浮选过程中的泡沫夹带研究进展

李洪强 郑惠方 戈 武 翁孝卿 宋少先 肖林波

（1.武汉工程大学兴发矿业学院，湖北武汉430073；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070；3.湖北三宁化工股份有限公司，湖北枝江443206）

1 浮选中的泡沫夹带现象

早在20世纪，泡沫浮选已经在矿物加工领域工业化应用。现在，浮选是最重要也是应用最广的矿物分离方法。细粒矿物浮选过程中，亲水的脉石矿物机械夹带进入精矿中，导致精矿品位降低，成为细粒矿物浮选过程中的一大问题。机械夹带分为以下几种方式：矿泥罩盖、颗粒连生、泡沫夹带以及夹杂［1］。在煤［2］、隐晶质石墨［3］、硫化铜金矿［4］、微细粒闪锌矿［5］、碱金属矿石［6］等浮选中，脉石矿物的泡沫夹带将显著降低精矿品位。

矿物浮选过程中，浮选槽中存在2大截然不同的区域：矿浆相和泡沫相。浮选时，气泡不断从矿浆相中上浮进入泡沫相，大量的水随气泡进入泡沫相，同时，亲水的微细粒脉石随气泡膜间的水进入泡沫相，气泡在泡沫相中不断上升，部分水和亲水脉石回流到矿浆相中，另一部分水和亲水脉石随泡沫被刮入精矿槽。亲水脉石通过泡沫水进入精矿的现象被称作泡沫夹带。浮选过程中的泡沫夹带示意图如图1所示。

大量研究表明，亲水脉石泡沫夹带的回收率与泡沫精矿的水回收率呈线性关系，并符合式（1）。

式中，Rg为亲水脉石的泡沫夹带回收率，%；e为亲水脉石的夹带率，或夹带因子；Rw为泡沫精矿的水回收率，%。

当前，浮选过程的泡沫夹带研究，主要集中在以下几个领域：两相体系下的泡沫排液过程，三相体系下的排液及排脉石过程，影响泡沫夹带的因素，降低泡沫夹带的技术。

2 两相泡沫的排液过程

脉石的泡沫夹带与精矿泡沫的水回收率呈正相关关系，泡沫精矿的水回收率决定于三相（矿物颗粒-空气-水）泡沫的排液过程。三相泡沫的结构复杂，为了简化研究体系，不少研究者通过研究两相泡沫的排液行为来理解浮选过程中的排液行为，单分散两相泡沫的结构如图2所示［8］。

泡沫是由不溶性气体分散在液体或熔融固体中所形成的亚稳态的分散物系，随着时间而变化。泡沫受到以下3种作用而趋于破灭：①因重力作用导致泡沫中的液体流向泡沫底部；②因浓度梯度形成渗透压，导致液体从液膜流向平台区；③由于气泡间的压差所形成的拉普拉斯压力导致气体从小气泡扩散到大气泡，最终液膜可能因楔形压而破裂。

浮选泡沫的排液过程极大地影响精矿水回收率，进而影响脉石矿物的泡沫夹带行为。泡沫排液是一个复杂的物理化学流体力学过程，同时受多种因素影响［7］。自由排液和强制排液通常用于研究泡沫排液，这2类过程都受重力、毛细作用力（表面张力）、黏滞力的控制［7］。关于泡沫排液特征参数的研究，主要集中在以下几方面：①泡沫的排液速率；②稳定流动泡沫中的渗透速度；③泡沫压降；④强制排液；⑤自由排液。液体流动时其阻力来源分2种极端情形：通道为主的排液方式（低含液率泡沫）及顶点为主的排液方式（高含液率泡沫）。

随着泡沫层高度的变化，其泡沫含液率（ε）逐渐降低。以含液率为标准，可将泡沫分为2大类：①干泡，当ε≤0.05时，各个气泡具有多面体形状，且具有一定的机械稳定性；②湿泡，当ε≥0.05时。随着泡沫含液率的增大，湿泡在含液率等于转变含液率（εc）时，泡沫从机械稳定泡转变为自由泡。在二维条件下，εc=0.16，而三维条件下，εc=0.36［9］。

对于浮选泡沫，其含液率在0.1～0.6，属于湿泡的范畴。关于两相湿泡体系的排液特性，Richardson Zaki等［10］将泡沫排液过程类比为流体流过多孔介质或流化床，基于漂移通量理论认为：

式中，Jd为泡沫排液速率，m3/h；VT为气泡上升末速度，m/s；εl为泡沫含液率；n为幂指数。

Pal和Masliyah同样基于漂移通量理论，研究了带泡沫冲洗水浮选柱类的两相泡沫的排液方程［11］，

式中，εg为泡沫含气率。

Stevenson通过无量纲分析，认为排液速率可以用式（4）表示，

式中，ρ为液体密度，kg/m3；μ为液体动态黏度，mPa·s；rb为气泡几何平均半径，m；m、n为与表面活性剂种类及浓度有关的可调参数；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

泡沫的排液影响精矿的水回收率，Neethling等［12］研究了流动的泡沫柱的水回收率理论计算公式，以流过泡沫堰未破灭的气泡占表面总气泡的百分数α为边界条件。

式中，J1为泡沫柱液体流量；m3/h；AColumn为泡沫柱的横截面积，m2；λ为平台区长度，m；vg为气体的流速，m/s；Cpb为平台区黏性阻力系数。

虽然上述的研究并没有考虑矿物颗粒及其他浮选药剂对泡沫排液的影响，但这些理论研究对理解矿化泡沫的排液过程至关重要。

3 三相泡沫的排液及排脉石过程

由式（1）可知，亲水脉石的泡沫夹带回收率与脉石夹带率及精矿泡沫水回收率相关。浮选三相泡沫的排液过程决定精矿泡沫的含液率，进而决定浮选精矿的水回收率。浮选三相泡沫的排脉石过程决定精矿泡沫中微细粒脉石的含量，进而决定微细粒脉石的夹带率。浮选过程中三相泡沫的主要作用是将有用矿物颗粒在最小损失的情况下向上携带进入精矿，同时，排除非选择性地进入泡沫的脉石。因而，浮选三相泡沫的含液率及含脉石量将严重影响精矿的回收率及品位［10］。

1975年，Cutting研究团队［10］对三相泡沫的排液及排脉石过程进行了大量的研究，他们应用自制浮选柱模拟浮选过程中的泡沫行为，观察到了2种明显的排质方式：①膜排质，即水和固体颗粒从气泡周围排出；②柱排质，即沿垂直向物质浓度的快速降低。1981年，Cutting等［13］又提出了第3种排质机理——俯冲排质，即固体颗粒在泡沫表面聚集形成大块或孤岛，当下层的泡沫无法支撑位于其上层的泡沫时便迅速下沉进入矿浆，这种机理在大型的浮选槽中才能见到。

为了开发浮选过程中的自动控制技术，很多研究者开展了大量的工作，研究脉石夹带进入精矿的模型。大量的研究发现，浮选中脉石的夹带速率与水回收速率具有相关性［14］。Kirjavainen［15］给出了一个经验公式，认为脉石的夹带速率是水回收速率、颗粒密度、矿浆黏度及颗粒形状因子的函数。Stevenson等［16］认为，脉石的夹带过程分为2个子过程：①由于液体在泡沫中传输而导致的颗粒对流；②泡沫内颗粒的分散。并由此提出了浮选过程中脉石夹带的对流—扩散模型。充气泡沫从浮选柱排出的流量符合下式：

轴向分散系数D分2种方式求解：当颗粒粒度小于5µm，其受重力作用下的干涉沉降可以忽略，符合以下关系，

式中，Sk为无量纲的斯特克斯数。

当颗粒粒度大于5µm，其受重力作用下的干涉沉降不能忽略，颗粒的轴向分散系数D符合下面的关系：

4 影响泡沫夹带的因素

决定泡沫夹带的主要因素包括浮选操作条件、亲水脉石特性、矿浆特性以及泡沫结构［10］。

浮选操作条件包括充气速率、泡沫层高度、矿浆浓度、给矿速率、给矿品位等。Engelbrecht和Woodburn［17］研究了充气速率及泡沫层高度对浮选的影响，提高充气速率导致高的脉石夹带。Ekmekci等［18］研究表明，通过提高泡沫层高度，可提高泡沫的排脉石效率，从而将精矿中杂质Cr2O3含量降低到3%以下。TUTEJA等［19］研究了捕集区高度（相当于泡沫层高度）、表观气速、表观给矿速度、给矿品位等对浮选泡沫夹带的影响。Szatkowski［20］研究了操作因素对煤浮选的影响，小气泡、低气流速度及厚的泡沫层有利于降低精矿中的灰分含量。

亲水脉石特性包括：颗粒粒度、颗粒形状、颗粒密度、颗粒的亲疏水性等。Kirjavainen［15］曾以绢云母和石英为研究对象，在无疏水矿物存在的条件下，研究发现亲水脉石矿物的夹带受颗粒的质量及形状控制，牛顿流体中夹带率e符合如下规律：

式中，w为水回收速率，kg/（m2·s）；m为颗粒质量，g；μ为矿浆黏度，mPa·s；ψ为动态形状因子；b为常数，取0.006 94。

脉石矿物的粒度接近胶体粒级时，其排液速度可以忽略，其夹带率主要受颗粒粒径所控制，夹带率e接近1。对于颗粒状的石英，其形状因子取值为1.25；而片状的绢云母，其形状因子取值高达9.4。

矿浆特性包括矿浆的物理特性及化学特性，他们均通过影响泡沫结构或稳定性来影响泡沫夹带行为，进而影响浮选指标。矿浆浓度越高，进入单位泡沫液膜中脉石颗粒的量越大，夹带越严重［21］。矿浆特性显著地影响脉石夹带回收率，Sheni在铂族金属浮选中发现，矿浆电位、pH、溶氧量及离子强度均会影响浮选泡沫稳定性，矿浆电位对脉石的泡沫夹带影响最大［22］。王渤等研究发现盐水中脉石的泡沫夹带更严重［23］。

泡沫结构主要指泡沫形态学方面的特性，包括气泡大小，泡沫含液率，泡沫均一性等。事实上，影响泡沫结构的因素很多，主要包括：①起泡剂的种类及用量［24］；②脉石矿物颗粒尺寸及形状；③捕收剂种类及用量；④矿浆中阳离子组成；⑤脉石矿物的絮凝等。脉石夹带与泡沫结构的一般原则：泡沫中水含量越高，脉石夹带越严重。Hemmings［25］研究发现，泡沫的液膜厚度是控制夹带的关键因素，现实中，泡沫液膜厚度在几十至几百微米之间变化。形成稳定的泡沫是取得好的浮选指标的关键。Ekmekci［18］研究了2类起泡剂，其中一类以Dow200为代表，泡沫结构紧凑、稳定性好，精矿回收率较理想；另一类以TEB为代表，形成的泡沫性脆，精矿中杂质铬铁矿回收率较低，精矿品位并没有相应提高，这主要是由于泡沫稳定性差，无法提供稳定的泡沫层来保证脉石的排除。

5 降低脉石泡沫夹带的技术

针对浮选操作条件、亲水脉石的特性、矿浆特性以及泡沫结构等决定夹带的因素，研究学者们开展了大量的工作，试图降低浮选过程中脉石的泡沫夹带。

优化浮选操作因素，可有效降低脉石夹带。利用柱浮选技术，通过增大浮选泡沫层厚度及添加泡沫冲洗水实现浮选泡沫的逆流洗涤，可强化泡沫的排脉石性能，进而提高浮选选择性［26］；低的表观气速，能有效降低脉石矿物的夹带，但精矿的回收率也会相应降低［27］；在低的浮选矿浆浓度及高的捕收剂用量下，脉石矿物夹带得以缓解，可获得较高选择性的产物［28］。由于脉石矿物夹带回收率与浮选精矿的水回收率呈线性关系，Akdemir等试图通过提高疏水矿物的浮选速率以降低精矿的水回收率，从而降低脉石矿物的夹带［2］。为了降低脉石夹带，振动泡沫区［29］等方法同样被尝试过，Mulleneers等在浮选槽中添加了一个逆流沉降区，其目的主要是创造条件使脉石从精矿泡沫中排出。

通过改变药剂制度也可有效控制脉石的夹带。起泡剂对泡沫的排脉石性能影响很大，Ekmekci等选择合适的起泡剂对浮选泡沫稳定性及排脉石性能进行调控，实现了精矿中杂质Cr2O3的含量降低到3%以下［30］。Mcfadzean等利用混合起泡剂（PPGs与MIBC用量比为4∶1）改变浮选泡沫的结构，发现混合起泡剂形成的泡沫更稳定，有价组分回收率更高，同时泡沫中亲水脉石含量更低，夹带更弱，精矿品位也显著提高［31］。添加药剂增大亲水脉石的粒径将有利于降低脉石因泡沫夹带进入精矿的量，包括无机抑制剂，如ZnSO4，有机高分子聚合物，如羧甲基纤维素钠（CMC）、古尔胶、淀粉及聚环氧乙烷（PEO）等，都曾经被使用过［4，27，32-33］，这些药剂都在一定程度上可以增大脉石矿物的粒度，降低石英等脉石的泡沫夹带。李洪强等通过添加聚合氯化铝降低了隐晶质石墨浮选过程中绢云母脉石的夹带［34］。

Purcell通过改变浮选流程结构，使用饥饿加药的方式先获得一部分高固定碳含量的精矿Ⅰ；而尾矿则通过继续加药扫选，以满足回收率的要求，扫选精矿可进行精选，以获得合格的精矿Ⅱ。这一流程在煤泥浮选工业中被广泛应用［35］。Li等利用阶段磨矿—阶段浮选的流程，降低了隐晶质石墨浮选过程中绢云母等脉石的泡沫夹带，取得了比一段磨矿浮选更好的指标［36］。

6 结论及展望

（1）浮选过程中普遍存在脉石矿物的泡沫夹带现象，微细粒矿石浮选中泡沫夹带尤为严重，泡沫夹带会降低微细粒嵌布矿物浮选的选择性。基于气液两相和气液固三相体系，研究泡沫排液及排脉石过程中的相关理论，为理解浮选泡沫结构及泡沫夹带行为提供了理论基础。浮选操作条件、亲水脉石的特性、矿浆特性以及泡沫结构是影响泡沫夹带的主要因素；优化浮选操作条件，改变浮选流程结构和改变药剂制度可以有效降低脉石的泡沫夹带，提高浮选选择性。

（2）浮选三相泡沫的结构及形态是浮选泡沫夹带方面的研究重点，包括表征浮选三相泡沫的方法、装置或仪器的开发，揭示三相泡沫形态的基本原理，以及三相泡沫排液行为及数学表达，疏水矿物颗粒与亲水脉石颗粒在泡沫中的运动路径及分布规律。尽管不少研究者揭示了影响浮选精矿的水回收率及夹带率的因素，但这些因素如何影响三相泡沫的结构、排液行为及排脉石行为，还需要进一步开展细致工作。已开发的降低脉石泡沫夹带的技术对于部分浮选体系有一定效果，但脉石的泡沫夹带尚难以消除，须开发一些革命性的技术。