付亞峰，印萬忠，姚金，楊斌

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綠泥石顆粒效應(yīng)對泡沫穩(wěn)定性的影響

付亞峰，印萬忠，姚金，楊斌

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽，110819)

利用改進(jìn)的Hallimond管，以甲基異丁基甲醇(MIBC)為起泡劑，研究起泡劑質(zhì)量濃度、綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及粒度對泡沫穩(wěn)定性的影響；基于Plateau泡沫結(jié)構(gòu)理論分析礦漿性質(zhì)對泡沫穩(wěn)定性的影響，研究泡沫穩(wěn)定性對綠泥石夾帶行為的影響。研究結(jié)果表明：隨著MIBC質(zhì)量濃度增加，液體表面張力降低，導(dǎo)致氣泡間Plateau通道內(nèi)排液速率降低，泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)；綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，顆粒粒度越小，則礦漿黏度越大，泡沫最大高度及半衰期越大，泡沫的無選擇性夾帶行為越顯著。

綠泥石；顆粒效應(yīng)；泡沫穩(wěn)定性；浮選；夾帶行為

浮選是利用不同礦物顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異，將目的礦物選擇性黏附于氣泡表面，進(jìn)而使之與脈石礦物分離的選礦方法。在該工藝中，氣泡既是礦物與捕收劑作用后的選擇性吸附界面，也是攜帶疏水性礦物顆粒上浮并最終聚集成礦化泡沫層的載體，因此，泡沫的穩(wěn)定程度對浮選精礦指標(biāo)有重要影響。目前，人們針對浮選過程中泡沫穩(wěn)定性的研究主要集中在液相性質(zhì)對泡沫穩(wěn)定性的影響，如溶液表面張 力[1?6]、液相黏度[7?8]、浮選溶液的化學(xué)環(huán)境[9?11]及液相溫度、氣壓、pH[12?13]等，而有關(guān)礦物的顆粒效應(yīng)(即液相中微細(xì)粒固體顆粒物的存在對液相物化性質(zhì)的改變)對泡沫穩(wěn)定性的影響研究較少。鑒于此，本文作者以MIBC(甲基異丁基甲醇)為起泡劑，探索易泥化礦物綠泥石在浮選過程中的顆粒效應(yīng)對浮選泡沫穩(wěn)定性的影響，并研究泡沫穩(wěn)定性對綠泥石無選擇性夾帶行為的影響規(guī)律；基于Plateau泡沫結(jié)構(gòu)理論分析礦漿性質(zhì)對泡沫穩(wěn)定性的影響機(jī)理，為浮選過程中泡沫的穩(wěn)定性調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗樣品及試劑

試驗所用綠泥石取自遼寧鞍山地區(qū)。礦石經(jīng)人工砸碎，手選高純度、高結(jié)晶度的礦塊，通過陶瓷球磨機(jī)磨礦并篩分。經(jīng)化學(xué)多元素分析并結(jié)合X線衍射(XRD)檢測發(fā)現(xiàn)，綠泥石單礦物純度達(dá)到90%以上，符合單礦物浮選試驗要求。將磨礦樣品經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩濕篩制得[45，74) μm，[25，45) μm和小于25 μm這3個粒級，取其中小于25 μm粒級產(chǎn)品進(jìn)行水析制得[10，25) μm和小于10 μm這2個粒級產(chǎn)品。

1.2 泡沫穩(wěn)定性測試方法

浮選過程中泡沫穩(wěn)定性測試裝置如圖1所示。由圖1可知：測試裝置主要由空氣壓縮機(jī)、氣體流量計、改進(jìn)的Hallimond管及鐵架臺組成。

圖1 泡沫穩(wěn)定性測試裝置

泡沫穩(wěn)定性測試選用高度為73 cm的Hallimond管，內(nèi)徑為3 cm，微孔砂芯孔徑為40~50 μm，試驗溫度為室溫。每次稱取2 g綠泥石礦樣，加入80 mL去離子水，使用磁力攪拌器調(diào)漿2 min，再加入起泡劑MIBC調(diào)漿2 min，之后將礦漿迅速移入泡沫管內(nèi)開始充氣，固定充氣流量為0.4 L/min。觀測管內(nèi)泡沫高度，當(dāng)泡沫達(dá)到平衡時，記錄泡沫最大高度max(表征起泡能力)；待泡沫高度穩(wěn)定后停止充氣，并記錄泡沫高度衰減一半所需要的時間，即為泡沫半衰期。每個條件下測量5次，取平均值作為試驗結(jié)果。

采用JK99C型全自動表面張力儀利用吊環(huán)法測量不同質(zhì)量濃度MIBC溶液的表面張力；采用旋轉(zhuǎn)黏度計測量礦漿黏度，測量轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min。

1.3 泡沫夾帶率試驗

采用圖1中裝置進(jìn)行泡沫夾帶率試驗，其中Hallimond管長度為8 cm，內(nèi)徑為3 cm，微孔砂芯孔徑為40~50 μm，充氣流量仍固定為0.4 L/min，浮選完成后將所得泡沫產(chǎn)品與管內(nèi)產(chǎn)品分別低溫烘干并稱質(zhì)量，最后計算礦物回收率及夾帶率。

泡沫夾帶率計算方法如下：1) 稱取裝有去離子水的洗瓶質(zhì)量1，再稱取2 g礦樣。2)將礦樣放入50 mL燒杯內(nèi)，加入約45 mL去離子水，再加入起泡劑MIBC(MIBC質(zhì)量濃度為50 mg/L)，經(jīng)磁力攪拌器攪拌2 min，使礦樣分散均勻后迅速將其移入泡沫管內(nèi)，添加去離子水定容至50 mL。3) 開始充氣浮選。用已稱取質(zhì)量3的玻璃皿接取泡沫產(chǎn)品，每隔10 s補加水1次使礦漿液面保持恒定，浮選3 min。4) 浮選完成后的洗瓶質(zhì)量記為2，接取泡沫產(chǎn)品的玻璃皿質(zhì)量記為4，將泡沫產(chǎn)品烘干后的玻璃皿質(zhì)量記為5。浮選過程中的泡沫水回收率w、礦物回收率s及泡沫夾帶率g可分別通過下列方程式計算：

2 結(jié)果與討論

2.1 起泡劑質(zhì)量濃度對泡沫穩(wěn)定性的影響

試驗以MIBC為起泡劑，在改進(jìn)的Hallimond管中測量泡沫最大高度max和泡沫半衰期隨起泡劑質(zhì)量濃度變化關(guān)系。MIBC質(zhì)量濃度對泡沫穩(wěn)定性的影響如圖2所示。從圖2可以看出：隨著起泡劑質(zhì)量濃度增大，溶液中泡沫量顯著增加，泡沫最大高度逐漸增大；礦漿中起泡劑質(zhì)量濃度對泡沫半衰期影響較大，隨著MIBC質(zhì)量濃度增加，礦漿體系中泡沫半衰期亦逐漸增加。在MIBC質(zhì)量濃度從12.5 mg/L增加到 175 mg/L的過程中，泡沫最大高度從0.8 cm增加到7.6 cm，泡沫半衰期從2.01 s增加到7.47 s。

1—泡沫最大高度；2—泡沫半衰期。

2.2 綠泥石顆粒粒度對泡沫穩(wěn)定性的影響

為了考察綠泥石粒度對泡沫穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行不同粒度綠泥石的影響試驗。每次礦樣添加質(zhì)量固定為2 g，MIBC質(zhì)量濃度為50 mg/L，試驗結(jié)果如圖3所示。

1—泡沫最大高度；2—泡沫半衰期。

從圖3可以看出：在固定綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)及起泡劑質(zhì)量濃度的條件下，綠泥石粒度對泡沫穩(wěn)定性影響較大；隨著綠泥石粒度降低，泡沫最大高度及泡沫半衰期均顯著增加。當(dāng)綠泥石粒度從[45，74) μm減小到10 μm以下時，泡沫最大高度從4.2 cm增加到6.3 cm，泡沫半衰期從2.24 s增加到7.06 s。

2.3 綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫穩(wěn)定性的影響

為了研究綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫穩(wěn)定性的影響，選取粒徑小于10 μm的綠泥石進(jìn)行試驗，其中MIBC質(zhì)量濃度為50 mg/L，試驗結(jié)果如圖4所示。

1—泡沫最大高度；2—泡沫半衰期。

由圖4可知：綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫穩(wěn)定性影響較大。隨著綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，泡沫穩(wěn)定性越來越強(qiáng)。當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.625%增加到3.125%時，泡沫最大高度由3.3 cm增加到6.8 cm，泡沫半衰期由2.94 s增加到7.46 s。

3 機(jī)理分析

3.1 液體表面張力對泡沫穩(wěn)定性的影響

針對泡沫穩(wěn)定存在時的氣泡結(jié)構(gòu)模型，比利時物理學(xué)家Plateau從幾何拓?fù)涞慕嵌?，闡明了泡沫結(jié)構(gòu)的平衡條件，提出了Plateau泡沫結(jié)構(gòu)平衡法則，其結(jié)構(gòu)要素包括液膜、Plateau邊界和節(jié)點。泡沫物理學(xué)研究表明[14]，液膜中含水量極少，泡沫中絕大部分液體賦存于Plateau邊界和節(jié)點處。Plateau邊界流體微元受力示意圖如圖5所示(其中，為Plateau邊界流體微元長度)。

(a) Plateau邊界；(b) 流體微元受力圖

圖5中流體微元所受到的作用力如下。

1) 重力：

2.2.2 麥草沙障 一般設(shè)置為方格沙障，方格大小與粘土沙障相似，先在沙面上按方格大小開5～15cm的槽，采用20～40cm長的麥草擰成麻花狀，折疊成對半，兩頭向下倒茬在方格線槽內(nèi)。

式中：為流體微元重力；為礦漿密度；為重力加速度。

2) 毛細(xì)管力：

式中：c為毛細(xì)管力；L為通道內(nèi)的液體壓力。

3) 礦漿黏滯力；

式中：為礦漿粘度；為流體微元的平均速度；為Plateau通道的橫截面積；為與Plateau邊界形狀有關(guān)的參數(shù)。由Laplace方程[15]可知：

式中：g為氣泡內(nèi)的壓力；為液體表面張力；p為Plateau邊界的曲率半徑。Plateau通道橫截面示意圖如圖6所示。假設(shè)曲率半徑p和Plateau通道橫截面的外接三角形邊長相等，通過計算可得到Plateau通道橫截面積為

將式(7)和(8)代入式(5)，可以得到毛細(xì)管力c計算公式為

因此，可以得到Plateau邊界內(nèi)流體微元的平均流速計算式如下：

依據(jù)上述流體微元的平均流速表達(dá)式可以分析泡沫排液過程的快慢程度，從而得知泡沫的穩(wěn)定程度。由式(11)可知：液體表面張力越小，流體微元平均流動速度越小，表明泡沫Plateau通道內(nèi)排液速度越緩慢，因此，泡沫層越穩(wěn)定；礦漿黏度越大，流體微元平均流速越小，此時泡沫排液速度越緩慢，泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng)。

在此基礎(chǔ)上，測量不同MIBC起泡劑質(zhì)量濃度下溶液的表面張力，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：隨著MIBC質(zhì)量濃度增加，液體表面張力逐漸降低，依據(jù)流體微元平均流速公式可知，此時流體微元平均流速降低，泡沫排液速度趨緩，從而泡沫最大高度和泡沫半衰期增加，泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)。但當(dāng)MIBC質(zhì)量濃度超過250 mg/L后，液體表面張力基本保持穩(wěn)定。

圖7 MIBC質(zhì)量濃度對表面張力的影響

3.2 礦漿黏度及綠泥石粒度對泡沫穩(wěn)定性的影響

為了進(jìn)一步研究綠泥石的顆粒效應(yīng)對泡沫穩(wěn)定性的影響，通過試驗分析在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)下綠泥石粒度對礦漿黏度的影響，并研究細(xì)粒綠泥石(粒徑小于10 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對礦漿黏度的影響，測試結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

由圖8可知：綠泥石粒度對礦漿黏度影響較大。在相同礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，綠泥石粒度越細(xì)，礦漿黏度越大。當(dāng)綠泥石粒徑為[45，74) μm時，礦漿黏度為2.23 mPa·s；當(dāng)綠泥石粒徑小于10 μm時，礦漿黏度增至5.85 mPa·s。從圖9可以看出：綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對礦漿黏度也有較大影響。綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,礦漿分?jǐn)?shù)越高，則礦漿黏度越大。當(dāng)綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%增加到3.5%時，礦漿黏度增加較緩慢；當(dāng)綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.5%增加到5%時，礦漿黏度急劇增加，從6.37 mPa·s增大到11.03 mPa·s。

圖8 綠泥石粒度對礦漿黏度的影響

圖9 綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對礦漿黏度的影響

結(jié)合Plateau邊界中流體微元平均流速公式可知，流體微元平均流速與礦漿黏度呈反比例關(guān)系，因此，當(dāng)綠泥石顆粒粒度變細(xì)時，礦漿黏度增大，Plateau通道中流體微元平均流速變緩，泡沫穩(wěn)定性增加(見圖3)；而當(dāng)綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加(見圖4)，礦漿黏度增大，因此，泡沫穩(wěn)定性亦增強(qiáng)。

3.3 綠泥石粒度對夾帶行為的影響

浮選過程中的夾帶現(xiàn)象是指一些層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物由于顆粒硬度小，在磨礦過程中極易發(fā)生過磨而出現(xiàn)泥化，由于其顆粒粒度小、比表面積大、表面能高等性質(zhì)，在浮選過程中易被氣泡之間水相的無選擇性夾帶進(jìn)入泡沫層而成為精礦產(chǎn)品，降低精礦質(zhì) 量[16]。浮選過程中泥化礦物的泡沫夾帶現(xiàn)象顯著，它不依賴于氣泡與顆粒之間的礦化過程，但卻始終存在于浮選過程中，進(jìn)而影響最終的分選指標(biāo)。為了進(jìn)一步研究顆粒粒度對泡沫夾帶行為的影響，進(jìn)行綠泥石粒度對其回收率及夾帶率的影響試驗，試驗中固定起泡劑MIBC質(zhì)量濃度為50 mg/L，綠泥石添加量為2 g，試驗結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知：綠泥石粒度對礦物回收率及夾帶率均有影響。隨著顆粒粒度減小，綠泥石回收率逐漸增大，從[45，74) μm粒級時的12.91%增加到小于10 μm粒級時的22.43%；而水回收率略有上升，僅從30.15%增加到32%；泡沫夾帶率增加顯著，從[45，74) μm粒級時的夾帶率0.428增大到小于10 μm粒級時的夾帶率0.699，增幅近63.32%。結(jié)合圖3及圖8試驗結(jié)果可知：當(dāng)?shù)V漿濃度相同時，綠泥石顆粒粒度越細(xì)，礦漿黏度越大，從而導(dǎo)致泡沫Plateau通道內(nèi)排液速度變慢，泡沫最大高度及泡沫半衰期增大，泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)，致使被氣泡無選擇性夾帶成為泡沫產(chǎn)品的綠泥石上浮量增加，夾帶率增大。

1—綠泥石回收率；2—水回收率；3—夾帶率。

3.4 礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對夾帶行為的影響

由于礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫穩(wěn)定性有顯著影響，為了進(jìn)一步研究礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對綠泥石夾帶行為的影響，進(jìn)行綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對其回收率及夾帶率的影響試驗，試驗中固定MIBC質(zhì)量濃度為50 mg/L，綠泥石粒徑小于10 μm粒級，試驗結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知：綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對礦物回收率有較大影響，但夾帶率卻基本穩(wěn)定。隨著礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，綠泥石回收率及水回收率均顯著增加，當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.63%增大到3.75%時，綠泥石回收率從15.41%增加到25.91%，水回收率從22.23%增大到36.68%，而夾帶率則穩(wěn)定在0.7左右。結(jié)合圖4及圖9可知：隨著綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，礦漿黏度增大，泡沫排液速度變緩，泡沫穩(wěn)定性增加，因而綠泥石回收率及水回收率均增加。但由于二者增加幅度基本相同，故夾帶率基本保持穩(wěn)定。

1—綠泥石回收率；2—水回收率；3—夾帶率。

4 結(jié)論

1) 液體表面張力越小，礦漿黏度越大，流體微元的平均流速就越小，泡沫排液越緩慢，泡沫越穩(wěn)定。

2) 綠泥石的顆粒效應(yīng)對泡沫穩(wěn)定性有較大影響；顆粒粒度越小，礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則礦漿黏度越大，Plateau通道內(nèi)排液越緩慢，泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng)。

3) 綠泥石顆粒粒度越細(xì)，礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng)，因此，泡沫無選擇性夾帶行為越顯著，綠泥石回收率及水回收率均增大，但礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對綠泥石夾帶率影響不大。

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(編輯 伍錦花)

Study on stability of flotation foam influenced by particle effect of chlorite

FU Yafeng, YIN Wanzhong, YAO Jin, YANG Bin

(School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

The effects of foaming agent mass concentration, chlorite mass fraction and particle size on stability of flotation foam were studied by using an improved Hallimond tube, with methyl isobutyl carbinol (MIBC) as the foaming agent. Based on the theory of Plateau foam structure, influence of pulp properties on foam stability was analyzed, and effect of foam stability on entrainment rate of chlorite flotation was studied. The results show that with the increase of MIBC mass concentration, the surface tension of the liquid decreases, which leads to the decrease of foam drainage velocity and increase of foam stability. The larger the mass fraction of chlorites, the finer the particle size is, which leads to greater pulp viscosity, higher height of flotation foam layer and longer half-life of the foam, resulting in more serious non-selective entrainment of the foam.

chlorite; particle effect; foam stability; flotation; entrainment behavior

TD923

A

1672?7207(2018)08?1857?06

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.08.003

2017?08?09；

2017?09?28

國家自然科學(xué)基金資助項目(51504053)(Project(51504053) supported by the National Natural Foundation of China)

楊斌，博士研究生，從事微細(xì)粒礦物的高效分選技術(shù)研究；E-mail：1985934119@qq.com