浮選過程中的泡沫夾帶研究進展

李洪強 鄭惠方 戈 武 翁孝卿 宋少先 肖林波

（1.武漢工程大學興發礦業學院，湖北武漢430073；2.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070；3.湖北三寧化工股份有限公司，湖北枝江443206）

1 浮選中的泡沫夾帶現象

早在20世紀，泡沫浮選已經在礦物加工領域工業化應用。現在，浮選是最重要也是應用最廣的礦物分離方法。細粒礦物浮選過程中，親水的脈石礦物機械夾帶進入精礦中，導致精礦品位降低，成為細粒礦物浮選過程中的一大問題。機械夾帶分為以下幾種方式：礦泥罩蓋、顆粒連生、泡沫夾帶以及夾雜［1］。在煤［2］、隱晶質石墨［3］、硫化銅金礦［4］、微細粒閃鋅礦［5］、堿金屬礦石［6］等浮選中，脈石礦物的泡沫夾帶將顯著降低精礦品位。

礦物浮選過程中，浮選槽中存在2大截然不同的區域：礦漿相和泡沫相。浮選時，氣泡不斷從礦漿相中上浮進入泡沫相，大量的水隨氣泡進入泡沫相，同時，親水的微細粒脈石隨氣泡膜間的水進入泡沫相，氣泡在泡沫相中不斷上升，部分水和親水脈石回流到礦漿相中，另一部分水和親水脈石隨泡沫被刮入精礦槽。親水脈石通過泡沫水進入精礦的現象被稱作泡沫夾帶。浮選過程中的泡沫夾帶示意圖如圖1所示。

大量研究表明，親水脈石泡沫夾帶的回收率與泡沫精礦的水回收率呈線性關系，并符合式（1）。

式中，Rg為親水脈石的泡沫夾帶回收率，%；e為親水脈石的夾帶率，或夾帶因子；Rw為泡沫精礦的水回收率，%。

當前，浮選過程的泡沫夾帶研究，主要集中在以下幾個領域：兩相體系下的泡沫排液過程，三相體系下的排液及排脈石過程，影響泡沫夾帶的因素，降低泡沫夾帶的技術。

2 兩相泡沫的排液過程

脈石的泡沫夾帶與精礦泡沫的水回收率呈正相關關系，泡沫精礦的水回收率決定于三相（礦物顆粒-空氣-水）泡沫的排液過程。三相泡沫的結構復雜，為了簡化研究體系，不少研究者通過研究兩相泡沫的排液行為來理解浮選過程中的排液行為，單分散兩相泡沫的結構如圖2所示［8］。

泡沫是由不溶性氣體分散在液體或熔融固體中所形成的亞穩態的分散物系，隨著時間而變化。泡沫受到以下3種作用而趨于破滅：①因重力作用導致泡沫中的液體流向泡沫底部；②因濃度梯度形成滲透壓，導致液體從液膜流向平臺區；③由于氣泡間的壓差所形成的拉普拉斯壓力導致氣體從小氣泡擴散到大氣泡，最終液膜可能因楔形壓而破裂。

浮選泡沫的排液過程極大地影響精礦水回收率，進而影響脈石礦物的泡沫夾帶行為。泡沫排液是一個復雜的物理化學流體力學過程，同時受多種因素影響［7］。自由排液和強制排液通常用于研究泡沫排液，這2類過程都受重力、毛細作用力（表面張力）、黏滯力的控制［7］。關于泡沫排液特征參數的研究，主要集中在以下幾方面：①泡沫的排液速率；②穩定流動泡沫中的滲透速度；③泡沫壓降；④強制排液；⑤自由排液。液體流動時其阻力來源分2種極端情形：通道為主的排液方式（低含液率泡沫）及頂點為主的排液方式（高含液率泡沫）。

隨著泡沫層高度的變化，其泡沫含液率（ε）逐漸降低。以含液率為標準，可將泡沫分為2大類：①干泡，當ε≤0.05時，各個氣泡具有多面體形狀，且具有一定的機械穩定性；②濕泡，當ε≥0.05時。隨著泡沫含液率的增大，濕泡在含液率等于轉變含液率（εc）時，泡沫從機械穩定泡轉變為自由泡。在二維條件下，εc=0.16，而三維條件下，εc=0.36［9］。

對于浮選泡沫，其含液率在0.1～0.6，屬于濕泡的范疇。關于兩相濕泡體系的排液特性，Richardson Zaki等［10］將泡沫排液過程類比為流體流過多孔介質或流化床，基于漂移通量理論認為：

式中，Jd為泡沫排液速率，m3/h；VT為氣泡上升末速度，m/s；εl為泡沫含液率；n為冪指數。

Pal和Masliyah同樣基于漂移通量理論，研究了帶泡沫沖洗水浮選柱類的兩相泡沫的排液方程［11］，

式中，εg為泡沫含氣率。

Stevenson通過無量綱分析，認為排液速率可以用式（4）表示，

式中，ρ為液體密度，kg/m3；μ為液體動態黏度，mPa·s；rb為氣泡幾何平均半徑，m；m、n為與表面活性劑種類及濃度有關的可調參數；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

泡沫的排液影響精礦的水回收率，Neethling等［12］研究了流動的泡沫柱的水回收率理論計算公式，以流過泡沫堰未破滅的氣泡占表面總氣泡的百分數α為邊界條件。

式中，J1為泡沫柱液體流量；m3/h；AColumn為泡沫柱的橫截面積，m2；λ為平臺區長度，m；vg為氣體的流速，m/s；Cpb為平臺區黏性阻力系數。

雖然上述的研究并沒有考慮礦物顆粒及其他浮選藥劑對泡沫排液的影響，但這些理論研究對理解礦化泡沫的排液過程至關重要。

3 三相泡沫的排液及排脈石過程

由式（1）可知，親水脈石的泡沫夾帶回收率與脈石夾帶率及精礦泡沫水回收率相關。浮選三相泡沫的排液過程決定精礦泡沫的含液率，進而決定浮選精礦的水回收率。浮選三相泡沫的排脈石過程決定精礦泡沫中微細粒脈石的含量，進而決定微細粒脈石的夾帶率。浮選過程中三相泡沫的主要作用是將有用礦物顆粒在最小損失的情況下向上攜帶進入精礦，同時，排除非選擇性地進入泡沫的脈石。因而，浮選三相泡沫的含液率及含脈石量將嚴重影響精礦的回收率及品位［10］。

1975年，Cutting研究團隊［10］對三相泡沫的排液及排脈石過程進行了大量的研究，他們應用自制浮選柱模擬浮選過程中的泡沫行為，觀察到了2種明顯的排質方式：①膜排質，即水和固體顆粒從氣泡周圍排出；②柱排質，即沿垂直向物質濃度的快速降低。1981年，Cutting等［13］又提出了第3種排質機理——俯沖排質，即固體顆粒在泡沫表面聚集形成大塊或孤島，當下層的泡沫無法支撐位于其上層的泡沫時便迅速下沉進入礦漿，這種機理在大型的浮選槽中才能見到。

為了開發浮選過程中的自動控制技術，很多研究者開展了大量的工作，研究脈石夾帶進入精礦的模型。大量的研究發現，浮選中脈石的夾帶速率與水回收速率具有相關性［14］。Kirjavainen［15］給出了一個經驗公式，認為脈石的夾帶速率是水回收速率、顆粒密度、礦漿黏度及顆粒形狀因子的函數。Stevenson等［16］認為，脈石的夾帶過程分為2個子過程：①由于液體在泡沫中傳輸而導致的顆粒對流；②泡沫內顆粒的分散。并由此提出了浮選過程中脈石夾帶的對流—擴散模型。充氣泡沫從浮選柱排出的流量符合下式：

軸向分散系數D分2種方式求解：當顆粒粒度小于5μm，其受重力作用下的干涉沉降可以忽略，符合以下關系，

式中，Sk為無量綱的斯特克斯數。

當顆粒粒度大于5μm，其受重力作用下的干涉沉降不能忽略，顆粒的軸向分散系數D符合下面的關系：

4 影響泡沫夾帶的因素

決定泡沫夾帶的主要因素包括浮選操作條件、親水脈石特性、礦漿特性以及泡沫結構［10］。

浮選操作條件包括充氣速率、泡沫層高度、礦漿濃度、給礦速率、給礦品位等。Engelbrecht和Woodburn［17］研究了充氣速率及泡沫層高度對浮選的影響，提高充氣速率導致高的脈石夾帶。Ekmekci等［18］研究表明，通過提高泡沫層高度，可提高泡沫的排脈石效率，從而將精礦中雜質Cr2O3含量降低到3%以下。TUTEJA等［19］研究了捕集區高度（相當于泡沫層高度）、表觀氣速、表觀給礦速度、給礦品位等對浮選泡沫夾帶的影響。Szatkowski［20］研究了操作因素對煤浮選的影響，小氣泡、低氣流速度及厚的泡沫層有利于降低精礦中的灰分含量。

親水脈石特性包括：顆粒粒度、顆粒形狀、顆粒密度、顆粒的親疏水性等。Kirjavainen［15］曾以絹云母和石英為研究對象，在無疏水礦物存在的條件下，研究發現親水脈石礦物的夾帶受顆粒的質量及形狀控制，牛頓流體中夾帶率e符合如下規律：

式中，w為水回收速率，kg/（m2·s）；m為顆粒質量，g；μ為礦漿黏度，mPa·s；ψ為動態形狀因子；b為常數，取0.006 94。

脈石礦物的粒度接近膠體粒級時，其排液速度可以忽略，其夾帶率主要受顆粒粒徑所控制，夾帶率e接近1。對于顆粒狀的石英，其形狀因子取值為1.25；而片狀的絹云母，其形狀因子取值高達9.4。

礦漿特性包括礦漿的物理特性及化學特性，他們均通過影響泡沫結構或穩定性來影響泡沫夾帶行為，進而影響浮選指標。礦漿濃度越高，進入單位泡沫液膜中脈石顆粒的量越大，夾帶越嚴重［21］。礦漿特性顯著地影響脈石夾帶回收率，Sheni在鉑族金屬浮選中發現，礦漿電位、pH、溶氧量及離子強度均會影響浮選泡沫穩定性，礦漿電位對脈石的泡沫夾帶影響最大［22］。王渤等研究發現鹽水中脈石的泡沫夾帶更嚴重［23］。

泡沫結構主要指泡沫形態學方面的特性，包括氣泡大小，泡沫含液率，泡沫均一性等。事實上，影響泡沫結構的因素很多，主要包括：①起泡劑的種類及用量［24］；②脈石礦物顆粒尺寸及形狀；③捕收劑種類及用量；④礦漿中陽離子組成；⑤脈石礦物的絮凝等。脈石夾帶與泡沫結構的一般原則：泡沫中水含量越高，脈石夾帶越嚴重。Hemmings［25］研究發現，泡沫的液膜厚度是控制夾帶的關鍵因素，現實中，泡沫液膜厚度在幾十至幾百微米之間變化。形成穩定的泡沫是取得好的浮選指標的關鍵。Ekmekci［18］研究了2類起泡劑，其中一類以Dow200為代表，泡沫結構緊湊、穩定性好，精礦回收率較理想；另一類以TEB為代表，形成的泡沫性脆，精礦中雜質鉻鐵礦回收率較低，精礦品位并沒有相應提高，這主要是由于泡沫穩定性差，無法提供穩定的泡沫層來保證脈石的排除。

5 降低脈石泡沫夾帶的技術

針對浮選操作條件、親水脈石的特性、礦漿特性以及泡沫結構等決定夾帶的因素，研究學者們開展了大量的工作，試圖降低浮選過程中脈石的泡沫夾帶。

優化浮選操作因素，可有效降低脈石夾帶。利用柱浮選技術，通過增大浮選泡沫層厚度及添加泡沫沖洗水實現浮選泡沫的逆流洗滌，可強化泡沫的排脈石性能，進而提高浮選選擇性［26］；低的表觀氣速，能有效降低脈石礦物的夾帶，但精礦的回收率也會相應降低［27］；在低的浮選礦漿濃度及高的捕收劑用量下，脈石礦物夾帶得以緩解，可獲得較高選擇性的產物［28］。由于脈石礦物夾帶回收率與浮選精礦的水回收率呈線性關系，Akdemir等試圖通過提高疏水礦物的浮選速率以降低精礦的水回收率，從而降低脈石礦物的夾帶［2］。為了降低脈石夾帶，振動泡沫區［29］等方法同樣被嘗試過，Mulleneers等在浮選槽中添加了一個逆流沉降區，其目的主要是創造條件使脈石從精礦泡沫中排出。

通過改變藥劑制度也可有效控制脈石的夾帶。起泡劑對泡沫的排脈石性能影響很大，Ekmekci等選擇合適的起泡劑對浮選泡沫穩定性及排脈石性能進行調控，實現了精礦中雜質Cr2O3的含量降低到3%以下［30］。Mcfadzean等利用混合起泡劑（PPGs與MIBC用量比為4∶1）改變浮選泡沫的結構，發現混合起泡劑形成的泡沫更穩定，有價組分回收率更高，同時泡沫中親水脈石含量更低，夾帶更弱，精礦品位也顯著提高［31］。添加藥劑增大親水脈石的粒徑將有利于降低脈石因泡沫夾帶進入精礦的量，包括無機抑制劑，如ZnSO4，有機高分子聚合物，如羧甲基纖維素鈉（CMC）、古爾膠、淀粉及聚環氧乙烷（PEO）等，都曾經被使用過［4，27，32-33］，這些藥劑都在一定程度上可以增大脈石礦物的粒度，降低石英等脈石的泡沫夾帶。李洪強等通過添加聚合氯化鋁降低了隱晶質石墨浮選過程中絹云母脈石的夾帶［34］。

Purcell通過改變浮選流程結構，使用饑餓加藥的方式先獲得一部分高固定碳含量的精礦Ⅰ；而尾礦則通過繼續加藥掃選，以滿足回收率的要求，掃選精礦可進行精選，以獲得合格的精礦Ⅱ。這一流程在煤泥浮選工業中被廣泛應用［35］。Li等利用階段磨礦—階段浮選的流程，降低了隱晶質石墨浮選過程中絹云母等脈石的泡沫夾帶，取得了比一段磨礦浮選更好的指標［36］。

6 結論及展望

（1）浮選過程中普遍存在脈石礦物的泡沫夾帶現象，微細粒礦石浮選中泡沫夾帶尤為嚴重，泡沫夾帶會降低微細粒嵌布礦物浮選的選擇性。基于氣液兩相和氣液固三相體系，研究泡沫排液及排脈石過程中的相關理論，為理解浮選泡沫結構及泡沫夾帶行為提供了理論基礎。浮選操作條件、親水脈石的特性、礦漿特性以及泡沫結構是影響泡沫夾帶的主要因素；優化浮選操作條件，改變浮選流程結構和改變藥劑制度可以有效降低脈石的泡沫夾帶，提高浮選選擇性。

（2）浮選三相泡沫的結構及形態是浮選泡沫夾帶方面的研究重點，包括表征浮選三相泡沫的方法、裝置或儀器的開發，揭示三相泡沫形態的基本原理，以及三相泡沫排液行為及數學表達，疏水礦物顆粒與親水脈石顆粒在泡沫中的運動路徑及分布規律。盡管不少研究者揭示了影響浮選精礦的水回收率及夾帶率的因素，但這些因素如何影響三相泡沫的結構、排液行為及排脈石行為，還需要進一步開展細致工作。已開發的降低脈石泡沫夾帶的技術對于部分浮選體系有一定效果，但脈石的泡沫夾帶尚難以消除，須開發一些革命性的技術。