徐 濤，孫春寶，劉行剛，甄春紅

(北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

氣溶膠是指固體微?；?和)液體微粒懸浮于氣體介質(zhì)中所形成的多相分散體系[1-3]。這個(gè)分散體系必須由兩部分組成：一是被懸浮的微粒物，即分散相；二是承載微粒物的氣體，即分散介質(zhì)。所以，氣溶膠是包含分散相(微粒物)和分散介質(zhì)(氣體)二者在內(nèi)的統(tǒng)一整體[4-8]。氣溶膠浮選[9-10]可簡(jiǎn)單理解為：將浮選所需的藥劑(如起泡劑、捕收劑或其他藥劑)與空氣或其他氣體，呈氣溶膠狀態(tài)注人浮選過(guò)程中。其中，氣相介質(zhì)一般為空氣。實(shí)際上，氣溶膠浮選應(yīng)用的是氣溶膠加藥技術(shù)。這種加藥方式可使浮選藥劑充分分散，具有提高藥劑作用效果、加快浮選速度、減少藥劑消耗量、提高浮選指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)有關(guān)資料[11-16]介紹，應(yīng)用本法可改善硫化礦石、氧化礦石及難選復(fù)雜礦石的浮選效果，并可擴(kuò)大選礦的應(yīng)用范圍。

針對(duì)試驗(yàn)所用某低品位鉬礦，將煤油以氣溶膠形式進(jìn)行加藥，已通過(guò)試驗(yàn)研究探明了煤油氣溶膠加藥浮選的優(yōu)勢(shì)所在，即節(jié)省煤油用量，提高浮選速度，一定程度上提高了鉬的回收率。但是，浮選工藝條件對(duì)于煤油氣溶加藥浮選過(guò)程的具體影響情況，還沒(méi)有做過(guò)系統(tǒng)的研究。鑒于此，本研究主要從磨礦細(xì)度、礦漿濃度、pH值和起泡劑用量的影響等方面，探究浮選工藝條件對(duì)煤油氣溶膠加藥浮選過(guò)程的影響規(guī)律。

1 物料來(lái)源、試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 物料來(lái)源及性質(zhì)

1.1.1 礦石的來(lái)源與礦物組成分析

試驗(yàn)所用礦樣由內(nèi)蒙古某銅鉬礦提供。經(jīng)顯微鏡下礦物鑒定和X射線衍射分析，該礦石中的礦物組成較復(fù)雜，其中銅、鉬、硫等主要以獨(dú)立礦物存在。銅的獨(dú)立礦物較多，有黃銅礦、斑銅礦、藍(lán)輝銅礦、銅藍(lán)、砷黝銅礦；鉬的獨(dú)立礦物主要為輝鉬礦；硫的獨(dú)立礦物為黃鐵礦。脈石礦物主要為石英、白云母、長(zhǎng)石、伊利石、高嶺石等，石英是含量最高的脈石礦物。

1.1.2 礦石的化學(xué)多元素分析

礦石的化學(xué)多元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。化驗(yàn)結(jié)果表明，礦石中鉬品位較低，為0.023％，銅品位為0.31％；礦石中除銅、鉬、硫等有價(jià)元素外，其它可以綜合利用的元素含量都很低；礦石中還含有少量有害元素砷。

表1 礦石的主要化學(xué)成分分析結(jié)果

*Au、Ag含量單位為g·t-1。

1.1.3 礦石中鉬的物相分析

鉬的物相分析結(jié)果見(jiàn)表2。分析結(jié)果表明：鉬大部分賦存在硫化鉬中，鉬的氧化率為8.70％。

表2 鉬的物相分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)裝置、儀器及設(shè)備

試驗(yàn)所用氣溶膠發(fā)生器為Collison噴嘴氣溶膠發(fā)生器。Collison噴嘴氣溶膠發(fā)生器原理：壓縮空氣以一定速度從Collison噴嘴噴出；在噴嘴的出口處，由于Bernoulli效應(yīng)產(chǎn)生的低壓將液體貯存器內(nèi)的液體吸入氣流，并將液體打碎成液滴；得到的氣溶膠直接噴到一表面上，較大的粒子在該表面上通過(guò)碰撞而消失，較小的粒子留在氣流中。

煤油氣溶膠藥劑是通過(guò)浮選機(jī)的充氣管道，利用葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的自吸力進(jìn)入礦漿中的。在氣溶膠浮選過(guò)程中，先加入其它非煤油捕收劑作用一段時(shí)間，再加入起泡劑作用一段時(shí)間，最后加入煤油氣溶膠藥劑，加藥的同時(shí)進(jìn)行浮選。先加入起泡劑是為了給煤油氣溶膠加藥提供良好的成泡環(huán)境，以利于煤油氣溶膠粒子在氣相中傳質(zhì)。整個(gè)試驗(yàn)均在常溫(25℃左右)下進(jìn)行。相應(yīng)的氣溶膠浮選系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 氣溶膠浮選系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)流程、藥劑制度

傳統(tǒng)浮選試驗(yàn)采用的浮選流程和藥劑制度，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)浮選流程

1.4 試驗(yàn)思路

本研究主要探討浮選工藝條件對(duì)煤油氣溶膠加藥浮選過(guò)程的影響規(guī)律，主要包括磨礦細(xì)度、pH值、礦漿濃度、起泡劑用量等浮選工藝條件對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程影響研究。并與傳統(tǒng)浮選過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，以考查浮選工藝條件對(duì)兩種浮選法的影響差異，以此探明氣溶膠浮選技術(shù)對(duì)于浮選工藝條件的適應(yīng)情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨礦細(xì)度對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響

在煤油用量50g/t、石灰用量為1500g/t(pH值為9.5)的條件下，考查磨礦細(xì)度對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響情況。試驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖3，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。試驗(yàn)所用磨礦細(xì)度分別為-200目占55％、60％、65％和70％。

圖3 磨礦細(xì)度影響試驗(yàn)流程圖

圖4 磨礦細(xì)度影響試驗(yàn)結(jié)果

由圖4分析可知，隨著磨礦細(xì)度的增加，兩種浮選法對(duì)應(yīng)的粗精礦中，鉬品位和鉬回收率變化趨勢(shì)是相似的。氣溶膠浮選得到的粗精礦鉬品位略低于傳統(tǒng)浮選，但相差不大；鉬回收率則高于傳統(tǒng)浮選。因此，氣溶膠浮選技術(shù)對(duì)于磨礦細(xì)度的變化表現(xiàn)出了一定的適應(yīng)能力。綜合比較而言，氣溶膠浮選最佳磨礦細(xì)度為1200目占65％。

本文詳細(xì)介紹了麻石水電站擴(kuò)建工程的樞紐布置設(shè)計(jì)方案，對(duì)存在類似棄水現(xiàn)象的水電站改擴(kuò)建工程樞紐布置設(shè)計(jì)有一定參考意義。

2.2 pH值對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響

在煤油用量50g/t的條件下，通過(guò)改變石灰用量來(lái)調(diào)節(jié)礦漿pH值，考查不同pH值對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響情況。試驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖5，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。石灰用量分別為：900 g/t、1200g/t、1500g/t和2000g/t，對(duì)應(yīng)的pH值分別為：8.5、9.0、9.5和10.5。

圖5 pH影響試驗(yàn)流程圖

圖6 pH影響試驗(yàn)結(jié)果

由圖6分析可知，隨著pH值的增加，兩種浮選法對(duì)應(yīng)的粗精礦中，鉬品位及鉬回收率變化趨勢(shì)相似。不同pH值下，兩種浮選法得到的Mo品位基本相似。而在Mo回收率方面，除了pH為9.5時(shí)，氣溶膠浮選法對(duì)應(yīng)的Mo回收率大于傳統(tǒng)浮選；其它pH條件下，兩種浮選法的回收率差別不大。這說(shuō)明，氣溶膠浮選技術(shù)只有在合適的pH值條件下才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，氣溶膠浮選技術(shù)對(duì)于pH值的變化沒(méi)有體現(xiàn)出良好的適應(yīng)能力。

2.3 礦漿濃度對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響

在磨礦細(xì)度-200目占65％、煤油用量50g/t、pH值為9.5的條件下，考查不同礦漿濃度對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響情況。試驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖7，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。試驗(yàn)所用礦漿濃度分別為：23％、28％、33％和38％。

圖7 礦漿濃度影響試驗(yàn)流程圖

圖8 礦漿濃度影響試驗(yàn)結(jié)果

由圖8分析可知，隨著礦漿濃度的增加，兩種浮選法對(duì)應(yīng)的粗精礦中，鉬品位及鉬回收率變化趨勢(shì)相似。鉬品位逐漸下降，鉬回收率逐漸上升，最后趨于穩(wěn)定。不同礦漿濃度下，兩種浮選法對(duì)應(yīng)的鉬品位基本相似；回收率方面卻差距較大，氣溶膠浮選法均高于傳統(tǒng)浮選法。這說(shuō)明，礦漿濃度對(duì)于兩種浮選過(guò)程均具有顯著影響。與傳統(tǒng)浮選相比，從回收率的角度而言，氣溶膠浮選對(duì)于礦漿濃度具有一定的適應(yīng)能力。

2.4 起泡劑用量對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響

鑒于氣溶膠加藥方式與氣泡息息相關(guān)，考查起泡劑用量對(duì)氣溶膠浮選過(guò)程的影響情況是十分有必要的。試驗(yàn)在磨礦細(xì)度-200目占65％、煤油用量50g/t、pH值為9.5的條件下進(jìn)行，試驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖9，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。試驗(yàn)所用起泡劑用量分別為10g/t、 15g/t、20g/t、25g/t和30g/t。

圖9 起泡劑用量影響試驗(yàn)流程圖

圖10 起泡劑用量影響試驗(yàn)結(jié)果

由圖10分析可知，隨著起泡劑用量的增加，兩種浮選法對(duì)應(yīng)的粗精礦中，鉬品位及鉬回收率變化趨勢(shì)基本相似。鉬品位逐漸下降，鉬回收率逐漸上升，當(dāng)起泡劑用量過(guò)多時(shí)，回收率有所下降。起泡劑用量為10g/t和20g/t(正常用量)時(shí)，兩者對(duì)應(yīng)鉬回收率差值對(duì)比可知，氣溶膠浮選法的差值為13.55％，而傳統(tǒng)浮選法的差值為7.73％，前者大于后者。這說(shuō)明，起泡劑用量對(duì)于氣溶膠浮選影響較大，用量過(guò)少不利于氣溶膠浮選，良好的成泡環(huán)境對(duì)于氣溶膠浮選是有利的。

3 煤油氣溶膠加藥浮選熱力學(xué)分析

熱力學(xué)方法是一種宏觀研究方法，可用于判斷氣泡礦化進(jìn)行的可能性，對(duì)于浮選過(guò)程的研究具有重要意義。浮選是在氣-液-固三相體系中完成的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是疏水的有用礦物粘附在氣泡表面上浮，親水的脈石礦物留在礦漿中，從而實(shí)現(xiàn)彼此分離。浮選過(guò)程，尤其是氣泡礦化過(guò)程，伴隨著氣-液-固三相體系自由能的變化。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，自由能降低的過(guò)程是自發(fā)過(guò)程，系統(tǒng)自由能降低越多，疏水礦物顆粒在氣泡上的粘附過(guò)程越容易實(shí)現(xiàn)。

G=SLGγLG+SSLγSL

(1)

礦粒與氣泡接觸后，假定為單位面積附著，系統(tǒng)的自由能為：

G′=(SLG-1)γLG+(SSL-1)γSL+1×γSG

(2)

則礦粒與氣泡接觸前后，系統(tǒng)的自由能變化為：

ΔG=G-G′=γLG+γSL-γSG

(3)

對(duì)于溶液濃度不高的體系，有Gibbs等溫吸附方程的近似式：

(4)

式(4)中：Γ為表面過(guò)剩量(表面吸附量)；C為溶液濃度；γ為溶液表面張力；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度。該式表明，界面吸附量的變化可引起界面張力的變化。

因此，由式(3)可以看出，要使ΔG增大，有三個(gè)途徑：一是增加γSL，這就需要減少捕收劑在固-液界面的吸附量；二是增加γLG，但是γLG增加過(guò)高不利于泡沫的穩(wěn)定，只有在不影響浮選指標(biāo)的前提下，才可以適當(dāng)增加γLG；三是減小γSG，這就需要增加捕收劑在氣-固界面的吸附量。氣溶膠浮選技術(shù)正是基于以上原理提出。

具體分析如下：

1) 浮選過(guò)程中，氣泡是有用礦物顆粒上浮的唯一載體，并且氣溶膠加藥方式，首先使浮選藥劑注入到氣相中，或以氣泡為載體，捕收劑在固-液界面的吸附量必然減小，即γSL會(huì)增加；在氣泡與礦物顆粒接觸碰撞中，浮選藥劑通過(guò)氣泡與礦物顆粒表面作用，有可能提高捕收劑在氣-固界面的吸附量，即有可能減小γSG。

2) 本研究針對(duì)烴類油捕收劑煤油來(lái)進(jìn)行氣溶膠浮選試驗(yàn)，煤油具有消泡作用，但用量過(guò)多會(huì)對(duì)礦漿中氣泡的穩(wěn)定性造成不利影響，也就是增加了γLG，而這一點(diǎn)卻有利于系統(tǒng)自由能的降低。實(shí)際上，適量的煤油對(duì)氣泡穩(wěn)定性影響不大，但煤油的引入對(duì)于γLG的增加依然存在?？偟恼f(shuō)來(lái)，氣溶膠加藥方式對(duì)于氣泡的礦化過(guò)程是有利的。

4 結(jié)論

氣溶膠加藥方式，可以促進(jìn)氣泡礦化過(guò)程中的氣-液-固三相體系自由能的降低，從而有利于氣泡的礦化過(guò)程。但是，氣溶膠加藥浮選技術(shù)需要適宜的條件才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。浮選工藝條件影響研究結(jié)果表明，磨礦細(xì)度、pH值、礦漿濃度和起泡劑用量等浮選工藝條件，對(duì)于傳統(tǒng)浮選和氣溶膠浮選過(guò)程影響規(guī)律基本相似。不同浮選工藝條件對(duì)于氣溶膠浮選過(guò)程影響差異和影響程度均不同，具體如下：

1) 磨礦細(xì)度影響試驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)浮選技術(shù)相比，氣溶膠浮選技術(shù)對(duì)于磨礦細(xì)度的變化表現(xiàn)出了一定的適應(yīng)能力。

2) pH值影響試驗(yàn)結(jié)果表明：氣溶膠浮選技術(shù)只有在合適的pH值條件下才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，氣溶膠浮選技術(shù)對(duì)于pH值的變化沒(méi)有體現(xiàn)出良好的適應(yīng)能力。

3) 礦漿濃度影響試驗(yàn)結(jié)果表明：礦漿濃度對(duì)于兩種浮選過(guò)程均具有顯著影響。與傳統(tǒng)浮選相比，從回收率的角度而言，氣溶膠浮選對(duì)于礦漿濃度具有一定的適應(yīng)能力。

4) 起泡劑用量影響試驗(yàn)結(jié)果表明：起泡劑用量對(duì)于氣溶膠浮選影響較大，用量過(guò)少不利于氣溶膠浮選，良好的成泡環(huán)境對(duì)于氣溶膠浮選是有利的。

[1]Hidy G M.Aerosols-Anlndustrial and environmental science[M].New York:Academic Press Inc.,1984.

[2]盧正永.氣溶膠科學(xué)引論[M].北京：原子能出版社，2000.

[3]王明星，張仁健.大氣氣溶膠研究的前沿問(wèn)題[J].氣候與環(huán)境研究，2001，6(1)：119-124.

[4]朱恩云，馬駮.中國(guó)大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33(12)：57-59.

[5]朱元，鄭海洋，顧學(xué)軍，等.大氣氣溶膠的檢測(cè)方法研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28(S1)：175-177.

[6]Dickhut R,Cincinelli A,Cochran M,et al.Atmospheric concentrations and air water flux of organic hlorine pesticides along the Western Antarctic Peninsula[J].Environ Sci Tech,2005,39(2):465-470.

[7]Villa S,Negrelli C,Maggi V,et al.Analysis of afirncore for assessing POPs seasonal accumulation on an Alpineg lacier[J].Ecotox Environ Safety,2006,63(1):17-24.

[8]孫娟.氣溶膠光學(xué)厚度的高光譜遙感反演及其環(huán)境效應(yīng)[D].上海：華東師范大學(xué)，2006.

[9]遼寧省冶金研究所氣溶膠試驗(yàn)小組．氣溶膠浮選特性的探討[J]．有色金屬:冶煉部分，1976(3)：31-36.

[10]徐濤，孫春寶，閻志強(qiáng)，等.氣溶膠浮選技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國(guó)礦業(yè)，2011，20(8)：75-78.

[11]FOOT D G,J R,McKAY J D,and HUIATT,J L.Column flotation of chromite and fluorite ores[J].Can.Met.Quart,1986,25(1):15-21.

[12]DOBBY G S,FINCH J A.Particle Collection iin column-gas rate and bubble size effects[J].Can,Met,Quart,1986,25(1):9-13.

[13]PERRY R H,CHILTON C H,ed.Chemical Engineers Handbook[M].Mcgraw Hill,1973:68.

[14]MAY K R.The Collison nebulizer,description,performance and application[J].Aerosol,1973,4:235-243.

[15]Yakup Cebeci,Ibrahim Snmez.A study on the relationship between critical surface tension of wetting and oil agglomeration recovery of calcite[J].Journal of Colloid and Interface Science,2004,273:300-305.

[16]Ulusoy U,Hiylmaz C,Yekeler M.Role of shape properties of calcite and barite particles on apparent hydrophobicity[J].Chemical Engineering and Processing,2004,43:1047-1053.