颗粒气泡黏附科学——宏观尺度下颗粒气泡黏附研究进展及困境

颗粒气泡黏附指从颗粒与气泡相遇开始到液膜发生薄化破裂最后至三相润湿周边铺展形成稳定矿化气絮体的过程,是浮选中的核心作用单元。然而浮选颗粒气泡黏附机理至今仍不明确。黏附过程主要受颗粒气泡的表面物理化学性质及溶液化学条件影响,表面力及流体作用力协同支配微纳尺度下颗粒气泡间液膜薄化破裂行为。排液过程中气液界面的变形效应进一步增加了系统复杂性,上述因素使得颗粒气泡黏附的理论研究及试验探索步履维艰。早期关于颗粒气泡黏附的研究主要聚焦于黏附概率,其中宏观尺度下的诱导时间测试占据主导地位,通过诱导时间结果计算黏附概率。对国内外宏观尺度下颗粒气泡黏附概率模型及研究技术手段进展展开全面综述,并对现有技术瓶颈及局限进行分析。诱导时间测量仪及高速动态摄影技术大大促进了浮选工作者对颗粒气泡黏附的理解,“诱导时间与实际浮选回收率具有着良好的相关关系”也已经被广泛证明。然而因微纳尺度下的表面力及液膜薄化动力学信息的缺失导致宏观诱导时间并不能从基础层面揭示颗粒气泡的黏附机理,微纳尺度下颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化动力学的定量测试表征是技术发展的必然趋势,其可为浮选微观矿化反应过程提供新的理论视角,同时也为难浮煤及难选矿浮选过程强化提供理论支撑。     

颗粒气泡黏附科学:基于AFM和DWFA的颗粒气泡间疏水作用力研究

为探索颗粒气泡体系疏水力的长程及短程来源机制,分别采用原子力显微镜(AFM)和浮选动态润湿膜分析仪(DWFA)对气泡与同一疏水玻璃基板间的疏水力进行测试。AFM发现气泡与亲水性玻璃基板间的相互作用力为单调斥力作用,体系不存在诱发液膜失稳的引力作用项。疏水性颗粒气泡间的液膜是不稳定的,当AFM负载力到达19. 3 nN时,力曲线中观察到了明显的跳入黏附现象。疏水玻璃与气泡间的疏水力以3. 50 nm的衰减长度按单指数模型衰减,液膜在32. 96 nm临界破裂厚度处破裂。该疏水力倾向于一种短程力(50 nm),其源自界面的水分子重排熵效应。DWFA法同样发现亲水性玻璃基板与气泡间的液膜是稳定的,当总分离压力与气泡内部拉普拉斯压力相等时,液膜到达133 nm的平衡膜厚度。疏水性玻璃基板与气泡间的液膜是不稳定的,液膜发生快速薄化并分别在185 nm临界膜厚处破裂。对疏水力进行定量求解发现该力以47. 30 nm的衰减长度衰减,所获得的疏水力为一种长程作用力,该力源于固液界面纳米气泡空化效应。AFM和DWFA排液试验中所用的气泡尺寸分别为微米级及毫米级,疏水力受气泡本身的尺寸影响,与气泡表面的毛细波传播有关,在吸引力作用下大气泡表面会形成更强烈的毛细波震荡。由于疏水界面水分子的热力学不稳定性,这种界面波动会诱发疏水固液界面空化气泡的析出,增加了引力作用程。     

浮选颗粒-气泡脱附机理研究进展及展望

浮选颗粒-气泡矿化包括碰撞、黏附以及矿化气絮体升浮3个子过程,部分目的矿物会在矿化气絮体升浮过程中发生脱附,降低目的矿物浮选回收率,这也是粗颗粒浮选效率较低的根本原因。深入理解颗粒-气泡的脱附机理一直是浮选领域的研究热点与难点,更是实现粗颗粒浮选强化的前提条件。围绕矿浆相、泡沫相以及矿浆-泡沫相界面区3个脱附区域,综述了颗粒-气泡脱附机理最新的研究进展,以期为粗颗粒浮选强化提供理论指导。湍流与气泡兼并脱附分别是颗粒在矿浆相和泡沫相中发生脱附的主要机制,而矿浆-泡沫相界面区颗粒脱附机理尚存在争议,一种观点认为矿化气絮体撞击界面时动能的改变导致脱附,另一种观点认为界面处气泡兼并引起的气泡振荡才是脱附的主要原因,该区域的脱附机理尚需进一步探索。最后提出了未来颗粒-气泡脱附机理研究的发展方向,包括矿浆相多种脱附机制协同作用、宽粒级物料的原位脱附过程及其粒度匹配效应、矿化气泡在相界面处碰撞及兼并脱附过程的能量演化竞争机制。     

界面化学在气泡-颗粒俘获中的重要作用

界面化学在气泡一颗粒俘获中起着关键的作用，因为它控制着附着是否发生。表面不均匀性、表面疏水程度、气核及其相关现象均影响颗粒与正接近的气泡之间的水润湿膜的稳定性。如果要发生俘获，则水润湿膜一定不稳定。描述了各种可用于量化这种界面化学控制行为的技术。     

基于微气泡残留的疏水性颗粒—气泡脱附新机制研究

脱附是导致粗颗粒浮选回收率低的重要原因。为了探究疏水性颗粒-气泡间脱附行为机理,利用自 制的浮选颗粒-气泡脱附测试系统对不同疏水性颗粒的脱附过程进行观测,借助 Image-Pro Plus 图像处理软件对颗 粒-气泡间接触角、三相润湿周边变化进行测量。结果表明：颗粒脱附过程中接触角并非保持不变,而是存在明显 的接触角滞后,接触角为 67.0°、83.9°和 98.7°的 3 种疏水性颗粒在达到前进接触角 106.7°、119.3°和 128.3°后三相润 湿周边开始滑动收缩。区别于传统三相润湿周边滑动脱附机制,发现在三相润湿周边滑动阶段为了保证颗粒前进 接触角不变,不可避免地会在颗粒表面形成反向毛细颈部,且反向毛细颈部处曲率随着三相润湿周边的收缩而快 速增加,并最终在拉普拉斯压力作用下发生断裂脱附,在颗粒表面留下微气泡。同时由于三相润湿周边滑移速度 随着颗粒疏水性的增加而降低,因此反向毛细颈部处曲率增加速率随颗粒疏水性的增加而增加,导致最终颗粒表 面残留微气泡大小也随颗粒疏水性的增加而增加。     

浮选中颗粒-气泡间相对运动研究进展

颗粒-气泡间相对运动的研究对浮选机理的认知至关重要,对新型浮选机的开发和提高浮选效率均具有指导意义,本文系统综述了颗粒-气泡间相对运动的研究进展。早期研究过程中,研究者忽略了颗粒和气泡性质的影响,将颗粒视为随流线运动的点,气泡视为刚性球体,利用流线方程对颗粒-气泡间的相对运动展开研究;随着认知过程的不断深入,颗粒和气泡物理化学性质的影响逐步得到了关注,研究者分别从颗粒惯性力、重力、形状和粗糙度以及气泡表面流动性等方面并展开了大量研究;颗粒-气泡间相对运动的试验研究多通过颗粒沉降法进行,研究对象由单个玻璃微珠发展为大量矿物颗粒,且出现了关于运动玻璃球与上升气泡之间相对运动的研究。研究表明,当颗粒粒度较细、密度较小时,利用流线方程对颗粒-气泡间相对运动的研究具有一定的适用性;当颗粒粒度较粗、密度较大时,需考虑正负惯性力、重力等因素对颗粒-气泡间相对运动的影响。此外,颗粒形状的不规则性会影响颗粒周围液体对颗粒的作用力,导致临界碰撞半径减小,且颗粒表面不规则的凸起会促进颗粒-气泡间水化膜的破裂,减少诱导时间,增大颗粒表面粗糙度有助于增强颗粒-气泡间的黏附强度。气泡表面的流动性可采用"滞留帽"模型进行分析,具有较好的适用性。对于颗粒-气泡间相对运动的试验研究主要采用颗粒沉降法,亲水玻璃微珠只能在气泡上半球滑行,到达气泡赤道位置附近后便离开气泡,疏水玻璃微珠会刺破颗粒-气泡间的水化膜,越过气泡赤道后会继续沿气泡表面滑行并最终黏附在气泡底部,煤颗粒与气泡的黏附效率随碰撞角和密度的增大而减小。然而目前的试验研究多集中于静水领域,对于浮选流场中颗粒-气泡间相对运动的试验研究尚需进一步探索。     

浮选系统中粗颗粒与气泡的碰撞行为研究

浮选设备中气泡与颗粒的碰撞是一个复杂的力学过程,本文设计了一套电磁发射装置,将颗粒以可控的速度和角度射向水中的静止气泡,用以简化模拟真实的浮选现象。高速相机被用来监测这一碰撞过程,然后对图像进行分析,提取了颗粒的运动参数以及气泡的变形信息,研究了颗粒与气泡的作用时间与液膜排液规律,并推导了一个数学模型来预测碰撞现象的时间尺度并提出了黏附判据。     

纳米气泡的制备方法及其强化微细颗粒矿物浮选机理的研究进展

综述了近年来纳米气泡的制备方法以及对矿物浮选行为影响的研究现状,包括体相纳米气泡的产生、界面纳米气泡的制备,总结了纳米气泡对微细颗粒浮选概率、颗粒表面性质差异以及颗粒回收粒度的影响。在此基础上,阐述了纳米气泡强化细颗粒浮选的机理,为纳米气泡浮选技术的基础研究和应用提供了研究方向。     

湍流场中浮选颗粒-气泡脱附行为的尺寸效应研究

湍流诱发浮选颗粒-气泡脱附已达成广泛共识,但湍流场中颗粒的脱附行为机制仍未明晰。传统离心脱附理论认为当颗粒所受离心力大于毛细力时颗粒从气泡表面脱附,忽略了颗粒重力对浮选颗粒-气泡间稳定性的影响,且未考虑不同尺寸颗粒间的脱附行为差异。采用自制的微流体通道湍流槽探索了湍流涡中不同尺寸颗粒的脱附行为,运用Image-Pro Plus图像处理软件对颗粒脱附过程的动力学参数进行测量分析。结果表明,粗颗粒(2.0 mm)质量大,颗粒在气絮体升浮阶段发生直接脱附;而中颗粒(1.0 mm)和细颗粒(0.5 mm)质量小,气泡会带动颗粒由湍流槽底部向湍流涡中心旋转迁移,同时颗粒在气泡表面高速旋转发生离心脱附。此外,颗粒稳定性分析表明传统邦德(B_O^*)模型并不能对湍流场中的颗粒-气泡气絮体稳定性进行准确判断,颗粒易受湍流涡加速或气泡振荡的影响,导致颗粒脱附时邦德数在1左右波动。     

Bubble–particle detachment in a turbulent vortex I: Experimental

The mechanics of the detachment of particles from bubbles in the flotation process in a turbulent environment are unclear. The traditional hypothesis assumes a bubble–particle aggregate is trapped inside an eddy of equivalent size, and the attached particles rotate at the same speed as the eddy. The rotational movement subjects the attached particles to a centrifugal force. It is theorised that particles detach when the centrifugal force is greater than the capillary force, but this hypothesis has not yet been experimentally proven.This work is an experimental study of bubble–particle detachment in a rotating eddy. A special experiment was designed to obtain a strong confined vortex, and bubble–particle aggregates were introduced into the cavity without destroying the vortex structure. This newly developed method, which provides a realistic analogue of the turbulent conditions in a flotation cell, is well suited to the study of an important sub-process of flotation in a turbulent field, namely, the stability of single bubble–particle aggregates.Particles can detach from bubbles by a number of ways, including inertial actions induced by rapid changes in direction, and disruption due to coalescence of colliding bubbles. In this paper, we focus on a particular mechanism, in which bubbles are observed to rotate in a turbulent vortex. Particles can be held on the surface of the bubble by surface tension, and the radial centripetal force induced by the rotation is sufficiently high, particles may detach. Experiments are described in which the process of particle detachment due to centrifugal movement, was captured by a high-speed video camera, and the necessary physical parameters, especially the rotational velocity of the particles, were extracted. For the first time, centrifugal movement of the particle on the bubble surface inside a vortex was observed, and the theory of detachment due to centrifugal forces in the turbulent field was experimentally proven.     

新疆库拜煤田煤层气开发利用先导性试验区井型探索

通过解析时长、降储比、临储比对生产井降压效果进行了考察和推测,认为丛式井组对扩散压降漏斗具备独特优势;引入气水比理念,综合讨论了不同井型的生产效益,得出示范区整体产气潜力较强。最后综合联系生产井排采效果、生产效益、工程和设备投入费用等方面,认为适合示范区煤层气大规模开发的井型依次为丛式井组、L型水平井,不宜采用单井台定向井。     

基于大型电厂配煤方案的颗粒物生成实验研究

燃煤电厂常采用混煤燃烧,为降低颗粒物的排放,需选择合适的配煤方案。基于国内某大型电厂常用的配煤方案,在实验室条件下进行了颗粒物生成实验研究。选择山西煤（SX）、澳洲煤（AZ）、伊泰煤（YT）3种烟煤和1种印尼褐煤（YN）,配煤方案为SX∶YN=3∶2,AZ∶YN=3∶2和AZ∶YT=3∶2（质量比）。在沉降炉中进行了原煤及混煤的燃烧实验,实验温度均为1 300 ℃,生成的颗粒物被低压撞击器所收集。实验结果表明,混煤及原煤燃烧生成的颗粒物具有相似的质量粒径分布;在所研究的条件下,混煤燃烧生成的颗粒物均少于由原煤燃烧颗粒物所得的计算值,不同煤中矿物质之间的交互作用是导致混煤燃烧颗粒物减少的主要原因;在所关注的3种配煤方案中,以混煤SX∶YN=3∶2燃烧生成的颗粒物总量最少,因此为最优配煤方案。     

高压水射流技术在低透气性松软煤层瓦斯抽放中的实验研究

针对低透气性松软煤层中瓦斯抽放效率低的问题,采用高压水射流技术在煤层中进行了增加煤层透气性的实验。实验采用在钻场瓦斯抽放钻孔中进行高压水射流割缝的措施,把煤体割缝破碎后,进行封孔抽放。实验结果表明这个措施能有效提高瓦斯抽放效率,提高煤层的透气性,使抽放后煤体残存瓦斯量降得更低,也减少了瓦斯灾害事故的发生概率     

松散煤层钻进用水玻璃注浆材料的室内研究

主要讨论了适用于晋煤赵庄矿3#煤储层裂隙过度发育和裂隙交汇地带随钻注浆加固浆液的性能。在室内实验中,用一定直径的松散煤粒作为胶结对象,固结浆液以水玻璃为主剂,测试松散煤粒与固结浆液混合后的抗压强度。研究了促凝剂A溶液含量、水玻璃含量、注浆浆液含量、煤样粒度等因素对固结体抗压强度的影响,得出了一种效果较好的固结浆液配方,可用于指导瓦斯抽采孔的施工。     

地质勘探应用膨胀管时膨胀力问题的研究

膨胀管技术是近年来钻井工程领域出现的一项新兴的技术,该技术可以把常规套管固井导致的缩径问题降到最低限度。它既能极大地降低建井成本,又具有很好的环保效果。膨胀管技术在地质勘探中的深孔护壁方面具有很好的前景。在理论计算公式的基础上进行膨胀力实验,根据实验结果和理论计算结果对比,选择合适的计算膨胀力的理论公式;根据实验数据对膨胀管在地质勘探上的可行性进行分析;利用润滑措施来降低膨胀过程中的摩擦力达到降低膨胀力的目的,并且对润滑措施的效果进行了理论分析。     

煤矿锚杆轴向受力无损检测试验研究与应用

煤矿巷道锚杆轴向受力是衡量其工作状态的重要指标,现有的检测手段尚不能有效对锚杆轴力状态进行随机、快速的无损检测。基于结构动力学原理,建立了锚杆轴向受力与锚固系统横向固有频率间的关系,并借助于专用的电液伺服锚杆拉力试验系统,测定了锚杆直径、锚固状态、围岩条件对锚固系统横向振动频率、锚杆轴向受力的影响规律。结果表明：锚杆锚固系统的横向振动频率与锚杆轴向受力具有很好的相关性;围岩性质是影响系统横向振动频率的主要因素之一;锚杆锚固系统的振动频率与锚杆轴向受力间可用对数函数关系描述。开发了锚杆轴向受力的无损检测技术,现场应用结果证明了该项技术对巷道锚杆轴向受力实施随机、无损检测的可行性。     

青海某铜矿选矿试验研究

青海某大型铜矿，由于矿石有用组分多，共生关系复杂，铜的嵌布粒度很细，且脉石矿物多易于泥化，属难选矿。通过大量的试验研究，获得了较好的技术指标。