無(wú)煙煤顆粒對(duì)浮選體系中氣泡運(yùn)動(dòng)及兼并行為的影響

李志朋，孟 濤

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.和艦科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215025)

浮選過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，其主要利用有用礦物與脈石礦物表面性質(zhì)的差異，通過(guò)氣泡將疏水性礦物富集，從而達(dá)到有用礦物與脈石礦物分離的目的。目前，浮選仍是微細(xì)粒礦物分選的最主要的途徑，對(duì)于低品質(zhì)煤提質(zhì)，減少污染物的排放有著重大的意義[1-3]。浮選氣泡的穩(wěn)定產(chǎn)生是浮選過(guò)程有效發(fā)生的前提條件，其兼并行為決定了氣泡尺寸和穩(wěn)定性，從而影響氣泡礦化幾率，對(duì)生產(chǎn)合格產(chǎn)品有著巨大的影響。而固體礦物顆粒與氣泡之間的相互影響關(guān)系著整個(gè)浮選過(guò)程的順利進(jìn)行。

固體顆粒在氣泡表面的黏附及其在氣泡結(jié)構(gòu)內(nèi)的夾雜是影響氣泡穩(wěn)定性的重要因素，固體顆粒對(duì)氣泡兼并有很大的影響。馬亮[4]采用電解浮選法，以油酸鈉作為捕收劑，對(duì)不同粒級(jí)的白鎢礦、方解石和螢石的浮選行為進(jìn)行了研究。利用高速攝影儀對(duì)不同試驗(yàn)條件下的氣泡性質(zhì)及其與顆粒的相互作用進(jìn)行了探索，研究結(jié)果表明：隨著礦漿濃度的增大，氣泡群的尺寸也隨之增大。梁永忠[5]以不同粒級(jí)的滑石為研究對(duì)象，探究了其對(duì)浮選泡沫穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明浮選體系中細(xì)?；呐菽€(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粗?；?。張世杰[6]自主搭建了礦物顆粒與浮選氣泡碰撞黏附的研究系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)顆粒與氣泡發(fā)生碰撞接觸的各個(gè)方向中，在中心位置處下落黏附效率最大，顆粒下落位置越偏離氣泡中心，黏附效率越低。朱麗[7]認(rèn)為上升氣泡與固體顆粒存在的氣液界面間的聚攏與固體顆粒的粒度、顆粒與氣液界面接觸時(shí)間及顆粒在水中停留時(shí)間有關(guān)。固體顆粒粒度越小，與氣液界面接觸時(shí)間越長(zhǎng)，在水中停留時(shí)間越短，越容易與上升氣泡在氣液界面聚攏。目前相關(guān)學(xué)者初步探索了顆粒碰撞方向、密度[8-9]、形狀和粗糙度[10-11]等因素對(duì)浮選體系中氣泡運(yùn)動(dòng)及兼并行為的影響，但大部分都停留在理論推導(dǎo)層面，試驗(yàn)研究較少。為此，試驗(yàn)以煤炭浮選為切入點(diǎn)，探究了無(wú)煙煤顆粒對(duì)煤炭浮選過(guò)程中氣泡兼并行為的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)用主要儀器設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

1.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用的樣品來(lái)自河南永城礦區(qū)進(jìn)入浮選系統(tǒng)前的煤泥水。將煤泥水澄清后，底部沉淀經(jīng)抽濾、烘干后備用。對(duì)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

將預(yù)處理后的煤樣經(jīng)研磨機(jī)研磨后進(jìn)行了濕法篩分，分別得到<0.074 mm(200目)、<0.037 mm(400目)、<0.01 mm(1 250目)三個(gè)粒級(jí)的樣品。將篩分后的煤樣經(jīng)超聲分散后利用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，獲得樣品的粒度特征數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤樣粒度分析結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

氣泡兼并行為的觀測(cè)主要采用單氣泡兼并行為觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)組成如圖1所示。其中氣泡發(fā)生槽由有機(jī)玻璃制成，透光性良好，外部尺寸為10 cm×10 cm×50 cm。通過(guò)微量注射泵向氣泡發(fā)生槽通入體積可控的空氣，在氣泡發(fā)生槽中產(chǎn)生可觀測(cè)的均一穩(wěn)定的氣泡。高速攝像裝置主要用于錄制試驗(yàn)視頻，為圖像分析軟件提供視頻素材。

1—高速攝像裝置；2—?dú)馀莅l(fā)生槽；3—光源；4—微量注射器

試驗(yàn)步驟如下：

(1)打開(kāi)光源和微量注射器，調(diào)節(jié)注射速度(即氣泡體積)，直至氣泡發(fā)生槽內(nèi)能產(chǎn)生間斷穩(wěn)定的氣泡。最終確定注射速度為0.3 mL/min。

(2)打開(kāi)高速攝像裝置，設(shè)定拍攝速度為1 000幀/s，調(diào)整鏡頭高度及焦距準(zhǔn)備拍攝。

(3)采用i-SPEED3 suite將拍攝到的視頻圖像轉(zhuǎn)換為連續(xù)單幀的圖片文件，再采用Image-Pro Plus 7.0軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，得到所需的氣泡參數(shù)，包括氣泡掙脫直徑、氣泡縱橫比、氣泡瞬時(shí)速度等，最終數(shù)據(jù)以Excel表格形式導(dǎo)出，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)煙煤顆粒對(duì)浮選體系氣液界面表面張力的影響

利用K100界面張力儀來(lái)測(cè)量不同無(wú)煙煤顆粒粒度和濃度下的溶液表面張力，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，顆粒質(zhì)量百分比在0.01%～0.05%濃度區(qū)間內(nèi)，隨著顆粒濃度的逐漸增加，溶液的表面張力首先出現(xiàn)急劇下降，之后下降速率變緩；在0.01～0.074 mm粒級(jí)區(qū)間內(nèi)，隨著顆粒粒度的逐漸增大，表面張力整體變化較小。出現(xiàn)以上趨勢(shì)的原因?yàn)?，溶液中的固體顆粒會(huì)穩(wěn)定在氣液界面上，因?yàn)轭w粒之間的靜電斥力導(dǎo)致氣液界面表面張力降低，也即氣液界面的表面能降低[12-13]。

圖2 無(wú)煙煤顆粒的濃度和粒度對(duì)溶液表面張力的影響

2.2 無(wú)煙煤顆粒對(duì)浮選體系中氣泡掙脫尺寸的影響

利用單氣泡兼并行為觀測(cè)系統(tǒng)探究無(wú)煙煤顆粒粒度和濃度對(duì)溶液中氣泡掙脫尺寸的影響。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 無(wú)煙煤顆粒濃度和粒度對(duì)氣泡掙脫直徑的影響

由圖3可知：在顆粒質(zhì)量百分比在0.01 %～0.03%濃度區(qū)間內(nèi)，隨著無(wú)煙煤顆粒濃度持續(xù)增加，氣泡掙脫直徑呈急劇下降趨勢(shì)，變化較大；在0.01～0.074 mm粒級(jí)區(qū)間內(nèi)，隨著無(wú)煙煤顆粒粒度的逐漸增大，氣泡掙脫直徑整體在3.26～3.325 mm之間變化，變化較小。出現(xiàn)這種趨勢(shì)主要原因是，隨著顆粒進(jìn)入溶液體系內(nèi)，壓縮了氣泡與液相接觸周邊的當(dāng)量半徑，液相會(huì)更多地與固體顆粒表面及毛細(xì)管接觸，從而會(huì)延緩三相周邊的擴(kuò)大，從而導(dǎo)致形成直徑比較小的氣泡，氣泡形成時(shí)間明顯降低[14-15]。

2.3 無(wú)煙煤顆粒對(duì)氣泡縱橫比及運(yùn)動(dòng)速度的影響

選取粒度為<0.01 mm的無(wú)煙煤顆粒、顆粒質(zhì)量百分比為0.01%的溶液來(lái)探究氣泡形態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度隨顆粒濃度及粒度的變化，對(duì)氣泡縱橫比和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：隨著觀測(cè)時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，三種不同濃度的顆粒懸浮液中氣泡縱橫比整體穩(wěn)定在一定區(qū)間內(nèi)(2.8～3.4)；在區(qū)間內(nèi)對(duì)比可知，高濃度顆粒懸浮液中氣泡縱橫比明顯比低顆粒濃度懸浮液中的大；在無(wú)煙煤顆粒質(zhì)量百分比為0.03%時(shí)，氣泡縱橫比達(dá)到極值，整體接近3.5。

隨著觀測(cè)時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，三種不同粒度顆粒的懸浮液中氣泡縱橫比整體開(kāi)始穩(wěn)定在一定區(qū)間內(nèi)。由圖4可直觀地看到粒度越大，氣泡縱橫比就越大，且三種粒度顆粒的懸浮液中氣泡縱橫比差距較大，其中當(dāng)粒度為<0.074 mm時(shí)，氣泡縱橫比最大能達(dá)到3.9。

圖4 無(wú)煙煤顆粒濃度和粒度對(duì)氣泡形態(tài)的影響

圖5為無(wú)煙煤顆粒濃度和粒度對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)速度的影響。由圖5可知：在無(wú)煙煤顆粒懸浮液中，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度隨著顆粒粒度和濃度的增加而減小。當(dāng)顆粒質(zhì)量百分比為0.03%時(shí)，氣泡上升末速在22～25 cm/s之間；當(dāng)顆粒質(zhì)量百分比為0.01%時(shí)，氣泡上升末速在25～30 cm/s之間，二者差距明顯。當(dāng)顆粒粒度為<0.01 mm時(shí)，氣泡上升末速變化區(qū)間為24～30 cm/s；當(dāng)顆粒粒度<0.074 mm時(shí)，氣泡上升末速變化區(qū)間為18～22.5 cm/s，二者差距較大。

圖5 無(wú)煙煤顆粒濃度和粒度對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)速度的影響

2.4 無(wú)煙煤顆粒對(duì)氣泡兼并行為的影響

通過(guò)對(duì)比不同顆粒條件下氣泡與液面的兼并時(shí)間，分析了顆粒對(duì)氣泡兼并行為的影響。圖6為無(wú)煙煤顆粒濃度和粒度對(duì)氣泡在液面處運(yùn)動(dòng)速度的影響。

由圖6可知：無(wú)煙煤顆粒的存在降低了溶液中氣泡的上升末速，并且隨著無(wú)煙煤顆粒濃度的增加及粒度的增大，氣泡上升末速整體有減小的傾向，從而減少氣泡穩(wěn)定在液面上的時(shí)間及氣泡在液面的彈跳次數(shù)。并且從圖6可以看出，氣泡會(huì)在液面處經(jīng)過(guò)反復(fù)幾次的碰撞，之后運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，最終穩(wěn)定在液面處。在圖6中可以明顯地看到氣泡運(yùn)動(dòng)速度不斷變化，宏觀表現(xiàn)為氣泡運(yùn)動(dòng)的方向變化。速度為正值時(shí)，說(shuō)明氣泡在向著液面方向運(yùn)動(dòng)，速度為負(fù)值說(shuō)明氣泡在與液面碰撞后，由于相互作用力而向背離液面方向運(yùn)動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是隨著溶液中顆粒的加入，減小了氣泡上升末速，而氣泡動(dòng)能在一次次與液面的碰撞后逐漸被耗散，初動(dòng)能又相對(duì)減小，因此宏觀表現(xiàn)為氣泡在液面碰撞彈跳次數(shù)減少，氣泡動(dòng)能耗散時(shí)間加快。其中當(dāng)無(wú)煙煤顆粒質(zhì)量百分比為0.01%、0.03%時(shí)，氣泡與液面碰撞次數(shù)分別為4次與3次，對(duì)比明顯。

為了得到氣泡的兼并時(shí)間，將高速攝像機(jī)的拍攝速度調(diào)為100幀/s，每組統(tǒng)計(jì)20個(gè)氣泡在液面處的兼并時(shí)間，設(shè)置0.01%、0.02%、0.03%三個(gè)濃度梯度及<0.074、<0.037、<0.01 mm三個(gè)粒度梯度，得到同一粒度不同濃度的三種溶液體系下的氣泡兼并時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種溶液體系下氣泡兼并時(shí)間曲線

由圖7可知：在相同粒度的前提下隨著顆粒濃度的升高，氣泡兼并時(shí)間顯著增大；在相同濃度的前提下，隨著顆粒粒度的減小，氣泡兼并時(shí)間差值在0.5～1 s之間，整體變化較小。在三相體系中，固體顆粒對(duì)氣泡兼并過(guò)程的影響可分為正反兩個(gè)方面：一方面，氣液界面上和溶液中的顆粒在一定程度上降低了氣泡在溶液中的運(yùn)動(dòng)速度及在液面的反彈速度，整體縮短了碰撞時(shí)間；氣泡上和氣液界面上的固體顆粒會(huì)在與氣泡碰撞后在氣泡上運(yùn)動(dòng)，該過(guò)程發(fā)生的界面滑移會(huì)帶來(lái)額外的液膜脫落動(dòng)力，從而縮短液膜排液時(shí)間；同時(shí)氣液界面上的顆粒在一定程度上減少了氣泡在液面上的滑移距離，加快了氣泡穩(wěn)定在液面上的時(shí)間，整體上縮短了氣泡與液面的碰撞時(shí)間。相反的是，氣液界面上的固體顆粒減緩了界面上的擾動(dòng)，減小了液面擾動(dòng)對(duì)氣泡兼并的影響，從而延長(zhǎng)氣泡兼并時(shí)間[16]。

總體上，隨著顆粒濃度的升高及顆粒粒度的減小，浮選體系中的氣泡兼并時(shí)間越長(zhǎng)代表著氣泡的穩(wěn)定性越好，實(shí)際的浮選過(guò)程中氣泡會(huì)進(jìn)行多次兼并后破裂，氣泡的穩(wěn)定性增強(qiáng)有助于小氣泡多次兼并形成更穩(wěn)固的尺寸較大的氣泡，從而增強(qiáng)浮選泡沫的穩(wěn)定性，形成穩(wěn)定的浮選泡沫層，進(jìn)而直接影響到浮選結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)隨著無(wú)煙煤顆粒濃度的增加，溶液的表面張力及氣泡掙脫直徑逐漸下降，并逐漸變緩；隨著顆粒粒度的增加，二者變化趨勢(shì)不明顯。

(2)氣泡縱橫比隨顆粒濃度的增大而增大；隨著煤粒粒度的增加，氣泡縱橫比明顯增大，且粒度對(duì)氣泡縱橫比的影響比濃度要大。

(3)在無(wú)煙煤顆粒懸浮液中，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度隨顆粒粒度和濃度的增加而減小。

(4)隨著溶液中顆粒的加入，減小了氣泡上升末速及動(dòng)能，因此氣泡與液面碰撞彈跳次數(shù)減少，減小了能量耗散所需時(shí)間。

(5)隨著顆粒濃度的升高，氣泡兼并時(shí)間有顯著增大；隨著顆粒粒度的減小，氣泡兼并時(shí)間整體變化較小。