浮选泡沫的形成、 稳定和破灭的力学分析

刘述忠, 郭万富, 黄 石

(福州大学紫金矿业学院， 福建 福州　350116)



浮选泡沫的形成、 稳定和破灭的力学分析

刘述忠, 郭万富, 黄 石

(福州大学紫金矿业学院， 福建 福州350116)

摘要：以浮选泡沫为研究对象， 对球形气泡形成、 气泡兼并、 气泡表面层形成、 矿粒黏附气泡、 泡沫的形成以及泡沫的破灭过程进行力学分析. 结果表明， 搅拌形成的不规则气团在液相中受到界面附加压强作用趋于球形； 气泡之间的压强差引起气泡兼并； 新生表面层的内外界面的附加压强维持住气泡液上结构； 液下气泡和液上气泡以不同方式与矿粒黏附； 分子间作用力使气泡黏贴， 形成稳定的泡沫层结构； 在泡沫层中， 破裂气泡能引起周围气泡的膨胀.

关键词：浮选泡沫; 气泡形成； 气泡兼并； 矿粒黏附； 力学分析

0引言

气泡是内部充满气相， 外面包裹液相的体系， 泡沫是气泡的集合体. 泡沫在工业生产中发挥着巨大作用， 如选矿工艺中的浮选[1]、 纺织工业的洗涤和印染[2]、 石油工业的泡沫流体技术[3]等.

在浮选过程中， 性能适宜的泡沫更容易将矿粒带出浮选槽， 因此研究泡沫性能的影响因素， 意义重大. 本文主要分析泡沫在浮选过程中形成、 稳定和破灭的力学原理， 为得到更适宜的泡沫浮选提供理论支撑. 起泡方式以充气搅拌为例.

1 浮选泡沫的形成、 稳定和破灭过程

空气充入起泡剂水溶液， 在搅拌作用下， 气体会被剪切分割为多个大小不一、 形状各异的气团. 起泡剂分子具有两亲性， 容易富集于气液界面， 并作定向排列[4]， 则气团会被排列着大量起泡剂分子的气液界面包围， 接着形状趋向球形， 形成一个稳定的液下气泡.

两个液下气泡相互接触， 如图1所示， 起泡剂分子在气液界面上作紧密排列. 当两个气泡黏贴在一起， 气压较大的气泡中的气体通过透膜扩散的方式进入气压较小的气泡内， 直至消失， 即进行了气泡兼并[5-6]. 液下气泡上升与气泡兼并过程同时进行， 气泡受浮力作用向上运动并浮出液面[7]， 气泡液上部分形成了内外两个表面都排列着大量起泡剂分子的水膜， 即气泡的表面层.

气泡在液下与疏水矿粒接触并黏附， 趁着气泡上升势头， 将矿粒带出液相， 当矿粒和气泡共同浮出液面， 气泡新生表面层与矿粒直接接触， 形成三相气泡[8]. 两个气泡接触， 形成氢键黏贴在一起， 形成最简单的泡沫结构. 之后， 这个黏贴的过程不断重复， 无数个气泡贴合在一起， 形成了泡沫层. 泡沫层形成后会维持一段时间， 可随着泡沫里的一些气泡的表面层薄至10 nm以下， 这些气泡很容易先破裂， 当气泡的数量少于生成的数量， 泡沫就会破灭.

2 浮选泡沫形成、 稳定和破灭的力学分析

浮选泡沫形成、 稳定和破灭的过程中， 分析六个现象， 分别是球形气泡的形成、 气泡兼并、 气泡表面层形成、 气泡与矿粒黏附、 气泡黏贴成泡沫和泡沫的破灭.

2.1球形气泡的形成

当气体充入起泡剂水溶液， 在搅拌作用下被分割成一个个气团， 气团的形状是不规则的. 如图2所示， 气液界面是弯曲的， 界面每个点都会产生一个附加压强：

(1)

式中：γ为溶液的表面张力；r为曲率半径， 方向为指向所在界面的曲率中心[9].

对于凹液面， 如图2界面1处， 界面上的每个点的附加压强均指向曲率中心， 曲率越大的点， ΔP越大， 则界面1上每个点都会向气体方向收缩， 曲率越大的点， 收缩作用越强； 相反， 凸液面界面上每个点都会向液体方向收缩. 因此， 在附加压强ΔP的作用下， 气团界面上每一点都进行不同程度的收缩.

最终， 界面上每一点受到的附加压强ΔP与界面两边气液两相的压强差相等， 则界面上每一点的曲率半径r都近似相等(气液界面上每一点离液面的高度有微差， 受到液压略不同)， 即气团接近球形， 形成稳定的液下气泡.

形成稳定气泡之后， 再受到剪切作用， 气泡被切为几个形状不规则的小气团， 气团重复以上过程， 又变为球形， 即较小的气泡. 经过几次剪切， 浮选槽下方的球形气泡都变得较为细小.

2.2气泡兼并

细小气泡经历搅拌作用的同时， 也向上运动， 这个过程中， 搅拌作用渐渐减弱[9]. 液下气泡表面层上的起泡剂分子间相互吸引， 随之黏贴， 气泡黏贴处会挤压出一层薄薄的水层， 一个气泡中的气体透过水化膜扩散到另一个气泡中的现象就是气泡兼并现象. 小气泡经过兼并过程， 渐渐变大， 同时， 被兼并气泡消失， 示意图见图3.

在图3中， 假设气泡A和气泡B都为球体， 气泡A在任意作用点受到的液体压强PAl， 方向为指向气泡球心， 其大小为：

(2)

式中：h为作用点与液面的距离；ρ为液体密度.

(3)

式中：hA为气泡A中心与液面的距离.

若是气泡被矿粒包裹较多， 气液界面透气性会变差， 气泡兼并进行将会减缓. 浮出液面的气泡由于新生表面层透气能力极差， 同时被矿粒大量包裹， 气泡兼并过程极为缓慢.

为有效减缓液下气泡兼并， 需要降低气泡之间水化膜的透气能力. 根据扩散原理， 水化膜的透气能力与构成膜的分子的数量和运动频率成正比[11]. 所以， 适当减少起泡剂浓度或更换药剂种类， 可以有效降低水化膜透气能力. 若是气泡兼并过慢， 气泡最终体积过小， 也会对浮选过程产生负面影响， 因此， 需要适当使用起泡剂.

2.3气泡表面层生成

如图2所示， 假设气泡未黏附矿粒， 当气泡开始浮上液面， 表面层随之形成. 液下气泡本就是球形， 液上气泡若是受力平衡， 也将维持球形.

气泡内外气压不同， 新生表面层上各点均受到压强差ΔP气作用， 方向为球心指向作用点， 引起的合力为ΔF气， 方向竖直向上； 新生表面层的外界面是凸液面， 内界面是凹液面， 上面各点均受到附加压强ΔPN作用.

(4)

式中： γ为溶液的表面张力； r为气泡的半径， 方向为作用点指向球心， 附加压强引起的合力为ΔFN， 方向竖直向下.

另外， 表面层还受到自身重力G的作用.

新生表面层两个表面均是气液界面， 排列着大量起泡剂分子. 起泡剂分子与水分子、 起泡剂分子间都能形成氢键， 有较强相互作用， 则表面层近似于大粘度流体， 有一定弹性， 使得气泡在上升过程中ΔFN、 ΔF气、G三力动态平衡， 维持表面层液上结构. 即ΔF气=ΔFN+G.

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大部分气泡在浮上液面时会黏附矿粒， 由于矿粒粒级通常为微米级， 气泡表面层厚度为纳米级， 矿粒不会影响气泡表面层的生成， 只是G为表面层与矿粒共同的质量.

当起泡剂浓度小于溶解度时， 用量越多， 新生表面层起泡剂分子越多， 分子间作用越强烈， 表面层弹性也越大， 不易遭到破坏[12].

2.4气泡与矿粒黏附

气泡在液下或浮出液面的过程中， 均会与疏水矿粒接触， 进而发生黏附.

当液下气泡接触疏水矿粒， 如图4所示， 从微观角度分析： 捕收剂分子向外伸出非极性基， 与水分子相互排斥， 却容易与气体分子相互吸引， 同时非极性基更容易与气液界面上的起泡剂分子相互吸引， 形成氢键或其他结合力， 产生黏附结果.

当液上气泡接触疏水矿粒， 与液下情形相同， 矿粒与表面层上的起泡剂分子结合， 黏附在表面层外表面. 此外， 矿粒挤压表面层， 与表面层形成三相润湿周边[11]， 同时水层变薄， 表面层厚度减小. 在挤压状态下， 水分子减少， 相当于起泡剂分子所占比例增加， 起泡剂分子间作用力强于水分子间作用力， 则挤压状态下， 表面层的结构更紧密， 表面粘度更强. 根据牛顿内摩擦定律：

(5)

表面粘度的增强， 有助于增大矿粒与表面层间的内摩擦力， 若是内摩擦力F大于矿粒重力切线方向的分力G1， 则矿粒无法使表面层滑动， 且矿粒与表面层之间有黏附力作用， 矿粒不会脱落. 反之， 若是矿粒太重， 且表面层未被挤破， 则矿粒会因为表面层的滑动而脱落.

2.5泡沫层的形成

纵向接触时， 气泡间通过氢键黏附， 且下方气泡表面层受到挤压， 粘度较大， 则上方气泡与下方气泡不易滑动； 横向接触时， 气泡间通过氢键黏附， 无滑动情况， 更为牢固.

两个气泡黏附之后， 第三个气泡将会与前两个气泡黏附， 并形成如图5所示的三气泡紧密结构， 当气泡通过横向接触和纵向接触不断堆积， 就会形成泡沫层， 相应的， 整体结构也会越来越稳定[13].

2.6泡沫的破灭

泡沫的破灭即是气泡的破裂， 其原因主要是表面层的消耗. 在重力的影响下， 泡沫表面层的充水量是自下而上减少， 且纵向接触气泡间的表面层厚度比横向接触更薄， 综合以上两点， 泡沫的破灭往往是自上而下、 一层层进行的. 当表面层消耗到厚度小于10 nm， 将十分容易破裂.

当泡沫开始破灭， 会看见一个气泡破掉， 它周边的气泡由于受力情况的变化， 呈现膨胀的形态， 在这个过程中， 气泡体内的气压在减小， 气泡的体积会增大. 如图5所示， 上面的气泡受到下面两个气泡表面层对它的压力FN作用， 压力和气泡的重力相平衡. 当上面的气泡破裂， 剩下的两个气泡表面层利用自身弹性向外扩展， 直到气泡重新受力平衡.

3结语

1) 充气搅拌作用下形成的气团， 其气液界面上的凹凸部分受到相反的附加压强作用， 使气团形状趋近于球形， 形成液下气泡.

2) 新生表面层气液界面上， 会聚集大量起泡剂分子， 造成表面层分子间有较强范德华力作用， 有了类似大粘度流体的特性， 可以产生弹性形变， 使得气泡在上升过程中ΔFN、 ΔF气、G三力维持动态平衡状态， 维持其液上结构.

3) 矿粒与表面层之间由捕收剂分子与起泡剂分子间的作用而黏附， 矿粒对表面层有挤压作用， 表面层厚度减小， 随之粘度增大， 则矿粒将不易脱落.

4) 在泡沫层中， 破裂气泡使周围气泡压强减小， 进而膨胀.

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(责任编辑： 蒋培玉)

The mechanics analysis about fromation, stability and burst of flotation froth

LIU Shuzhong， GUO Wanfu， HUANG Shi

(College of Zijin Mining， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China)

Abstract:The phenomenon of flotation froth was studied. The process of this phenomenon contains five levels， bubble turn into sphere， the bubble coalescence， a single bubble in the liquid phase， a single bubble on the surface of the liquid， ore particles adhere the bubble， moreand more bubbles stick and froth， and the bursting of the froth. The mechanism of these processes are analysed. The analysis results that air mass may turn into sphere because of liquid resistance, pressure difference between two bubbles cause coalescence, additional pressure from new superficial layer can maintain the bubble a complete structure, the bubbles in or out of the liquor can also adhere the ore grains. Intermolecular forces paste two bubbles and supernatant bubbles bursts firstly and cause other bubbles nearby to dilate.

Keywords:flotation froth; bubble formation； bubble coalescence; ore particles adhesion； mechanism analysis

中图分类号：TD923

文献标识码：A

基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2011J4008)

通讯作者:刘述忠(1972-)， 副教授， 主要从事浮选药剂及工艺研究， 297505654@qq.com

收稿日期:2015-03-27

文章编号：1000-2243(2016)02-0296-05

DOI:10.7631/issn.1000-2243.2016.02.0296