细粒物料浮选效果与接触角之间的关系.docx

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细粒物料浮选效果与接触角之间的关系

细粒物料浮选效果与接触角之间的关系

摘要：

文章从粒度范围0.2到50微米和变化的接触角两个方面对不同粒度的甲基石英的浮选效果在一个机械浮选槽中进行了考察。

结果显示，对于一个给定粒度的物料，需要拥有一个最小临界接触角，才能浮起。

出现这个结果不是仅仅由于细物料和气泡有较低的碰撞效率，而是低的碰撞效率和物料在和气泡碰撞时没有足够的动能来形成三相接触线进而开始吸附过程两个因素共同作用的结果。

在所试验的物料粒度范围中，临界接触角随着物料粒度的减小而增加。

关键词：

浮选；临界接触角；细粒物料

1.前言

在10到100微米这个出现最好的浮选速度和回收率的物料粒度范围内，细粒物料长期以来被确认是有着低的浮选速度和回收率。

细粒物料低的回收率经常被归因为它们的低质量和低活泼性，它们导致了和物料和气泡碰撞的低概率，因为细粒物料跟随气泡的液体流线流动，而不是和气泡发生碰撞。

另外，对于细粒物料的低可浮性还有个较少研究和讨论的原因。

这个原因是细粒物料拥有的动能不足（由于质量较小），无法取代碰撞颗粒和气泡之间薄的液化膜并且形成三相接触线。

这个观点的学派假设要使气泡和物料发生吸附，物料必须拥有使液化膜变薄，直到一个临界破裂厚度，并且随后三相接触线扩张并形成的最小动能。

上述认为，细粒物料浮选的问题本质上是动力学和热力学原因。

Scheludkoetal.获得了细粒物料吸附气泡的唯一理论模型。

在获得这个模型的过程中，Scheludkoetal.假设碰撞后，气泡和物料的吸附只有在物料动能等于或大于使液化膜变薄，三相接触线扩张和形成所需的能量时才能发生。

在平衡点，物料动能平衡了抵抗液化膜变薄，三相接触线形成的力。

通过平衡这些抵抗力，使浮选发生的最小颗粒尺寸作为一个物料接触角的函数被计算出来。

接触角越小，使吸附得以发生的最小粒度尺寸越大，这也暗示了对于给定尺寸的物料来说，只有当物料获得一个特定的最小临界接触角时，物料才能浮起。

用实验数据证实Scheludko模型常常被细颗粒浮选数据的缺乏而阻碍束缚。

这个模型对于1到2微米的颗粒来说十分有效，并且是以线张力值光度的准确性和有效性为前提。

线张力的值的确定是相当有争议和困难的，这源于虚拟线张力的引入，它考虑了物料的不均匀性，表面粗糙度和在实际浮选系统中通常的环境条件的非理想性。

在先前发表的一篇文章中，试验结果和应用在Scheludkoetal.的研究中给出的线张力值而计算出的理论预测值之间差距较大。

然而，当用Drelich和Miller提出的虚拟线张力来验证时，实验数据和理论预测值在较宽的物料尺寸范围内都比较一致。

其他迄今发表的试验研究也支持临界接触角存在的观点，在这个接触角以下，物料无法浮起。

在机械搅拌拉式顿槽和静止哈利蒙型管中进行平均粒度为3微米的甲基石英颗粒的浮选试验后，发现物料需要有大约60度的接触角来使浮选开始进行。

在这篇文章中，呈现了导致细粒物料可浮性较差主要是由于物料没有达到它们的临界接触角这样一个事实的证据。

另外，浮选数据从浮选速度和基于尺寸的最大回收率两个方面进行诠释。

物料尺寸的不均匀性和一类物料的接触角如何影响整个浮选结果也加以进行了讨论。

所选择研究的物料尺寸范围连接起Miettinen2007年研究的粒度范围（<5μm）和Crawford与Ralston在1988年研究的粒度范围（>15μm）。

2.理论背景

要使物料浮起，三个基本的连续过程必须发生:

气泡和颗粒发生碰撞，气泡和颗粒发生吸附（即将物料和气泡分开的薄液化膜变薄到临界厚度并且排干水分从而使三相接触线形成和扩张）和防止解离的吸附的稳定性（气泡和颗粒的结合必须足够的稳定来抵抗浮选环境的破坏性）。

这些过程一起被叫做富集，整个的富集效率用Ecol表示，它被定义为物料和气泡发生碰撞并随气泡浮起并被刮出的量和与气泡发生稳定吸附的物料量的比值，可表达为（DerjaguinandDukhin,1979）:

Ecol=EcEaEs

（1）

Ec,Ea和Es分别是碰撞，吸附和保持稳定性三个子过程各自的的效率。

对于细粒物料，因为物料和气泡的吸附力比惯性破坏力大的多，细粒物料保持稳定性的概率可以近似为一个定值，它的富集效率可以写为：

Ecol=EcEa

（2）

物料与气泡碰撞效率Ec，主要由流体力学和物料粒度决定，吸附效率Ea由物料粒度和物料疏水性共同决定。

一般来说，浮选速度可以可以用一个一阶反应动力方程建立模型。

浮起物料排出的速度和浮选槽内剩余的可浮物料的数量与富集率有关;

（3）

此处，k是浮选速率常数，Np是浮选槽里物料的数量，Zpb是直径分别是dp和db每单位体积的的物料和气泡发生碰撞的频率。

等式（3）中的浮选速率常数能从流体力学和表面力两个方面加以表示：

（4）

其中，Gfr是气体流动速率，ε是湍流中能量损失，Δρ是物料和槽内液体之间的密度差，ρfl是液体密度，db是气泡直径，Vcell是分选槽的容积，ν是液体粘度。

当db>>dp时，方程（4）十分准确，物料和气泡直径的关系一般来讲无论如何都要核实查证的。

引入表面气体速率Jg=

这个概念,方程（4）能加以简化，浮选速率常数可以只表示为富集效率Ecol，气体流动速率和气泡尺寸的函数。

（5）

如果气泡尺寸和表面气体速率保持不变，浮选速率直接和富集效率有关，富集效率反过来取决与浮选过程中的热力学和动力学因素。

对于恒定的的水力条件，浮选速率只取决于浮选的子过称。

在间歇浮选中，对于一类物料，回收率和时间的关系可以用以下的速率方程来表示：

（6）

这个模型假设存在着两个部分：

一个可浮部分和一个不可浮部分。

Rmax是在无限长的浮选时间内总的回收率，k是可浮部分的速率常数。

对于单一分散的物料，浮选速率常数能从试验数据

对时间t的关系图中估算得到。

如果气体散布参数已知，用方程（5）从浮选速率常就能求得富集效率的值。

另一方面，一个经过修改的浮选速率常数已经被提出用来描述试验数据，这个新的常数将最大回收率和浮选速率常数结合在一起。

这个常数也被称为“未分配的”常数，用k*表示，用以下公式进行计算：

（7）

3.试验详细情况

试验程序和方法与先前发表的文章中所描述的相同。

这里，处于文章连贯性的需要，只对重点部分进行重复说明。

3.1.入料

经过碎磨和用旋流分级机分级后，形成了不同粒度的石英颗粒。

各个粒度级的粒度分布是用力度分析仪2000，通过激光衍射来确定的，实验结果如图1所示。

物料直径，μm

筛下累积

+

图1，该项研究中用到的累积物料粒度分布：

Sigma（■），C6（◇），C5（▲）和C3（○）粒级

跟1988年Crawford和Ralston所描述的方法一样，物料被洗净并经甲基化后改变其接触角。

接触角是用薄膜浮选方法按甲基石英的测量结果来表示。

薄膜浮选法用润湿固体颗粒的临界表面张力来推导出接触角。

在每个测量试验中，少量的物料被放在一系列已知表面张力的甲醇的水溶液的表面，停留在溶液表面的物料量和沉下去的物料量可以获得。

当所有的物料均沉下去的时候，此时溶液的表面张力被当作润湿物料并使其发生集聚的表面张力。

接触角的确定是从Miettinen在2007年提出的表面张力和接触角的校准曲线（如图2）求出的，在这个曲线中，临界表面张力和前进水流的接触角的关系被绘制成图。

用薄膜浮选测量出的接触角的标准误差是

。

接触角（）

3.2.浮选试验

每组物料在一个叶轮转速3000r/min,pH为6，KNO3浓度为0.001mol/L的机械搅拌试验槽中进行浮选试验。

浮选过程的详细步骤已在先前发表的文章中给出。

浮选结束后，精矿和尾矿在

的烘箱中烘干，然后称重，算出众多的浮选回收率。

3.2.1.k,Rmax和Ec的确定

对于每次试验，浮选速率常数k，最大回收率Rmax是在减去夹带后通过满足方程式（6）中的回收率和时间的关系来求得的。

浮选回收率结果的误差通过在相同条件下进行重复浮选试验来控制。

误差通过在进行每个浮选试验时进行重复试验，利用两组实验结果的差值来估计。

如果两组重复试验得出的回收率相对误差超过

，要进行第三组试验。

气泡尺寸在浮选环境中的分布，是用一个气泡指示器来测量的，索特平均气泡直径被确定为0.42mm，结果有0.03mm的误差。

这个值是从对以甲基异丁基甲醇为起泡剂，浓度为50ppm进行的浮选试验中至少3000个气泡进行的测量中得到的。

在整个试验中，气泡流体力学参数（db,Jg）大部分保持为常数，因此每个浮选试验的富集效率Ec，是通过方程式（5）用浮选速率k算出的。

最大回收率的误差认为和试验求得的回收率是同一个数量级。

浮选速率常数k的误差估算为已经详细说明的浮选试验中的回收率误差的至少两个数量级。

3.2.2逐个粒级的详细分析

在典型的浮选试验中，入料经常有宽的物料粒度范围，即使是在较窄的粒度范围是有意设定为目标的浮选系统中也是这样。

在篇文章中，举个例子，石英全样的粒度范围经粒度分析仪分析为0.5-10μm,然而将石英全样分级后，分级产物C3的粒度范围经分析后是20-50μm。

同一个粒度级物料经分级后得到的不同的粒级的产物，它们的浮选结果也被认为是不同的。

依据粒度，单独计算出某个粒度下的回收率的研究非常少，并且主要是在哈利蒙管中进行的单一的气泡浮选。

在这篇文章所进行的研究中，为了阐明物料粒度对窄粒度范围物料的浮选回收率和浮选速率的影响，接下来进行了逐个粒级的回收率分析。

对每个粒度级的物料（图1所示）和选出的接触角（像3.1所描述的那样得到的），浮选入料，精矿和尾矿的粒度分布用激光衍射仪侧得。

激光粒度分析仪提供了几乎连续的粒度分布曲（粒度间隔1mm甚至更小）。

从入料，精矿和尾矿的粒度分布数据，确定大量特定粒度间隔物料的回收率成为了可能。

4.试验结果

4.1.浮选回收率作为物料粒度和接触角的函数

对于每个粒级的物料，每个浮选时间的回收率作为物料接触角的函数。

在所有的粒度级里，浮选速率和最大回收率随着颗粒尺寸和接触角的增大而增加，这和其他这方面的研究所得到的结果一致。

在这项研究中，与粗颗粒相比有着较低浮选速率的细粒物料和粗粒物料有着相似的接触角。

图3中的回收率曲线也显示了在每个粒级物料中至少两种浮选产物的存在，一种是浮起的物料，另一种是未浮起的物料。

这也许是由于在某一粒级下物料粒度和接触角的不均匀性，导致了一些物料没有获得能够浮起的临界接触角。

回收率，%

最大回收率Rmax,，作为物料接触角和粒度的一个函数，如图4所示。

结果指出了临界接触角（θcrit）的存在，临界接触角的大小取决于物料粒度。

临界接触角通过外推在弯曲点的切线至回收率为零时的那一点而获得，此点的接触角即是临界接触角。

分级前的物料（d50=3μm）临界接触角较高，分级产物C3（d50=33μm）的物料临界接触角较低。

Rmax,，,%

浮选速率常数和最大回收率在不同的接触角下绘制成了和物料粒度的关系图，如图5所示。

至于最大回收率，对于考察的所有粒级的物料来说，浮选速率常数随着物料接触角的增大而增大。

显然，如果颗粒接触角足够大（比该尺寸下的临界接触角还大），细粒物料也能浮起。

举个例子，分级前，尺寸为3μm的物料当接触角是

时，达到超过80%的最大回收率，然而，当接触角不足

时，回收率为零。

k，/min

Rmax%

4.2.接触角，浮选速率和最大回收率之间的关系

图6表示了不同粒度物料的富集效率（a）和浮选速率（b）对接触角的关系。

由于气泡流体力学参数（db,Jg）在整个试验中保持常数，富集效率和浮选速率常数随着接触角和粒度尺寸的增大以相似的趋势增加。

小于它物料就无法浮起的临界接触角，也能在图（6）a,b图中通过曲线的趋势线与浮选速率为零的水平线的交点推出，这和图（4）中展示的方法类似。

图6-对于Sigma（■），C6（◇），C5（▲）和C3（○）石英，富集效率Ecol和浮选速率常数k与接触角的关系

Ec

K，min

图7表示对于已经研究的所有粒级物料和接触角，浮选速率常数和最大回收率之间的关系。

有意思的是，拥有相同浮选速率常数的物料倾向于拥有相同的最大回收率，和粒度大小无关。

K/min-1

图7，对于物料Sigma（■），C6（◇），C5（▲）和C3（○）石英，最大回收率Rmax与浮选速率常数k的关系。

浮选环境为容积为300mm的机械浮选槽，矿浆pH为6，Jg=0.5cm/s，硝酸钾浓度为0.001mol/L，浮选时间为8min,叶轮搅拌速度为3000r/min，起泡剂MIBC的浓度为50ppm

Rmax，%

4.3.物料的不均匀性对浮选效果的影响（逐个粒级的分析）

在文章3.2.2部分所描述并确定的单个粒级的物料中进行逐个粒级最大回收率的分析结果如图8所示。

图中的回收率是在如文章3.2.2部分所描述的那样减去夹带而得出的。

Rmax，%

Rmax，%

和预期的一样，在一个粒级内，浮选回收率不是定值，更准确的来说应该说是随着物料粒度的增大而增大。

在一个一定粒级和接触角的一类物料来说，尽管最大回收率是一定的，但是在粒度分布曲线粒度较小的那一端，总是能看到较低的回收率，尤其是当接触角较小的时候。

这就是物料的不均匀性作用极其显著的地方，试样中的细物料和物料浮起时的临界接触角接近，因此浮起时更加困难。

随着物料平均粒度的增长（Sigma,d50=3μm,C6d50=10μm,C5d50=16μm,C3d50=33μm）,对于接触角相同的物料的精矿产率来说，也有相应比例的增加，这和整个回收率的数据一致。

5.结果讨论

在这项研究中，甲基化的石英浮选回收率和速率常数取决于接触角和颗粒粒度。

（图3和图5所示）。

更准确的说，它们都随着接触角和颗粒粒度（在物料尺寸范围中研究的，即<40μm）的增大而增大。

这和当今的理论一致，并且这能从富集效率和发生碰撞基本的子过称，吸附效率和稳定性方面加以解释（见方程1）。

根据这个理论，较大颗粒的物料比细颗粒的物料拥有和气泡更高的碰撞效率，因为大颗粒有更高的动能，能够从流体流线轨迹中脱离出来，并且能更加有效的和气泡发生碰撞。

对于粒度小于40μm的物料，在这项研究中观察到的富集效率（和浮选回收率）的整体增高可能就是在物料粒度较粗情况下，吸附和保持稳定的效率的降低不足以抵消碰撞效率的增加的一个反映。

随着接触角的增长而观察到的富集效率的增长被解释为吸附能力的增加，并且，吸附的稳定性和碰撞效率认为是程度次要的因素。

这项研究特别关注的是要使浮选过程发生，物料似乎需要一个最小临界接触角，临界接触角随着物料粒度的减小而增加。

当浮选速率刚刚为零时，即当图6中的曲线外推至k=0时，此时的接触角可以被解释为临界接触角。

这为只有当细粒物料有足够大的接触角，即接触角大于临界值时才能浮起的见解提供了凭证。

在先前发表的一篇文章中，试验回收率数据和用Scheludkoetal.模型计算出的理论值表现出了良好的相关性，正是用这个模型，Drelich和Miller计算出了虚拟线张力的值。

临界接触角的计算被扩展到了物料粒度为0.5到40μm的范围内。

基于这些观点，即使在一个窄粒级或接触角的一类物料中同样存在的不可浮部分，可以从要使物料浮起的临界接触角的存在和一类物料中物料粒度与接触角的不均匀性方面进行解释。

物料粒度不均匀，意味着物料在粒度分布的较细端比粗端浮选速率低，并且细粒物料比粗粒物料需要更大的临界接触角来浮起。

因此，尤其对于低平均接触角，总是存在接触角小于使浮选发生的临界值的物料。

这些物料是对不可浮部分100-Rmax（图9）的解释说明。

接触角（）

图9-假定接触角在试样物料中的的分布符合统计学规律并且接触角小于临界接触角的物料不浮起，对于平均接触角为58和77的Sigma物料，各自的临界接触角和最大浮选回收率Rmax的关系

在所有粒度级中的最大回收率和浮选速率之间发现了有趣的相关性。

当将该项研究中四个粒度级物料的最大回收率Rmax和浮选速率常数k绘制成关系图时，图形显示，给定浮选速率的物料浮选时，将会得到相同（至少相似）的最大回收率，和物料粒度大小没有关系。

这意味着对于给定尺寸的物料来说，从最大回收率和或速率常数的知识中推算出物料的接触角是可能的。

例如，某一粒级物料的浮选速率常数是已知的，接触角就能像图6中显示的那样通过图形求得。

或者，未分配的速率常数（如方程7所示）也能直接和分级部分物料的接触角直接相关。

这个方法也被Muganda在2010年在硫化矿物物料中进行了探索。

基于这项研究的结果，两种可行的措施能够加以应用，从而提高细粒物料在浮选过程中的回收率。

通过使细粒物料凝聚以提高物料粒度是一个选择。

用这种方法，主要是提高了碰撞效率。

另外一个选择是通过使化学调节步骤分开来提高细粒物料的接触角。

拥有更大临界接触角的细粒物料似乎比粗粒物料需要更多的捕收剂来使自身浮起。

如果捕收剂能够选择性地提供给细粒物料，也许会提高整个浮选试验的效果。

6.结论

这项研究在细粒物料浮选的限制因素方面提出了深入的见解。

文章中提出的理论指出，细粒物料的可浮性被能垒的存在所限制，并且该项研究已经给存在临界接触角的值的观点提供了理论支持。

试验结果得出了以下结论：

（a）细粒物料的浮起不仅仅被碰撞效率所限制，还被细粒物料没有足够的动能使物料和气泡之间的液化膜破裂而限制；（b）浮选入料中的不可浮部分起源于接触角小于使物料浮起的临界接触角的物料；（c）使物料浮起的临界接触角大小取决于物料粒度尺寸并且随着物料粒度的减小而增大。

对于提高细粒物料的回收率的可行方法，使细粒物料团聚以增大物料粒度是一个选择；另一个方法是使化学调节步骤分开以增大接触角。

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