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。     

浮选颗粒-气泡间脱附过程能量作用机制

浮选颗粒-气泡间稳定性分析是浮选领域内的研究重点,传统脱附理论认为当颗粒所受外 力大于颗粒-气泡间最大黏附力时颗粒从气泡表面脱附,忽略了颗粒-气泡间气液固三相润湿周边 滑动收缩的动态过程,未考虑脱附力作用时间对脱附过程的影响。 为了完善浮选颗粒-气泡间脱 附理论,以单颗粒、单气泡为研究对象,采用黏附力测量仪测量颗粒-气泡间脱附过程的临界脱附 力和脱附能,并借助颗粒-气泡振动脱附观测系统观察颗粒-气泡在脱附过程中三相润湿周边滑动 收缩规律,最后从热力学角度出发提出了一种基于能量分析的颗粒-气泡间稳定性评判方法。 结 果表明:随着颗粒接触角的增加颗粒-气泡间稳定性增强,发生脱附时需要的临界脱附力和脱附能 增大。 颗粒-气泡间脱附能由气泡拉伸变形阶段的形变能和三相润湿周边滑动收缩阶段的滑动能 两部分组成,两部分能量均随颗粒接触角的增加而增加。 颗粒从气泡表面脱附一方面要求外力大 于颗粒-气泡间最大黏附力,另一方面还需外力作用足够时间以保证气液固三相润湿周边完成滑 动收缩。 从能量角度来看,颗粒-气泡间不受外力时可看作是一个处于平衡状态的热力学系统,当 外力做功小于脱附能时颗粒-气泡间通过气液、液固和气固界面面积的变化维持稳定;但当外力做 功大于脱附能时颗粒与气泡分离。     

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。     

难浮粗颗粒煤泥在浮选柱柱体轴向的脱附规律

粗颗粒煤泥易于脱附是限制粗颗粒煤泥浮选的主要因素,为了探究粗颗粒煤泥在柱体内轴向的脱附规律,运用一种可在浮选柱给料口上方不同轴向位置添加上升水流的自制流化床浮选柱使浮选柱给料口以上的上升水流表观流速大于粗颗粒粒群的最大沉降末速,从而将经气泡携带至给料口以上的粗颗粒带入泡沫产品,减少在给料口以上因粗颗粒脱附而引起的精煤损失。研究结果表明,难浮粗煤粒在柱体轴向的脱附率和柱体轴向高度之间成线性关系,且界面脱附约占总脱附率的40%,从而证明难浮粗颗粒的主要浮选缺陷是脱附概率大,通过在给料口以上添加上升水流或者降低给料口以上柱体高度可有效实现难浮粗颗粒的浮选。     

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。     

颗粒疏水性对浮选颗粒-气泡涡旋湍流脱附机制的影响

颗粒疏水性是影响浮选回收率的重要因素,为明晰颗粒疏水性对颗粒气泡涡旋脱附的影响机制,采用自制的浮选颗粒气泡受限湍流脱附测试平台探索了湍流涡中不同疏水性气絮体的脱附行为.结果表明,气絮体在进入壁腔后被涡旋捕获,随后在壁腔内做旋转离心运动.低、高疏水性颗粒在壁腔中的平均脱附时间分别为0.34 s和0.59 s,表明高疏水性颗粒有助于提升气絮体在涡旋中的稳定性.进一步研究了不同疏水性颗粒在涡旋中的脱附机制,创新性地将颗粒气泡气絮体在涡旋中的脱附行为分为流体剪切脱附和颗粒离心脱附.低疏水性颗粒主要在壁腔中心区域发生脱附,全部表现为因离心力过大而导致的离心脱附;对于高疏水性颗粒,虽然离心脱附仍为主导脱附机制,但气絮体有20％的概率会在壁腔顶端位置因受到强烈的湍流应力作用而发生剪切脱附.     

流态化浮选技术概述

首先分析总结了粗颗粒矿物难浮的原因为粗颗粒矿物与气泡接触时间短,感应时间长,与气泡气固黏附强度低;其次介绍了流态化技术的发展以及该技术在粗颗粒分选中的应用,气固、液固两相流态化在煤分选领域普遍应用,由于有色金属矿分选领域的复杂性,气液固三相流态化浮选技术处于研究阶段;同时总结了流态化浮选技术原理和设备的研究进展,HydroFloat Separator和NovaCell是具有代表性的设备;分析了流态化浮选的主要研究方向和发展趋势为三相流态化浮选动力学过程研究,三相流场模拟策略研究,以及复合力场的加入提升矿物粒度浮选上限。     

煤泥浮选过程中粗颗粒的强化回收研究

对山西某选煤厂的浮选产品进行分析,得出+0.125 mm粗颗粒的回收效果较差,是导致精煤产率低的主要原因。以该厂的浮选入料作为试验样品,进行了粗颗粒强化回收试验研究,结果表明:分级浮选效果最佳,与全粒级浮选时相比,药剂用量相同时,在精煤灰分基本相当的情况下,精煤产率和可燃体回收率分别提高了5.19和5.67个百分点。     

纳米气泡浮选过程强化研究进展

浮选是低品质矿及煤分选提质的有效手段,其中微细粒浮选难题突出,而纳米气泡则是解决该难题的重要途径,但关于纳米气泡浮选过程强化的诸多基础科学问题仍未解决。为促进微细粒纳米气泡浮选过程强化技术的开发,重点围绕浮选过程中纳米气泡的界面选择性成核动力学、界面纳米气泡超常稳定性机理及纳米气泡强化颗粒-气泡捕获效率微观作用机制等三个关键科学问题,介绍了笔者团队在纳米气泡浮选过程强化方向的最新研究进展。研究结果表明：纳米气泡的选择性成核是纳米气泡浮选过程强化的关键,而纳米气泡的稳定性则是纳米气泡浮选过程强化的前提;纳米气泡浮选过程强化的机制主要包括促进颗粒絮团与缩短诱导时间,其内在作用机制来自纳米气泡长程疏水引力与边界滑移的协同作用。笔者团队的研究阐明了纳米气泡固-液界面选择性成核的能量作用机制,提出了基于界面高密度气层自动补偿的界面纳米气泡稳定性机理,建立了微纳力学-边界滑移协同驱动的纳米气泡强化浮选界面作用机制,进一步丰富发展了现代浮选基础理论,为开发微细粒纳米气泡浮选过程强化技术提供了一定的指导。     

浮选气泡尺寸对粗颗粒-气泡涡旋湍流脱附机制的影响

气泡是浮选过程中不可或缺的重要角色,其尺寸对颗粒-气泡间相互作用有着显著影响,然而气泡尺寸对粗颗粒-气泡涡旋湍流脱附机制的影响尚未清晰。为此,采用自制的颗粒-气泡受限湍流脱附测试平台探索了涡旋湍流中不同气泡尺寸的气絮体上颗粒的脱附行为,并运用Image-Pro Plus图像处理软件对颗粒脱附过程的动力学参数进行了测量分析。结果表明：在确保气泡浮力的前提下,减小气泡尺寸能够显著提升粗颗粒-气泡的矿化气絮体在涡旋湍流中的稳定性;涡旋湍流中气絮体上颗粒的脱附主要表现为流体剪切、气泡振荡和颗粒离心三种脱附形式,方腔内涡旋结构的改变对气絮体上颗粒的脱附方式至关重要;区别于传统离心脱附理论,涡旋湍流驱使下颗粒并非单独在气泡表面做高速离心运动,而是与气泡一起做离心运动,且小气泡与颗粒在方腔内共同旋转时,位于气泡外缘的颗粒与气泡运动速度接近,相应气絮体稳定性高,颗粒不易发生离心脱附,而大气泡形成的气絮体中,气泡外缘的颗粒与气泡运动速度差异明显增大,颗粒相对于气泡旋转更快,从而使得颗粒所受离心力显著增强,增加了离心脱附的可能性。研究结果有望对涡旋湍流场中粗颗粒的脱附机制提供一个基本认识。     

粗颗粒浮选技术及其应用

粗颗粒浮选技术提高了矿物颗粒可浮选粒度上限,并且可以减少能量的消耗,这对于预选抛尾和粗粒尾矿再选,特别是对易于过粉碎的矿物浮选具有重大意义。近年来已有许多粗粒浮选技术应用于煤炭、磷酸盐矿等的选别。从分析粗颗粒矿物的性质及其难浮选的问题出发,提出了改善粗颗粒浮选的方法,总结了泡沫中浮选法、闪速浮选法、流化床浮选法等浮选方法及相关设备,并介绍了不同方法在实际生产应用中的优缺点。     

基于高速动态的颗粒气泡脱附过程动力学研究

通过颗粒气泡脱附高速动态测试系统,研究了颗粒气泡脱附过程动力学。运用Image-Pro Plus图像处理软件测量颗粒气泡间接触角、三相润湿周边,计算颗粒气泡间毛细黏附力随颗粒运动时间的变化。结果表明:颗粒从气泡表面脱附主要分为气泡拉伸变形接触角增大和气泡滑动三相润湿周边减小两个阶段。气泡拉伸阶段,三相润湿周边固定在颗粒表面,接触角由平衡接触角增大到前进接触角;气泡滑动阶段,接触角保持不变,三相润湿周边滑动减小。毛细黏附力在气泡脱附过程中随接触角增大而增大,随三相润湿周边滑动而减小,当外力超过颗粒气泡间临界黏附力时,颗粒从气泡表面脱附。     

粗煤泥流态化浮选颗粒流化特性及分选效果研究

气液固流态化浮选新技术基于重浮耦合原理可实现粗颗粒高效回收,以1.0～0.5 mm粗煤泥为研究对象,系统探究了水速、充气量、捕收剂和起泡剂用量等因素对实验室二维流态化浮选床层流化特性和分选效果的影响。结果表明：增加水速、降低充气量及添加起泡剂和捕收剂均可有效降低压力信号波动,增加床层稳定性。降低充气量可以减小气体在床层内部的表观气速,而水速的增加和起泡剂的添加会通过流体的剪切效果和表面张力的降低使气泡尺寸减小,捕收剂的添加则有助于气泡与颗粒的黏附,降低气泡的上浮速度。随水速和充气量的增加,精煤灰分呈现先减小后增加的趋势,但尾煤灰分趋势略有不同,过高的充气量会扰乱床层导致返混严重,尾煤灰分增加;捕收剂和起泡剂的适当加入会进一步降低精煤灰分,这是由于浮选气泡在粗颗粒表面的黏附,降低了其表观密度,强化了按密度分选效果,但是过量的药剂加入可能会导致浮选夹带现象的出现,增加精煤灰分。最后研发了直径200 mm流态化浮选设备用于半工业试验,以 1.0～0.25 mm粗煤泥为入料,在水速为15 L/min、充气量为1.5 L/min、捕收剂200 g/t和起泡剂400 g/t条件下可获得最佳分选指标,精煤灰分和产率分别为9.34%和90.13%,尾煤灰分和产率分别为38.51%和9.87%。本研究对实现流态化浮选过程床层稳定性调控及粗煤泥高效回收利用具有重要意义。     

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。     

粗颗粒浮选技术与装备研究进展与趋势

矿物的粒度是影响矿物浮选的关键因素之一,粗颗粒浮选不仅对于缓解碎磨压力、节能降耗具有重大意义,而且有利于尾矿的资源化利用,为无尾或少尾矿山提供了新的解决方案,因此粗颗粒浮选对于绿色矿山建设意义重大。从颗粒表面特性基因和泡沫特性基因的角度出发,结合基因矿物加工工程的理念,综述了国内外对粗颗粒浮选技术与装备的研究进展,分别总结了机械搅拌式粗粒浮选、粗颗粒流化床浮选和泡沫中分选(SIF法)浮选技术的原理及其优势和不足。重点对影响粗颗粒浮选过程中的因素进行了探讨,明确了影响粗颗粒浮选的关键因素,常规浮选技术难以从根本上提升矿石分选的粒度上限,复合力场与浮选的结合为粗颗粒乃至超粗颗粒的浮选提供了可能,将推动矿物综合回收率的进一步提升和尾矿资源的高消纳综合利用。     

微细粒矿物浮选颗粒−气泡碰撞的湍涡作用机理及过程强化

微细矿物分选一直是困扰业界的难题,浮选是分选细粒矿物的主要方法,微细粒矿物质量小、惯性低、动能低,遇气泡易随流线绕流气泡而过,难以摆脱流线与气泡发生接触,与气泡的碰撞概率极低,是导致微细颗粒浮选回收困难的重要原因之一。强湍流流动因能提高颗粒动能以及颗粒−气泡碰撞频次,成为微细粒浮选的必要条件,然而,受制于湍流高频脉动及多尺度涡特征,颗粒、气泡在湍流环境中的运动及矿化过程与层流中差异极大,碰撞机理并不明晰。利用高频粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)和高速显微摄像技术测量了各向同性湍流场中流体、颗粒及气泡的微尺度动力学行为,借助小波变换等数学手段,对湍流场的多尺度涡特性进行数学分解,从微观湍流层面解析了湍流小尺度涡运动对颗粒、气泡运动及碰撞过程的影响规律。研究发现：湍流场中微细颗粒运动受制于湍流小尺度涡运动,两者尺度具有相关性,在研究尺度范围内,流场所能够产生的Kolmogorov涡尺度越接近颗粒尺寸,颗粒滑移速度越大,颗粒摆脱流线与气泡发生碰撞的可能性越大;湍涡也会短暂“捕获”气泡且并影响气泡速度及轨迹;与常规碰撞矿化认知不同,大多颗粒在随流场主流宏观运动的过程中,局部跟随微观小尺度涡旋转,气泡在高涡量区内随涡体旋转且自转过程中裹挟颗粒,通过剪切碰撞的方式与颗粒发生矿化。基于此,提出了冲击流、涡流发生器等高涡量小尺度涡场的构涡方法,使浮选流场湍涡运动能有效作用到微细尺度颗粒上,提高微细颗粒−气泡碰撞概率,降低浮选有效回收粒度下限;不同类型纯矿物及实际矿物的浮选试验表明,通过对流场的湍涡调控,切实有效提高了微细矿物颗粒的浮选性能。研究将微细粒矿物浮选的过程强化从“调粒/调泡/调药”扩展到“调涡”,为低品质贫杂难选矿产资源的强化回收提供了新的思路和方法。     

普朗铜矿粗颗粒水力浮选实验研究

针对云南普朗斑岩型铜矿难磨难选的特点,在分析矿石性质的基础上进行粗颗粒水力浮选实验。矿石中的铜主要以黄铜矿形式赋存,钼主要以辉钼矿形式赋存,脉石矿物主要为石英及钠/钙长石。采用HydroFloat水力浮选机对粗颗粒铜钼矿进行混合浮选,达到抛尾目的,减少后续磨矿能耗。HydroFloat水力浮选机在传统流化床的基础上引入气泡,通过复合力场使粗颗粒悬浮后随气泡上升达到分选目的。经水力浮选后,可从铜品位0.39%和含钼0.009%的原矿浮选得到铜品位为0.73%、回收率为95.84%,钼品位为0.016%、回收率为92.05%的铜钼混合粗精矿,抛尾率可达48.80%。     

浮选柱串联工艺改善粗颗粒煤泥浮选效果的探索

 摘　要：分析了浮选柱处理粗颗粒煤泥的现状,构建了浮选柱串联试验系统,通过试验证明了浮选柱串联可有效改善粗颗粒煤泥的分选效果,提高浮选精煤回收率和浮选完善指标,为将来浮选柱串联系统的工业实践奠定了基础。     

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。     

粗煤泥流态化浮选柱优化设计试验研究

在气水混合扩散口添加圆孔格栅板,对屯兰选煤厂2~0 mm粗煤泥进行了浮选试验。通过调节充气量、顶水量和矿浆浓度等参数,探究加格栅板后流态化浮选柱对粗煤泥的分选规律。