區(qū)的拉普拉斯壓力低于斥力分離壓和流體壓力的總和時(shí)，曲率將逆向并形成帶有凹坑的氣泡表面。上述氣泡變化過程是針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的氣泡碰撞到親水表面的情況。

3 顆粒- 油泡浮選裝置研制

3.1 高溫氣化制造法

在1991年的國(guó)際采礦、冶金與勘探協(xié)會(huì)（Society of Mining, Metallurgy and Exploration, SME）會(huì)議上，Peng 和Li[29]提出了一種新穎的捕收劑分散技術(shù)，即用在氣泡表面上覆蓋一層油膜的方法來進(jìn)行浮選，其試驗(yàn)浮選系統(tǒng)見圖3。

圖3 煤泥- 油泡浮選裝置Fig .3 The oil bubble flotation device of coal slime

注入該裝置的烴類油捕收劑，在電熱絲的直接加熱條件下發(fā)生氣化，與此同時(shí)，D-12 型丹佛浮選機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的負(fù)壓將受熱氣化的烴類油與空氣混合并被吸入到浮選槽中，在浮選機(jī)的攪拌作用下氣泡表面被油膜覆蓋而形成油泡。此系統(tǒng)中的油泡制備控制裝置主要包括變壓器、熱電偶和顯示器。為了使烴類油捕收劑一直處于恒溫加熱狀態(tài)，在烴類油蒸氣被吸入浮選槽之前，用絕熱材料包裹輸油銅管，防止已經(jīng)氣化的烴類油捕收劑在輸油銅管中發(fā)生冷凝。在銅管中氣化的烴類油蒸氣與吸入的空氣混合后，由于常溫的空氣會(huì)對(duì)烴類油蒸氣產(chǎn)生降溫作用；并且在浮選過程中，如果浮選槽自吸管發(fā)生堵塞，則在高溫鋼管中連續(xù)產(chǎn)生烴類油蒸氣和空氣的混合氣體會(huì)持續(xù)積聚，因此，此高溫油泡制造裝置存在一定的安全隱患。

加拿大Alberta 大學(xué)油砂分選課題組的Wallwork 等[28]提出了另一種見圖6a 所示的新型油泡制備裝置。在吸入的空氣流推動(dòng)下，煤油蒸氣進(jìn)入浮選回路系統(tǒng)中（圖4b）并對(duì)油砂礦進(jìn)行浮選。

圖4 油泡制造裝置及浮選管道回路示意圖Fig .4 The equipment of oily bubbles production and flotation circuit schematic diagram

此油泡制備系統(tǒng)與圖3 系統(tǒng)相似，其中主要的差異在于Peng 和Li 的油泡制備裝置是采用負(fù)壓方式把空氣吸入，并且在烴類油加熱后才吸入常溫空氣；而Wallwork 等[28]為了避免吸入的常溫空氣對(duì)高溫?zé)N類油蒸氣的降溫作用，采用了空氣流的推動(dòng)作用將烴類油（煤油）蒸氣送至浮選回路中，此過程中，吸入的空氣被一起加熱至烴類油蒸發(fā)的溫度。在圖6b 中，Wallwork 等設(shè)計(jì)了套管換熱器以對(duì)浮選礦漿以及浮選回路的烴類油和空氣混合體進(jìn)行保溫加熱，從而使得熱烴類油與熱浮選礦漿實(shí)現(xiàn)礦化。

此油泡制備裝置雖解決了吸入的常溫空氣在進(jìn)入浮選機(jī)前對(duì)熱烴類油蒸氣的降溫作用，但浮選回路發(fā)生堵塞的情況，勢(shì)必存在一定的安全隱患；并且浮選回路中礦漿的紊流強(qiáng)度較低，從而降低難選礦物的分選效率。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王永田教授等[30-31]設(shè)計(jì)了一種烴類油閃蒸方法（圖5），主要用于神東和伊泰等礦區(qū)低階煤的浮選。

圖5 低階煤油泡浮選裝置Fig .5 The oily bubble flotation device of low-rank coal

該裝置與前述管式加熱裝置的油泡制備方法類似，通過注油泵將烴類油加入油氣發(fā)生器（三口燒瓶）中，在電加熱套的加熱作用下將溫度控制在200 ～ 250 ℃范圍內(nèi)，滴入燒瓶中的烴類油迅速氣化，然后通過浮選柱氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓一同將烴類油蒸氣和常溫空氣經(jīng)三口燒瓶吸入浮選柱中，并在浮選礦漿中形成油泡。如果氣泡發(fā)生器發(fā)生堵塞，浮選柱中的礦漿回流至三口燒瓶，很容易使三口燒瓶突然冷卻而炸裂，因此，此裝置同樣存在一定的安全隱患。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)Xia 等[32]設(shè)計(jì)了一套用于氧化無煙煤浮選的簡(jiǎn)易油泡制備裝置，見圖6。

圖6 氧化煤油泡浮選裝置Fig .6 The oily bubble flotation device of low-rank coal

此裝置采用電加熱套將三口燒瓶中的烴類油捕收劑（正十二烷）加熱至其沸點(diǎn)（215 ℃），并使用溫度計(jì)控制其加熱溫度。三口燒瓶一口敞開，一口放入溫度計(jì)，另一端口通過軟管與浮選機(jī)吸氣口相連。浮選過程中，由于葉輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的負(fù)壓將三口燒瓶中氣化的烴類油捕收劑連同部分空氣一同吸入浮選槽中。由于烴類油蒸氣遇到礦漿后迅速冷凝，并在葉輪的高速攪拌作用下形成大量微泡和油滴。上述過程中，包裹在微泡中的液化油滴通過分子或液滴運(yùn)動(dòng)移動(dòng)到氣泡表面，從而形成了油泡。此油泡制備裝置中，將沸騰的正十二烷蒸氣引入到空氣中，必然存在一定的安全隱患，需要嚴(yán)格按照試驗(yàn)操作規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)屈進(jìn)州針對(duì)現(xiàn)有高溫氣化油泡制備和油滴分散裝置存在的問題，設(shè)計(jì)了適用于表面含氧官能團(tuán)多、可浮性差的低階煤油泡浮選系統(tǒng)。根據(jù)藥劑消耗低（低耗）、連續(xù)分選（連續(xù)）、安全可靠（安全）和操作方面（方便）的原則，設(shè)計(jì)的低階煤油泡浮選試驗(yàn)系統(tǒng)，見圖7。

圖7 低階煤油泡浮選試驗(yàn)系統(tǒng)Fig .7 The oily bubble flotation device of low-rank coal

并將此系統(tǒng)和浮選方法申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺篫L201410203510.9）[62]。綜上所述，前述的油泡制備裝置存在油蒸氣被空氣冷卻、管路堵塞造成回流的安全隱患，不能連續(xù)分選，環(huán)境污染及捕收劑浪費(fèi)等問題。

3.2 常溫零調(diào)漿油泡制造法

針對(duì)上述問題，加拿大Alberta 大學(xué)油砂研究課題組的Liu 等[22-23]提出了采用活性油泡（氣泡表面被油類捕收劑薄層所覆蓋）作為浮選載體對(duì)油砂進(jìn)行分選的方法。油膜表面不僅可以粘附并團(tuán)聚顆粒，而且還可以向油相中添加一些可溶于水的表面活性劑來控制油泡外表面的性質(zhì)，以達(dá)到期望的浮選選擇性。Liu 等[22]為了實(shí)現(xiàn)油砂的活性油泡浮選，設(shè)計(jì)了見圖8 的微浮選槽。

圖8 改進(jìn)的活性油泡微浮選裝置Fig .8 The modified active oily bubble flotation device of low-rank coal

捕收劑（煤油）從柱體的一側(cè)注入，并儲(chǔ)存在微浮選槽的底部，壓縮氮?dú)饨?jīng)柱體另一側(cè)鼓入，并穿過捕收劑形成的油層。表面被油覆蓋的氣泡穿過燒結(jié)玻璃片（多孔）進(jìn)入礦漿中，進(jìn)而形成油泡。油泡尺寸一方面由燒結(jié)玻璃片內(nèi)部孔徑控制；另一方面，通過調(diào)節(jié)位于燒結(jié)玻璃片上部的磁力攪拌器轉(zhuǎn)子的攪拌強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣泡在礦漿中的彌散程度。此裝置制備出的活性油泡為理想狀態(tài)的油泡，無需加熱汽化烴類油，但浮選過程的操作和控制較為復(fù)雜，且沒有尾礦排出口，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)分選。浮選過程中產(chǎn)生的尾礦會(huì)不斷的堆積在浮選槽體底部，容易堵塞燒結(jié)玻璃片，進(jìn)而影響油泡的產(chǎn)生。同時(shí)，浮選過程中的藥劑消耗量無法精確控制，捕收劑用量的過多或過少都會(huì)影響到油砂的分選效果。

4 結(jié) 論

近年來，盡管科研工作者在低階煤浮選方面進(jìn)行了大量的研究和探索，并取得了一定的成果。目前，主要面臨兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是低階煤具有很強(qiáng)的親水表面，可浮性差，傳統(tǒng)浮選方法的礦化效果差，浮選泡沬層容易產(chǎn)生細(xì)粒矸石的機(jī)械夾帶現(xiàn)象；二是低階煤表面孔隙發(fā)達(dá)，浮選過程中捕收劑消耗高（高達(dá)50 kg/t 以上），因此，低階煤浮選技術(shù)的推廣及應(yīng)用受到了嚴(yán)重的阻礙。針對(duì)上述問題，本文對(duì)低階煤的的油泡浮選試驗(yàn)、礦化理論及分選裝置進(jìn)行了歸納總結(jié)。由于油泡具有強(qiáng)的表面疏水性，因此，油泡浮選技術(shù)可以很好的提高低階煤浮選回收率和降低捕收劑消耗量。誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試結(jié)果表明，低階煤顆粒- 油泡間的誘導(dǎo)時(shí)間要遠(yuǎn)短于低階煤顆粒- 氣泡間的誘導(dǎo)時(shí)間。目前研究顆粒- 氣/ 油泡間水化膜薄化理論的模型主要有Stefan-Reynolds 模型、Taylor 方程、Stokes-Reynolds-Young-Laplace 模型以及Stokes-Reynolds 模型。油泡的制備方法主要有高溫氣化法和常溫零調(diào)漿法。