浮选颗粒-气泡脱附机理研究进展及展望

杨陈仪敏 何 琦 张怡晴 丁世豪 邢耀文 桂夏辉

(1.中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学化工学院,江苏 徐州 221116)

浮选是根据颗粒表面物理化学性质差异实现有用矿物和脉石矿物选择性分离的界面分选方法[1-3],广泛应用于细粒有色金属、黑色金属以及煤炭的分选提质[4]。颗粒-气泡矿化作为浮选的核心作用单元,包括碰撞、黏附及矿化气絮体升浮3个子过程[5-7]。其中碰撞过程一般与颗粒、气泡尺寸及流体力学环境密切相关,碰撞概率随着颗粒尺寸的增大、气泡尺寸的减小以及矿浆紊流的增强而升高[8-9];黏附过程包括液膜薄化破裂及三相线铺展等系列过程,主要受颗粒-气泡表面物理化学性质及浮选溶液化学条件影响,宏观表现为颗粒表面疏水性越强,黏附概率越高[10-11];而矿化气絮体升浮过程受矿浆流场条件、溶液化学性质及颗粒-气泡表面物理化学性质协同影响,通常矿浆紊流度越大,颗粒亲水性越强,颗粒越易于在升浮过程中发生脱附[12-14]。近年来,粗颗粒浮选受到越来越多学者的关注,特别是在优质矿产资源逐渐枯竭的大背景下,粗颗粒浮选对减少磨矿成本、扩大选厂产能及绿色矿山建设意义重大。但值得注意的是传统机械搅拌式浮选粗颗粒的回收率较低,其主要原因为矿化气絮体在升浮过程中受搅拌湍流作用极易发生脱附[15-17]。深入理解颗粒-气泡的脱附机理一直是浮选领域的研究热点与难点,更是实现粗颗粒浮选强化的前提条件。长期以来,国内外学者对颗粒-气泡脱附机理的研究主要聚焦于脱附概率计算模型的开发。三种较具代表性的模型包括力平衡模型、能量平衡模型和颗粒最大可浮粒径模型[18]。SCHULZE[19]通过修正的邦德数建立了基于力平衡的脱附概率模型(式(1)),其中Pd为颗粒-气泡脱附概率,为脱附力与黏附力的比值,当脱附力大于黏附力时,颗粒与气泡发生脱附。

YOON 等[20]于1996年建立了基于能量平衡的脱附概率模型(式(2)),该模型反映了脱附概率与动能、黏附功和能垒之间的关系,当颗粒从气泡表面脱附的动能大于黏附功和能垒时则发生脱附。其中,Wa为黏附功,E1为能垒,E′k为颗粒从气泡表面脱附的动能。

WOODBURN 等[21]于1971年建立了基于颗粒最大可浮粒径的脱附概率模型(式(3)),该模型可预测给定尺寸颗粒的脱附概率,当给定颗粒粒径大于最大可浮粒径时,脱附概率为1。其中,dP为给定颗粒粒径,dpmax为颗粒最大可浮粒径。

大量研究表明,颗粒-气泡脱附主要发生在矿浆相、泡沫相和矿浆-泡沫相界面3个区域(图1),矿化气絮体在各区域的脱附概率因脱附过程不同而具有较大差异[22]。近年来,随着现代分析测试方法及流体动力学模拟的快速发展,对颗粒-气泡微观脱附机理的深入研究也得以实现。本文从脱附3个发生区域入手,分别阐述颗粒-气泡脱附机理的最新研究进展,以期为粗颗粒浮选强化提供理论指导。

图1 浮选设备动力学区域分布及各区域颗粒-气泡脱附过程Fig.1 Dynamics distribution diagram of flotation equipment and bubble-particle detachment process in each region

1 矿浆相湍流脱附研究

湍流是浮选矿浆中颗粒-气泡矿化的主要能量来源,但过强的湍流会破坏矿化气絮体的稳定性,导致颗粒-气泡脱附[23-25]。矿化气絮体在湍流中的脱附行为十分复杂,目前的研究尚集中于各向同性湍流中离心脱附机制。20 世纪70年代SCHULZE 最早提出矿化气絮体在各向同性湍流中的脱附假说:当颗粒-气泡处于湍涡流环境中时,颗粒会跟随涡流旋转进行离心运动,其旋转半径为气泡直径,若颗粒所受离心脱附力大于毛细黏附力时,颗粒从气泡表面脱落[26-27]。为进一步量化描述脱附过程,SCHULZE[27]对传统邦德指数进行了修正,指出实际浮选过程中脱附力包括离心力、流体静压力、表观重力以及拉普拉斯压力,黏附力主要为颗粒-气泡间毛细力。

图2 浮选搅拌流场能量耗散率对颗粒-气泡脱附概率的影响规律[28]Fig.2 Effect of energy dissipation rate of flotation stirring flow field on bubble-particle detachment probability [28]

湍流离心力是SCHULZE 脱附理论中的主要脱附力,为简化计算,SCHULZE 模型在计算离心力的过程中忽略了黏性效应,将矿化气絮体所处位置的流体加速度看做其机械加速度,并采用惯性子区的湍流结构方程得出计算模型,导致该模型存在一定的局限性。NGO-CONG 等[30]将气泡和颗粒各自运动形式等价于其所在位置的流体质点的运动形式,联立N—S方程与惯性子区湍流结构方程,推导出惯性子区的矿化气絮体机械加速度计算模型,该模型表明湍流加速度相对于颗粒-气泡中心线具有纵向和横向两个主分量,其中横向分量在高湍流强度下对于量化颗粒-气泡脱附过程具有重要意义。NGO-CONG 等[31]进一步采用Basset-Boussing-Oseen 方程描述气絮体中颗粒加速度,推导出新的湍流机械加速度计算模型,该模型考虑了由颗粒密度引起的惯性效应的影响。结果表明:对于尺寸和密度较大的颗粒,其机械加速度随颗粒尺寸和密度的增大而减小,随湍流能量耗散率和湍流强度的增大而增大。

综上可见,SCHULZE 离心脱附理论仅基于理论假设,未得到直观的试验验证,该理论中离心力、邦德数乃至颗粒-气泡脱附概率的计算均基于能量耗散率,然而预测湍流能量耗散率需要大量的计算资源和先进的湍流结构模型,工业尺度的应用极为不便。针对上述问题,澳大利亚纽卡斯尔大学WANG 等[32-33]设计了可以产生强制旋转湍流涡的试验装置(图3),并借助高速动态摄像机对湍流涡中的颗粒-气泡运动及脱附行为进行了直接观察,结果发现在旋转湍流涡的作用下,颗粒在气泡表面以每秒200 转的速度做离心运动,平均离心加速度几乎是分离时重力加速度的23 倍,意味着与湍流的影响相比其他脱附力几乎可以忽略,这也首次通过试验证实了SCHULZE 离心脱附假说。与此同时,WANG 等[32]发现离心脱附并不是唯一的脱附机制,矿浆相中气泡的振荡形变以及颗粒-气泡不规则的加减速运动也会诱发脱附现象发生,其中气泡振荡形变的能量主要来源于气泡兼并和湍流扰动作用(图4)。

图3 浮选涡流发生装置示意[33]Fig.3 Diagrammatic sketch of the vortex generation apparatus[33]

图4 矿浆相中气泡振荡诱发颗粒脱附过程[33]Fig.4 The process of particle desorption induced by bubble oscillation in pulp phase[33]

基于上述试验结果,WANG 等[34]进一步利用计算流体力学(CFD)对矿浆相的湍流脱附机理进行深入研究。通过模拟湍流发生槽中的流场环境发现:该装置内高湍流区域分布在壁面空腔的顶部和底部以及靠近下游的壁面区域,高湍流区域的剪切速率和能量耗散率均较高,表明颗粒-气泡在湍流中的脱附过程受到剪切应力和离心力的协同影响。与此同时,针对目前脱附概率计算均基于湍流能量耗散率需要大量计算资源的缺点,WANG[34]将颗粒机械加速度与流场涡量相结合,开发了一种新型的脱附概率模型,并通过CFD 模拟将该模型与GOEL 等[28]提出的基于能量耗散率的脱附概率模型进行对比。计算结果发现:若利用大涡模拟(LES)进行计算,两种模型预测的脱附概率大致相同,验证了新模型的准确性;若利用对计算能力要求较低的雷诺应力模型(RSM)进行计算,基于涡量的新模型比基于能量耗散率的模型更具优势(图5)。

图5 不同模型绘制的颗粒脱附概率等高线[34]Fig.5 Contour plot of the particle detachment probabilities using different model[34]

2 泡沫相兼并脱附机理研究

泡沫相中,气泡在拉普拉斯压力和表面力协同作用下发生兼并,研究认为气泡兼并产生的瞬时能量释放是造成颗粒在泡沫相中脱附的主要原因[35-37]。

ATA[38]设计了可以产生和观测气泡兼并过程的试验装置(图6),系统研究了气泡兼并对颗粒-气泡脱附行为的影响规律。结果发现气泡兼并会引起气泡振荡并使气泡表面积减小,从而减弱气泡表面的有效负载能力,导致颗粒-气泡脱附。另外,ATA[38]发现气泡兼并时间与气泡表面颗粒覆盖率呈单调递增的函数关系,即气泡表面颗粒覆盖率越高,气泡兼并时间越长,这表明气泡表面黏附的颗粒会对气泡兼并产生一定的阻尼作用。STEVENSON 等[39]基于力平衡理论对气泡兼并后的振荡过程展开研究,发现三相接触线在气泡振荡过程中无法保持稳定,并认为该现象是颗粒-气泡脱附的物理基础。更重要的是,其发现气泡表面覆盖的颗粒通过在气泡壁周围提供一个半刚性的壳层来减少气泡表面形变,并由于表面惯性的增加而降低了振荡频率,减少颗粒-气泡脱附。

图6 试验装置示意[38]Fig.6 Diagrammatic sketch of experimental device [38]

为了进一步探究泡沫相中颗粒-气泡脱附的影响因素,ATA[40]利用图6所示的试验装置对比了表面覆盖颗粒性质和表面活性剂浓度对气泡兼并过程的影响。结果发现气泡表面覆盖的颗粒会对气泡兼并引起的气泡振荡起到一定的阻尼作用,具体表现为颗粒粒径越小、疏水性越强,颗粒-气泡的脱附概率越小,部分结果如图7所示;表面活性剂的存在同样会对气泡兼并引起的气泡振荡产生阻尼作用,具体表现为表面活性剂浓度越高,颗粒-气泡脱附概率越小。BOURNIVAL 等[41]在ATA 试验的基础上探究了醇类起泡剂对覆盖疏水二氧化硅颗粒气泡兼并的影响,发现不同类型和浓度的起泡剂对气泡兼并的阻尼系数不同,并且颗粒-气泡的脱附概率随着阻尼系数的增加而减小(图8)。此结果表明,浮选过程中起泡剂的选择要考虑其在气泡兼并或特定湍流条件下阻碍颗粒-气泡脱附的能力,即在保证起泡效果的条件下选择能够产生保持颗粒附着所需最大阻尼效果的起泡剂。

图7 颗粒本身性质对气泡兼并过程中颗粒-气泡脱附行为的影响[40]Fig.7 Effect of particle properties on bubble-particle detachment behavior during bubble coalescence[40]

图8 阻尼系数对气泡兼并脱附概率的影响[41]Fig.8 Effect of the damping coefficient on the fractional of detachment caused by bubble coalescence[41]

3 矿浆-泡沫相界面颗粒-气泡脱附研究

矿浆-泡沫相界面是矿浆相与泡沫相进行相际传质的重要区域,从某种程度上讲其兼顾矿浆相与泡沫相的性质。研究表明大量颗粒在此区域发生脱附[42-44],但矿浆-泡沫相界面处的颗粒-气泡脱附机理还存在争议。

部分研究者认为,矿化气絮体撞击矿浆-气泡相界面时动能的改变是颗粒-气泡在界面区脱附的主要原因。FALUTSU 等[45-46]发现大量颗粒在矿浆-泡沫相界面处发生脱附,并推测这是由于矿化气絮体与矿浆-泡沫相界面碰撞后动能改变所致。SEAMAN[44]则发现矿化气絮体穿过矿浆-泡沫相界面时引起的动能变化和气泡振荡将共同导致颗粒的脱附,并且会因颗粒不同的物理属性而发生选择性脱附。AI-MAGHRABI[47]得到了类似的结论,并观察到矿浆-泡沫相界面区的脱附颗粒同泡沫相中因气泡兼并而脱附的颗粒将继续在矿浆相、矿浆-泡沫相界面和泡沫相中移动,从而建立了一个描述颗粒脱附过程的概率模型,包含脱附颗粒的迁移概率和稳态概率。

然而,部分研究表明矿浆-泡沫相界面处动能的改变并不足以导致颗粒-气泡的脱附,气泡兼并及其引起的界面区扰动才是该区域颗粒脱附的主要原因。IRELAND 等[48]设计了可以产生矿化气絮体的试验装置,并利用高速动态摄像机观测矿化气絮体在界面的运动和碰撞情况,试验系统如图9所示。结果发现:大部分颗粒经过碰撞后仍然黏附在气泡上,这表明矿化气絮体的动能在与界面碰撞早期就已被耗散,因此颗粒只会在气泡表面平滑移动并保持附着状态(图9)。这同ATA[49]的研究结果相近,即矿化气絮体在界面处动能的改变并不足以导致颗粒脱附,ATA推测矿浆-泡沫相界面处剧烈的气泡兼并才是导致颗粒-气泡发生脱附的主要原因。为明晰界面处颗粒-气泡脱附机制,许光前[50]利用高速动态摄像机观测了静态矿浆-泡沫相界面处颗粒-气泡的脱附行为,结果发现:矿浆-泡沫相界面处的脱附以兼并脱附为主,包括垂直兼并和水平兼并,同等条件下垂直方向兼并的脱附率高于水平方向的脱附率,这是因为垂直兼并的负载颗粒主要集中在加速度最大的端点上。与此同时,许光前[50]通过分析颗粒负载量不同时气泡的兼并脱附行为发现,颗粒负载量小时,由于受到兼并初期曲率半径减小和液膜收缩的影响,颗粒-气泡脱附易发生在气泡形变的突变位置;颗粒负载量大时,颗粒-气泡脱附主要发生在气泡兼并第一次收缩时且轴线两端脱附率高。

图9 矿化气絮体在矿浆-泡沫界面的脱附行为[48]Fig.9 Desorption behavior of bubble-particle aggregate at pulp-froth interface[48]

4 结论与展望

本文从浮选颗粒-气泡脱附的3个发生区域入手,分别讨论了矿浆相、泡沫相和矿浆-泡沫相界面颗粒-气泡脱附机理的最新研究进展。湍流是颗粒-气泡完成矿化反应的能量来源,也是颗粒-气泡在矿浆相中发生脱附的原因。当前SCHULZE 离心脱附假说是矿浆相颗粒脱附的主流机制,学者们基于SCHULZE 模型陆续对邦德数、机械加速度等变量进行了修正与完善。泡沫相中气泡兼并引起的气泡振荡和有效负载能力下降是颗粒在泡沫相中发生脱附的主要原因,气泡表面覆盖的颗粒和表面活性剂对气泡振荡起到一定的阻尼作用从而降低脱附概率。矿浆-泡沫相界面区的颗粒-气泡脱附机理尚存在争议,一种观点认为矿化气絮体撞击界面产生的动能变化导致颗粒-气泡脱附,但是另有研究指出矿化气絮体的动能在与界面碰撞初期就已被耗散,该过程中颗粒只会在气泡表面滑动而不发生脱附,气泡兼并及其引起的界面区扰动才是颗粒-气泡脱附的主要原因。

在现有研究进展基础上,笔者认为浮选颗粒-气泡脱附机理未来的研究方向主要包括:

(1)浮选矿浆相颗粒-气泡脱附是随机过程,受到湍流离心运动、气泡振荡以及气泡不规则加减速运动等多种脱附机制协同控制。然而,目前颗粒-气泡脱附机理研究大多聚焦于某个单一机制,缺乏对多种机制协同作用的试验探究。

(2)颗粒-气泡脱附试验研究的试验材料多用单一粒度的玻璃微珠或二氧化硅颗粒,试验所处的液体环境与浮选实际差异较大,宽粒级物料的原位脱附过程及其粒度匹配效应也需进一步探索。

(3)与矿浆和泡沫相不同,矿浆-泡沫相界面区的性质和颗粒脱附过程更加复杂,主要体现在大量矿化气泡在此进行突然碰撞积聚、兼并重排,浮选矿化气泡在相界面处碰撞及兼并脱附过程的能量演化竞争机制是深入明晰相界面脱附机理需要解决的关键科学问题。