驻波超声对浮选气泡的影响

王卫东,靳立章,涂亚楠,刘定桦,徐志强

(中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)

随着低阶煤开采量和采煤机械化程度的增加，低阶煤泥产量和灰分也不断增加。浮选是煤泥分选应用最广泛的技术，对低阶煤泥进行浮选加工，有利于低阶煤的高效清洁利用[1-4]。低阶煤的变质程度低，表面具有较强的亲水性，很难通过常规的浮选手段进行有效地回收[5-6]。现有的低阶煤煤泥浮选，主要通过药剂调节[7-8]、浮选调浆[9-11]、表面改性[12-13]、超声浮选[14-15]等方法调控，提高其可浮性。其中，作为一种结合了多种调控的超声浮选方法，对提高浮选过程的选择性、浮选效率以及浮选效果具有很强的现实意义[16]。

超声浮选是一种将物理调节法和化学调节法相结合的浮选方式，对提高煤泥浮选的选择性和浮选效率效果显著[16]。ÖZKAN等[17]的研究表明超声波预处理可使浮选气泡稳定性增强，浮选速率提高，浮选回收率增加，药剂用量减少。康文泽等[18-19]的研究表明超声波预处理使煤泥接触角、疏水性及矿浆pH增加，润湿热减少，超声浮选的精煤产率、浮选速率、浮选完善度较处理前有明显提高。毛玉强等[20]在低阶煤浮选中引入超声波提高了精煤回收率，降低了精矿灰分，强化了低阶煤的浮选回收。ZHEN Kunkun等[21]研究表明经超声场的浮选搅拌后产生的油滴较小，尤其超声功率较高时。油滴粒径的减小导致了相同柴油用量下油滴总表面积的增加，提高了柴油的利用效率，有利于低阶煤的浮选。普遍认为，超声浮选通过超声空化产生的清洗、侵蚀和乳化作用改变了煤泥表面的物理化学性质，促进了浮选药剂的乳化，从而提高了浮选速率及浮选效果[22]。此外，超声作用于浮选过程，对浮选气泡产生的影响也得到了关注。CHEN Yuran等[23-24]研究了驻波声场对浮选气泡的影响，发现煤颗粒被大气泡聚集和吸引。微浮选试验表明，无论有无超声处理的试验，最终最大回收率相似，但超声聚集作用提高了回收速率。MAO Yuqiang等[25]研究了扩散场对浮选气泡的影响。结果表明:超声使泡沫区的泡沫层厚度变薄，球形气泡的聚集更有利于浮选。JIN Lizhang等[26]研究了不同频率驻波超声对浮选气泡的影响，结果表明，100 kHz的超声场中聚集体和小气泡的数量最多，该条件下得到了最高的精煤产率、可燃体回收率和浮选完善指标。驻波超声促进了气泡与煤粒的聚集，提高了浮选效果。

可见，驻波超声作用于浮选过程中时，不但改变了煤泥表面的物理化学性质，也影响了浮选气泡的行为，2种作用均对浮选结果产生了影响。驻波超声作用的浮选气泡行为对浮选结果的影响较为显著，但相关的机理研究较少。笔者以低阶煤为研究对象，在驻波超声同步柱选装置中进行了柱选试验。在气泡观察装置中，探究了驻波声场中的微泡生成过程、气泡聚集过程和上述过程对浮选选择性的影响。最后，探讨了驻波超声对浮选气泡以及柱选结果的影响。

1 试验部分

1.1 试验煤样

试验煤样为大同矿区四台选煤厂低阶煤煤泥，灰分为34.29%，水分2.12%。煤样粒度分析结果见文献[27]，属于高灰细粒煤。表1为煤样的工业分析和元素分析结果。

表1 煤样工业分析与元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coal sample

1.2 试验装置

气泡观察装置如图1所示，包括照明装置、观察装置(亚克力制品)、圆形换能器(100 kHz)、超声波发生器(KMD-D2)、高速摄像系统(Q1M 高速摄像系统)。

图1 气泡观察装置Fig.1 Bubble observation device

柱选装置如图2所示，在观察装置的基础上，添加了充气孔及气泡发生器，柱选装置不需要照明及高速摄像系统。

图2 超声柱选装置Fig.2 Ultrasonic flotation column

1.3 试验方法

(1)超声柱选试验方法:称取75 g煤样并润湿，搅拌2 min 后加入捕收剂(煤油)500 g/t，再搅拌1 min后加入起泡剂(仲辛醇)100 g/t，再搅拌30 s制成浮选矿浆(质量浓度50 g/L)。将浮选矿浆转移至柱选装置中，同时开启超声波发生器和充气阀门，泡沫收集5 min。

(2)气泡观察方法:观察室内充满清水，从下方通入空气，观察室中超声场与柱选一致(100 kHz)，待充气稳定后，开启超声波发生器和高速摄像系统，记录超声场中的气泡变化情况。微泡产生过程不通入空气。

(3)热解石墨片和云母片:去掉表层后，通过双面胶粘取中间层固定在底板上，在柱选装置中超声处理5 min。

2 结果与讨论

2.1 驻波超声柱选试验结果

驻波超声柱选试验结果见表2。由表2可知，与常规柱选相比，驻波超声柱选的精煤产率、可燃体回收率和浮选完善指标分别达到了21.93%，30.52%和23.77%，柱选结果均得到了提高。精煤灰分为11.13%，比常规柱选低1.07%。

表2 浮选结果Table 2 Flotation results %

本次100 kHz驻波超声柱选试验与驻波超声浮选[27]的区别在于煤样的润湿、搅拌和加药过程没有超声参与，仅在分选过程中加入驻波超声。驻波超声作用于矿浆与气泡的碰撞区。在碰撞区，气泡矿化上浮成为浮选泡沫，该过程在一个较短的时间内完成。因此，在本试验中，驻波超声对煤颗粒的清洗作用和对浮选药剂的乳化作用有限。驻波超声对浮选气泡的强化作用较为突出。

2.2 驻波声场中的气泡行为

图3为加入驻波声场后气泡观察装置中的气泡聚集过程，即在800 ms内驻波声场中气泡聚集体的形成及分布过程。气泡聚集体在未加超声时未出现，400 ms时的分布状态已经较为明显，至800 ms时的分布状态已完全稳定且清晰。无超声时，气泡在整个观察装置内均匀分散;当加入驻波超声时，气泡有规律地聚集，形成不同形状和大小的气泡聚集体;趋于稳定后，气泡聚集体更明显，以条纹状聚集态分布在整个驻波声场中。与扩散声场对浮选过程的搅拌、乳化和减小气泡尺寸等作用[22]相比，上述气泡聚集现象是驻波声场最明显的特性[28]。

图3 气泡聚集过程Fig.3 Bubble aggregation process

图4为气泡观察装置中一个气泡聚集体的形成过程。在间隔25 ms、共75 ms的过程中，驻波声场中的气泡由松散态到聚集态，形成“包裹团”或“链状”的气泡聚集体。在聚集体的形成过程中，聚集时间较短，气泡在声场驱动下的运动行为能够促进煤颗粒和气泡的碰撞[29]，使矿化过程更易发生。

图4 气泡聚集体的形成过程Fig.4 Formation process of bubble aggregates

气泡聚集体的生成原理即驻波使气泡在波的叠加处聚集。在声场作用下的气泡会发生体积脉动。如果声压梯度不为0，它可以与气泡振荡耦合，从而在气泡上产生一个驱动力，即Bjerknes力。Bjerknes力是非流动液体中气泡运动的最有力的驱动力。由于声场的作用，小于共振尺寸的气泡沿声压梯度上升，而大于共振尺寸的气泡沿声压梯度方向移动。因此，在驻波声场中，前者在波腹处聚集，后者在波节处聚集[30]。

如图5所示，在观察气泡聚集体的形成过程中加入试验煤样，形成了有“包裹团”和“链状”的煤-气泡聚集体。该试验结果表明，驻波声场中的气泡聚集过程对矿化气泡同样产生作用。“链状”的煤-气泡聚集体，将矿化气泡连接在一起，而“包裹团”的存在，可能将矿浆包裹在其中导致选择性较差[31]。图中也可以看出，“包裹团”的数量少于“链状”的煤-泡聚集体数量。因此，驻波声场中生成了煤-气泡聚集体，得到了较好的柱选结果。

图5 煤-气泡聚集体Fig.5 Coal-bubble aggregates

2.3 驻波声场中微泡的产生及其作用

如图6所示，在静水中加入驻波声场10 s，产生了可见的微米级气泡(小于300 μm)。这些微泡泡可以附着在气泡聚集体上，如图7所示。驻波声场在浮选过程中的作用除了提供能量和促进气泡聚集外，还有生成微泡的作用。在驻波声场中，微泡的产生与超声空化及气体析出有关。声场中的声波在液体中传播时改变了液体内部静压，形成了负压区和正压区。液体中的空腔结构在负压区生长，在正压区压缩，反复的正负压生长过程导致该结构破裂为更小的气泡，破裂过程同时产生能量和微射流，这种现象被称为超声空化[32-33]。声波在液体中的传播也会导致溶解在液体中气体析出形成微泡[34-35]。驻波超声产生的声场驱动力能够促进气泡矿化，该气泡为微泡时矿化过程更易发生[29]。

图6 微泡产生过程Fig.6 Generation process of microbubble

图7 附着微泡的气泡聚集体Fig.7 Aggregation of bubbles with microbubble

2.4 驻波声场中微泡附着的选择性

如图8所示，将表面粗糙度相近的热解石墨片(平均粗糙度为388 pm)和云母片(平均粗糙度为240.7 pm)在柱选装置中超声5 min后，热解石墨表面附着大量微泡和少部分大气泡。大气泡的周围存在气泡“消失”区域，因此可以判断，大气泡是由微泡聚集兼并[36]产生，大气泡上同样附着部分微泡，这与图7试验结果一致。云母片超声5 min未见明显变化。

图8 驻波超声处理后的样品表面Fig.8 Sample surface with ultrasonic treatment

驻波声场中产生的微泡有选择性地附着在疏水表面，进一步提高其疏水性，同时，距离相近的微泡易发生兼并行为，生成较大的气泡。当微泡作为“介质”参与煤-泡聚集体的形成过程时，该聚集过程具有了一定选择性。相比于单个气泡，煤-泡聚集体能浮出更多精煤。因此，与常规柱选相比，驻波超声柱选的精煤产率、可燃体回收率和浮选完善指标均有所提高。

3 结 论

(1)驻波超声加入柱选后，可以强化低阶煤煤泥柱选效果。精煤产率、可燃体回收率和浮选完善指标分别达到了21.93%,30.52%和23.77%，均高于常规柱选；精煤灰分为11.13%，比常规柱选低1.07%。

(2)进入驻波声场的气泡有规律地聚集，形成不同形状和大小的聚集体，在趋于稳定后，聚集体以条纹状聚集态分布在整个驻波声场中。与扩散声场对浮选过程的搅拌、乳化和减小气泡尺寸等作用相比，气泡聚集是驻波声场最明显的特性。

(3)驻波声场在整个柱选过程中的作用为提供能量、促进聚集和产生微泡。声场驱动力提供了能量，促进了煤颗粒与气泡之间的碰撞。在声驱动力的作用下，气泡以条纹状聚集态分布在整个驻波声场中。微泡作为煤颗粒和大气泡之间的“介质”，可在很短的时间内促进其聚并，形成煤-泡聚集体，且该过程具有一定选择性。这些煤-气泡聚集体在浮选过程中进入泡沫层，最终成为浮选精煤。提高了精煤产率、可燃体回收率和浮选完善指标，降低了精煤灰分。