基于圖像處理技術的赤鐵礦絮凝體-氣泡礦化過程研究

牛福生 陳雨盈 張晉霞 于曉東 朱笑磊

（華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210）

我國鐵礦石成分復雜，含鐵礦物嵌布粒度較細，礦石分選難度高，導致國內鐵礦石產能難以滿足國內使用需求，需要大量進口[1]。目前，我國富礦（TFe＞50%）嚴重不足，鐵礦石平均品位僅30%左右，相比世界平均品位低11個百分點[2]。據美國地質調查局統計，2021年前5個月，中澳雙邊貿易總額同比大增23%，達到878.8億美元（折合人民幣約5 690億元），其中，鐵礦石的交易額就占一半[3]。因此，強化國內赤鐵礦資源的開發利用程度，特別是儲量巨大的細粒嵌布難選鐵礦石尤為重要。

對于嵌布粒度較粗、可浮性好的赤鐵礦資源采用常規的浮選技術就可獲得較好的分選指標[4]。但對于微細粒赤鐵礦，采用常規的浮選方法難以有效回收[5]。利用高分子絮凝劑選擇性團聚目的礦物，形成粒徑合適的絮團，再采用浮選法對絮團進行分選，可以消除礦物粒度過細對浮選造成的負面影響[6]。因此，深入開展礦物絮凝體-氣泡礦化過程的研究對細粒礦物浮選和高效回收具有重要的現實意義。

高速攝像機是一種用來捕捉高速運動圖像的光學攝像儀器，它可以記錄高速運動物體影像，捕捉物體高速運動時的某一瞬態過程，被廣泛應用于礦物浮選領域[7-8]。任瀏祎[9]通過高速攝像技術對細粒錫石浮選行為和細粒錫石-氣泡間的相互作用進行了研究，從微觀角度分析了顆粒-氣泡間的相互作用力對浮選的影響。Verrelli David I.等[10]通過高速動態數字攝像技術研究浮選過程中氣泡與顆粒的相互作用過程，得到顆粒黏附的動力學因素與界面化學因素之間的關系。A.V.Nguyen等[11]采用高速攝像機拍攝單泡管中氣泡與顆粒的碰撞黏附過程，建立了浮選過程中顆粒與氣泡的黏附概率模型。

本研究以赤鐵礦絮凝體在氣泡表面的運動過程為對象，通過圖像處理技術，揭示不同粒徑赤鐵礦絮凝體、氣泡尺寸、碰撞角度和下降高度對赤鐵礦絮凝體-氣泡礦化過程的影響，為浮選工藝的改進和優化提供科學依據。

1 試驗部分

1.1 絮凝體的制備

1.1.1 試驗原料

試驗所用原料為赤鐵礦。對試驗原料進行化學多元素分析，結果見表1。

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由表1可知，試驗原料的全鐵品位為67.90%，主要雜質為MgO、Al2O3等，其他組分含量較少。

對試驗原料進行激光粒度分析，如圖1所示，其體積加權平均粒徑d為10.06 μm。

1.1.2 制備絮凝體

取1.000 g分析純油酸鈉溶解于去離子水中并定容至1 000 mL，獲得濃度為1 000 mg/L的母液。分別準確量取2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 mL的油酸鈉母液稀釋至100 mL，即得到濃度分別為20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 mg/L的油酸鈉標準溶液。

試驗原料經超聲處理30 min后，放入磁力攪拌器以800～900 r/min的轉速攪拌10 min，然后向燒杯中添加不同濃度的油酸鈉溶液，繼續攪拌2 min后，制得不同粒徑的赤鐵礦絮凝體。

1.2 絮凝體分形維數測定

分形維數Df是刻畫分形不規則性和復雜程度的一種數學度量，是表征絮體結構特征的參數[12]。絮凝體結構越密實，其Df值越大，反之Df值越小[13]。目前計算絮體分形維數的試驗方法有圖像分析法、粒徑分析法、散射法等[14]，本文研究采用圖像分析法。1989年格里高利[15]提出通過絮凝體的最大長度與投影面積之間存在的函數關系進行絮凝體分形維數的計算。

通過對式（1）等號兩邊取對數，可得：

式中，S為截面面積，μm2；B為比例常數；L為最長距離（也稱為特征長度），μm；Df為分形維數。

根據絮凝體圖像分析得到的不同絮凝體特征長度L及截面面積S，采用公式（2）在雙對數坐標系下作圖，擬合成直線，并進行置信度檢驗，求出直線的斜率，即為Df值，如此計算得到絮凝體的分形維數。

1.3 試驗觀測裝置

試驗觀測系統由磁力攪拌器、蠕動泵、高速相機、光源、微調平臺、觀察室、計算機等組成，如圖2所示。絮凝過程中，用磁力攪拌器提供機械攪拌，為保持絮凝體原有形貌采用蠕動泵從攪拌槽中取樣。通過調整觀察室的位置，將相機調整到合適的焦距，達到最清晰的圖像進行觀測，得到的觀測絮凝體圖像由計算機輸出。

1.4 圖像處理

1.4.1 絮凝體圖像處理

采用Image-Pro Plus圖像處理軟件提取絮凝體外形尺寸，研究絮凝體圖像，如圖3所示。

首先用不同的倍鏡對標尺進行拍照，設置相應的比例尺；其次錄入所拍攝的絮凝體圖像，選用相對應的比例尺，對處理后的圖像提取輪廓，對輪廓進行標號并測量。點擊分析結果數據表中的選項可將所提取出的各個輪廓的分析數據導出并進行計算。

1.4.2 絮凝體-氣泡礦化過程圖像處理

由于試驗儀器的影響，需要用軟件對相機獲取的圖片進行處理，使其能清晰地反映出赤鐵礦絮凝體與氣泡的礦化過程。絮凝體在氣泡表面運動圖像處理的過程為：打開Image-Pro Plus軟件中Sequence的merge files工具導入一組圖片并進行預處理，接著以絮凝體與氣泡的中心為研究對象，利用Image-Pro Plus和量角器軟件測量絮凝體在氣泡表面滑動時的位置變化過程，測量參數見圖4。

從圖4可以看出，給料口釋放的赤鐵礦絮凝體經過下降距離H后與氣泡發生碰撞。圖中R為氣泡直徑，A為絮凝體在氣泡表面的橫向位置，C為絮凝體在氣泡表面的縱向位置，θ為絮凝體相對于氣泡圓心的角度，v為絮凝體的瞬時滑動速度。

2 試驗結果與討論

2.1 赤鐵礦絮凝體性質分析

試驗原料絮凝過程中粒徑和分形維數隨油酸鈉濃度的變化規律如圖5所示。

由圖5可知，絮凝體的分形維數在油酸鈉濃度為100 mg/L時，達到最大值，為1.82，之后開始小幅度地降低。分析其原因，少量添加油酸鈉有利于礦物顆粒團聚，其分形維數隨油酸鈉濃度增加而增大。當加入的油酸鈉過量時，形成的絮凝體大而蓬松，易被攪拌剪切力破壞，導致絮凝體分形維數減小。油酸鈉用量為20～200 mg/L時，絮凝體粒徑由16.41 μm增加到39.65 μm，這是由于微細粒顆粒被絮凝在一起，隨著絮凝體體積的增大，粒徑逐漸增大。在油酸鈉用量為220 mg/L時，絮凝體粒徑為39.65 μm。

2.2 絮凝體在氣泡表面的位置變化

絮凝體粒徑不同、氣泡直徑不同、碰撞角度不同時，絮凝體的滑動狀態是不一樣的。在拍攝絮凝體與氣泡相互作用的過程中可以發現絮凝體在與氣泡發生碰撞后，氣泡表面的液膜會延伸到絮凝體表面以“包裹”絮凝體，而絮凝體下陷的過程因被包裹過程掩蓋而不明顯，絮凝體的輪廓可以被完整地拍到，如圖6所示。

2.2.1 不同粒徑絮凝體在氣泡表面的位置變化

不同粒徑的赤鐵礦絮凝體在氣泡表面的滑動軌跡不同。絮凝體粒徑大時，慣性力大，絮凝體本身沉降速度較大，慣性碰撞起主要作用。粒徑越大的絮凝體進行圓周運動時的速度越快，絮凝體最先滑動至最大橫向位置和最小縱向位置，然后運動至氣泡底部趨于穩定。氣泡直徑為407.59 μm時不同粒徑赤鐵礦絮凝體在氣泡表面的運動位置變化見圖7。

圖7表明，絮凝體粒徑會影響顆粒與氣泡的作用過程。從圖7（a）可以看出，當絮凝體與氣泡發生碰撞時，橫向位置變化先快后慢。t=16.5～22 ms時，粒徑為39.65 μm和38.48 μm的絮凝體經過最大橫向位置；t=22 ms時，粒徑為36.65 μm的絮凝體經過最大橫向位置；t=22～27.5 ms時，粒徑為34.80 μm的絮凝體經過最大橫向位置；t=27.5～33 ms時，粒徑為32.96 μm的絮凝體經過最大橫向位置。圖7（b）中，當絮凝體與氣泡發生碰撞時，縱向位置會先小幅降低，隨后快速滑動至氣泡底部并發生黏附。粒徑為39.65 μm和38.48 μm的絮凝體縱向位置為零時t=16.5～22 ms；粒徑為36.65 μm的絮凝體縱向位置為零時t=22 ms；粒徑為34.80 μm的絮凝體縱向位置為零時t=22～27.5 ms；粒徑為32.96 μm的絮凝體縱向位置為零時t=27.5～33 ms。從圖7（c）可以看出，t=0～5.5 ms時，絮凝體滑動軌跡對應的角度變化較??；t=5.5～16.5 ms時，絮凝體滑動軌跡對應的角度變化較大；t=16.5～55 ms時，絮凝體滑動軌跡對應的角度變化較小。t=77 ms時，粒徑為39.65 μm的絮凝體對應的角度為180°；t=82.5 ms時，粒徑為38.48 μm的絮凝體對應的角度為 180°；t=88 ms時，粒徑為 36.65 μm 和 34.80 μm的絮凝體對應的角度為180°；t=93.5 ms時，粒徑為32.96 μm的絮凝體對應的角度為180°。從圖7（d）可以看出，t=5.5～11 ms時，絮凝體的瞬時滑動速度增加得較快；t=11～22 ms時，絮凝體的瞬時滑動速度逐漸減小；t=22～38.5 ms時，絮凝體的瞬時滑動速度會有小幅度的增加；t大于38.5 ms時，絮凝體的瞬時滑動速度減小。

結合圖7可得：絮凝體的瞬時滑動速度在11～22 ms出現下降現象，接著隨滑動時間與角度的增加做先加速后減速的類似圓周運動，第二次速度的降低出現在滑動角度大約為90°時。

2.2.2 絮凝體在不同尺寸氣泡表面的位置變化

氣泡是空氣在分散介質（如水）中形成的分散體系，具有很強的疏水性，氣泡的尺寸是影響浮選指標的重要因素。當絮凝體粒徑為39.65 μm時，赤鐵礦絮凝體在不同尺寸氣泡表面的位置變化如圖8所示。

從圖8（a）可以看出，隨著氣泡直徑的增大，絮凝體運動到氣泡的最大橫向位置所用的時間越長，滑動速度越大，所受到的脫附力相應變大。當氣泡直徑為407.59 μm時，絮凝體在t=16.5～27.5 ms滑過最大橫向位置；當氣泡直徑為544.52 μm時，絮凝體在t=38.5 ms滑過最大橫向位置；當氣泡直徑為636.15 μm時，絮凝體在t=44.0～49.5 ms滑過最大橫向位置。從圖8（b）可以看出，氣泡直徑越大，發生碰撞后絮凝體保持縱向位置不變的時間越長，絮凝體在經過縱向位置為零的區域時的速度越快。當氣泡直徑為407.59 μm時，絮凝體滑過縱向位置為零的區域時t=16.5～27.5 ms；當氣泡直徑為544.52 μm時，絮凝體滑過縱向位置為零的區域時t=38.5 ms；當氣泡直徑為636.15 μm時，絮凝體滑過縱向位置為零的區域時t=44.0～49.5 ms。從圖 8（c）可以看出，t=77 ms時，絮凝體在直徑為407.59 μm的氣泡表面對應的角度為180°；t=66 ms時，絮凝體在直徑為544.52 μm的氣泡表面對應的角度為180°；t=71.5 ms時，絮凝體在直徑為636.15 μm的氣泡表面對應的角度為180°。從圖8（d）可以看出，氣泡直徑為636.15 μm時，絮凝體的瞬時滑動速度在t=44～49.5 ms較大，此時絮凝體對應的角度由70.33°快速增加到128.98°。

結合圖8可得：當絮凝體從氣泡正中心下落時，氣泡表面的液膜會立即延伸到絮凝體表面，氣泡直徑越大，接觸時間越長，然后絮凝體的縱向位置發生瞬間的變化，直至黏附到氣泡底部會形成穩定的三相界面。這是由于絮凝體顆粒從氣泡中心的正上方下落時，絮凝體本身的重力和慣性力導致邊緣運動，而氣泡直徑越大，上表面弧度較為平緩，使得絮凝體運動速度越小。

2.2.3 碰撞角度不同時絮凝體在氣泡表面的位置變化

赤鐵礦絮凝體在綜合作用力的作用下，沿氣泡表面滑移。粒徑為39.65 μm的赤鐵礦絮凝體在直徑為544.52 μm的氣泡上的運動位置變化見圖9。

從圖9（a）可以看出，絮凝體與氣泡的碰撞角度越大，運動到最大橫向位置所用的時間越短。從圖9（b）可以看出，碰撞角度越小，發生碰撞后絮凝體保持縱向位置不變的時間越長，到達縱向位置為零的區域所用的時間越長。從圖9（c）中可以看出，當碰撞角度大于等于41.61°時，絮凝體在氣泡表面滑過的角度呈直線上升，碰撞角度越大，斜率越大。當絮凝體在氣泡表面的角度為180°時，碰撞角度0°、10.01°、21.86°、41.61°所對應的時間分別為82.5、88、93.5、88 ms。從圖9（d）可以看出，碰撞角度為0°時，絮凝體在t=44 ms有較大的瞬時滑動速度，此時絮凝體相對于圓心的角度大約為90°；碰撞角度為10.01°時，絮凝體在t=44 ms有較大的瞬時滑動速度，此時絮凝體相對于圓心的角度大約為90°；當碰撞角度為60°時，絮凝體在氣泡表面滑移27.5 ms后從氣泡表面脫附。

結合圖9可得：隨著碰撞角度的增加，絮凝體的滑動速度增大，不利于絮凝體黏附在氣泡表面。當碰撞角度大于等于60°時，絮凝體沿氣泡表面滑移一段距離后脫落，不能黏附在氣泡表面。這可能是因為碰撞角度變大時，絮凝體與氣泡發生相互作用的時間變短，較大的滑動速度會導致絮凝體自身的重力和脫附力大于黏附力，使絮凝體在氣泡表面脫附，影響絮凝體與氣泡間的黏附概率。

3 結論

（1）隨著油酸鈉濃度的增大，赤鐵礦絮凝體的粒徑也逐漸變大且疏水性增強。油酸鈉濃度為120 mg/L時，絮凝體的分形維數達到最大值，為1.81；油酸鈉用量為180 mg/L時，接觸角達到最大值，為131.21°；油酸鈉用量為200 mg/L時，絮凝體粒徑達到最大值，為39.65 μm。

（2）在氣泡直徑為407.59 μm時，最大的絮凝體（粒徑39.65 μm）在氣泡表面的瞬時滑動速度較小，不易從氣泡表面脫附，有利于提高絮凝浮選的產率。

（3）在絮凝體粒徑均為39.65 μm時，絮凝體在最大氣泡（直徑636.16 μm）表面的瞬時滑動速度會有大幅度的變化，易從氣泡表面脫附，絮凝浮選的產率降低。

（4）絮凝體在氣泡表面的初始瞬時滑動速度隨碰撞角度的增大而增大，而黏附概率隨之減小。碰撞角度大于等于60°時，絮凝體先與氣泡發生碰撞，在氣泡表面滑行一段距離后脫附。