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。     

浮选过程中颗粒–气泡黏附作用机理及研究进展

矿物表面粗糙度是影响浮选效果的重要因素。表面粗糙度会影响矿物的疏水性、药剂的吸附以及颗粒–气泡间液膜的破裂,对颗粒–气泡相互作用过程产生显著影响。然而,目前缺乏关于粗糙度影响颗粒–气泡相互作用过程相关研究工作的系统评述。为此,首先梳理了表面粗糙化修饰技术及粗糙度测试方法。其次,从浮选动力学、接触角、三相接触线形成时间、颗粒–气泡相互作用力4个方面系统地论述了粗糙度对颗粒–气泡相互作用过程的影响,明确了粗糙度尺度这一概念对于颗粒–气泡相互作用研究的重要性;基于粗糙度尺度与矿物表面疏水性在颗粒–气泡相互作用过程中的耦合机制,提出了矿物表面润湿状态在粗糙表面与气泡相互作用过程的重要性,并分析讨论了目前粗糙度对接触角、浮选效果的影响研究结论不一致的原因。最后,通过批判性分析和综述文献研究结果得出结论,并对未来的研究发展方向进行了展望。有助于更好地理解矿物表面粗糙度对浮选过程的影响,可以为调控矿物表面粗糙度创造有利的浮选条件,提高浮选的效率和选择性提供理论支撑。

     

煤泥浮选过程强化之六——浮选流体动力学与界面调控协同强化篇

颗粒−气泡间的相互作用涉及颗粒−气泡碰撞、黏附和脱附,作为泡沫浮选的基本单元直接影响浮选效率。其中,颗粒−气泡黏附伴随着颗粒−气泡间润湿膜的薄化破裂。明晰润湿膜薄化过程中颗粒−气泡间的相互作用,对强化难浮煤/难选矿浮选回收具有重要的理论指导意义。采用动态润湿膜测试系统(DWFA)研究了亲/疏水二氧化硅表面与气泡之间润湿膜的时空演化,基于润湿膜薄化动力学数据数值求解了颗粒−气泡间相互作用力,进一步分析了润湿膜薄化过程中流体力和表面力协同作用机制。结果表明,亲水二氧化硅−气泡间润湿膜最终呈现“U”型平衡轮廓,其中心点厚度为121.0 nm;疏水二氧化硅−气泡间润湿膜不稳定并于0.93 s快速破裂,中心点临界破裂厚度为157.8 nm。颗粒−气泡相互作用力学分析表明,分离距离较远时,马达以6 μm/s给定速度驱动样品接近气泡,流体力是颗粒−气泡润湿膜排液的最主要贡献力。当颗粒−气泡分离距离缩短至约300 nm时,表面力开始作用。亲水二氧化硅−气泡间润湿膜排液速率低、达到平衡所需时间久,在润湿膜稳定前,马达停止驱动,继而流体力减小,表面力增大,排斥性分离压力主导亲水二氧化硅−气泡间润湿膜缓慢排液至平衡。疏水二氧化硅−气泡间流体力持续增大,随着分离距离减小,吸引性范德华力或疏水力等表面力作用,诱发润湿膜快速破裂。因此,对于表面疏水性弱的二氧化硅,其与气泡间排斥作用强,不利于颗粒−气泡黏附;通过表面改性方法提高其表面疏水性,可诱发颗粒−气泡间润湿膜破裂,提高黏附概率,这归因于疏水颗粒−气泡间吸引性分离压力。

     

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。     

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。     

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。     

湍流环境下颗粒与气泡黏附过程的数值模拟研究

研究湍流环境中颗粒与气泡的黏附过程对于探究浮选微观过程具有重要意义。基于EDEM的API(应用程序编程接口)二次开发模块,建立了颗粒与气泡黏附过程相互作用的三维离散元法(DEM)模型。在Fluent软件中通过构建规则格栅以激发各向同性的湍流,并将湍流环境通过计算流体力学−离散元(CFD−DEM)加入到EDEM软件中。模拟了颗粒粒径为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 mm,颗粒密度为1500、2000和2500 kg/m³,球形度为0.746 ～ 0.854的不规则颗粒,和气泡直径为1.00、1.20、1.60和2.00 mm,在气泡与格栅间距离为1.00、1.50、2.00和3.00 mm的湍流环境下颗粒与气泡的黏附过程。研究了颗粒、气泡、流场各参数对于颗粒与气泡黏附过程的影响。结果发现,无论规则颗粒还是不规则颗粒在湍流环境中与气泡的黏附均存在临界脱附流速(颗粒与气泡发生脱附的最小湍流流场流速)。密度大的颗粒和粒径大的颗粒与气泡黏附的临界脱附流速更小,表明粒径和密度大的颗粒与气泡难以稳定黏附。气泡的直径越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,颗粒越难以稳定黏附。在相同的流速下,气泡与格栅间距离越小,则流场湍流强度越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,表明湍流强度的增加不利于颗粒与气泡的稳定黏附。球形度小的颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速也较小,表明球形度小的颗粒与气泡难以稳定黏附。     

基于电阻应变悬臂梁的浮选颗粒−气泡间相互作用力测试研究

浮选是依据颗粒表面疏水性差异实现有用矿物与脉石选择性分离的界面分选方法,其核心作用单元是颗粒−气泡矿化。颗粒−气泡间相互作用力直接决定了颗粒−气泡矿化效率,是窥视浮选微观机理的重要窗口,但纳微尺度下力的高精度低成本测试一直是领域内的巨大挑战。基于此,提出了基于电阻应变悬臂梁的浮选颗粒−气泡间相互作用力测试方法,采用电阻应变原理检测铝合金悬臂梁的微小形变与受力,并设计惠斯通全桥电路完成电阻变化与电压信号的转换−放大−输出。最后自主搭建了浮选微力测试系统,由电阻应变悬臂梁力传感器、位移驱动系统、图像采集系统、信号放大与采集系统、控制单元、隔振平台等模块组成,并探索了颗粒表面疏水性、气泡尺寸以及气泡接近速度对颗粒−气泡间相互作用力的影响规律,结果发现：浮选微力测试系统校准试验结果的线性拟合R²值为0.99989,表现出优异的线性响应特性,系统的力学灵敏度为72.57563 μN/mV,实际力检测下限约为2 μN。颗粒−气泡间黏附力随表面接触角和气泡尺寸的增加呈现单调递增趋势,在20～60 μm/s速度区间内,小梯度的气泡接近速度变化对颗粒−气泡间黏附力影响不大,同时力试验值与Young-Laplace方程理论计算结果相近。浮选微力测试系统具有结构简单稳定、灵敏度高、制造成本低等综合优势,在浮选界面作用基础研究领域有着广阔的应用前景。     

相互作用力及液膜排液动力学研究进展

颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化破裂动力学是揭示浮选黏附机理的核心,也是近年来浮选胶体化学领域的研究热点。为深入明晰浮选黏附机理,对当前颗粒气泡间相互作用力及液膜排液动力学模型理论研究进展进行了系统综述。对于颗粒气泡间相互作用力,疏水引力可克服颗粒气泡间范德华力和静电斥力,诱发黏附。不同作用程范围内疏水力的来源机制不同:长程疏水力(>20 nm)主要源于固液界面亚微米/纳米气泡桥接,而短程疏水力(<20 nm)则主要源于固液界面水分子重排效应。由于疏水力强烈的吸引性和气液界面变形,颗粒气泡间疏水力的定量表征仍存在较大的挑战。对于颗粒气泡间液膜排液动力学模型,最具代表性的有Stefan-Reynolds平坦膜模型,Taylor模型和Stokes-Reynolds-Young-Laplace(SRYL)模型。Stefan-Reynolds及Taylor模型并未考虑排液过程中气泡表面曲率的变化,其应用存在着较大的局限性。SRYL模型则在描述液膜薄化速率的同时,兼顾了气泡表面在流体力和表面力等外力作用下的变形行为。在给定起始与边界条件下,SRYL模型通过数值迭代法与液膜排液试验测试结果对比,可以计算出颗粒气泡间的相互作用力信息;也可通过与相互作用力试验结果对比获得液膜排液数据。在今后的研究中,应重点将SRYL模型与试验测试相结合,对颗粒气泡间疏水力进行定量表征,揭示浮选黏附机理。     

气泡-颗粒间相互作用行为在矿物浮选中的应用研究进展

气泡-颗粒间相互作用行为是浮选过程中的重要环节,本文综述了浮选中气泡-颗粒间三种典型的相互作用力及现代测量技术与应用。在浮选工艺中,气泡-颗粒相互作用受到多种因素影响,例如气泡尺寸、接近速度、表面活性剂类型、矿物润湿性、润湿膜的稳定性和诱导时间等。为了进行多样化和精确化研究,本文介绍了几种传统的和新型的测力技术及作用行为可视化手段,及其在矿物浮选中的应用。     

矿粒在气泡表面粘着感应时间模型

基于相界面质量、动量平衡定理，对矿粒在气泡表面粘着行为进行了动力学分析，考虑了范德华作用力以及双电层作用力对粘着过程产生的影响，建立了感应时间模型，该模型与前人实验结果吻合较好。     

原子力显微镜在矿物加工领域中的应用现状

介绍了原子力显微镜的工作原理,综述了原子力显微镜在矿物加工领域中的应用现状。基于原子力显微镜的原理和特点,认为原子力显微镜将成为未来矿物加工研究的有力工具,为研究矿物表面的结构,理解矿物与溶液之间以及矿物之间的作用过程,探讨矿物作用机理提供了新的途径。     

盘式锚杆微观锚固机理数值分析研究

盘式锚杆通过锚盘在土体中发挥作用,很大程度的提高了锚杆的极限拉拔力,表明了盘式锚杆在微观锚固机理上有其自身的特殊性。本文通过MIDAS-GTS数值模拟软件建模并分析了普通锚杆和盘式锚杆的微观锚固机理,总结出了盘式锚杆的特点和优势,意在能更好的指导盘式锚杆应用于工程实践。     

盘式锚杆微观锚固机理数值模拟分析

盘式锚杆通过锚盘在土体中发挥作用,很大程度上提高了锚杆的极限拉拔力,表明盘式锚杆在微观锚固机理上有其自身的特殊性。通过MIDAS-GTS数值模拟软件进行建模,分析普通锚杆和盘式锚杆的微观锚固机理,总结出盘式锚杆的特点和优势,更好地指导盘式锚杆在工程实践中的应用。     

煤层气已排采井井间干扰试井解释方法及应用

干扰试井是确定井间关系、连通状况和求解井间地层特性的重要手段。煤层气已排采井在关井进行干扰试井测试时,井底压力为本井恢复压力叠加激动井干扰后的复合压力,区别于常规干扰试井背景压力为均一的原始储层压力或成线性变化的特征。提出了采用多井数值试井分析对煤层气已排采井的井底压力进行净干扰压力分离的方法;采用以数值试井、极值点分析及图版拟合等多方法相互验证的干扰试井解释方法。并以沁水盆地南部柿庄南区块A-B井组为例进行了分析,所得井间连通性及方位渗透率与该区域地质特征基本一致。测试结果对该区域压裂设计、开发方案的制定等具有重要作用。