楊陳儀敏 何 琦 張怡晴 丁世豪 邢耀文 桂夏輝

(1.中國礦業(yè)大學國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學化工學院,江蘇 徐州 221116)

浮選是根據(jù)顆粒表面物理化學性質(zhì)差異實現(xiàn)有用礦物和脈石礦物選擇性分離的界面分選方法[1-3],廣泛應用于細粒有色金屬、黑色金屬以及煤炭的分選提質(zhì)[4]。顆粒-氣泡礦化作為浮選的核心作用單元,包括碰撞、黏附及礦化氣絮體升浮3個子過程[5-7]。其中碰撞過程一般與顆粒、氣泡尺寸及流體力學環(huán)境密切相關,碰撞概率隨著顆粒尺寸的增大、氣泡尺寸的減小以及礦漿紊流的增強而升高[8-9];黏附過程包括液膜薄化破裂及三相線鋪展等系列過程,主要受顆粒-氣泡表面物理化學性質(zhì)及浮選溶液化學條件影響,宏觀表現(xiàn)為顆粒表面疏水性越強,黏附概率越高[10-11];而礦化氣絮體升浮過程受礦漿流場條件、溶液化學性質(zhì)及顆粒-氣泡表面物理化學性質(zhì)協(xié)同影響,通常礦漿紊流度越大,顆粒親水性越強,顆粒越易于在升浮過程中發(fā)生脫附[12-14]。近年來,粗顆粒浮選受到越來越多學者的關注,特別是在優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源逐漸枯竭的大背景下,粗顆粒浮選對減少磨礦成本、擴大選廠產(chǎn)能及綠色礦山建設意義重大。但值得注意的是傳統(tǒng)機械攪拌式浮選粗顆粒的回收率較低,其主要原因為礦化氣絮體在升浮過程中受攪拌湍流作用極易發(fā)生脫附[15-17]。深入理解顆粒-氣泡的脫附機理一直是浮選領域的研究熱點與難點,更是實現(xiàn)粗顆粒浮選強化的前提條件。長期以來,國內(nèi)外學者對顆粒-氣泡脫附機理的研究主要聚焦于脫附概率計算模型的開發(fā)。三種較具代表性的模型包括力平衡模型、能量平衡模型和顆粒最大可浮粒徑模型[18]。SCHULZE[19]通過修正的邦德數(shù)建立了基于力平衡的脫附概率模型(式(1)),其中Pd為顆粒-氣泡脫附概率,為脫附力與黏附力的比值,當脫附力大于黏附力時,顆粒與氣泡發(fā)生脫附。

YOON 等[20]于1996年建立了基于能量平衡的脫附概率模型(式(2)),該模型反映了脫附概率與動能、黏附功和能壘之間的關系,當顆粒從氣泡表面脫附的動能大于黏附功和能壘時則發(fā)生脫附。其中,Wa為黏附功,E1為能壘,E′k為顆粒從氣泡表面脫附的動能。

WOODBURN 等[21]于1971年建立了基于顆粒最大可浮粒徑的脫附概率模型(式(3)),該模型可預測給定尺寸顆粒的脫附概率,當給定顆粒粒徑大于最大可浮粒徑時,脫附概率為1。其中,dP為給定顆粒粒徑,dpmax為顆粒最大可浮粒徑。

大量研究表明,顆粒-氣泡脫附主要發(fā)生在礦漿相、泡沫相和礦漿-泡沫相界面3個區(qū)域(圖1),礦化氣絮體在各區(qū)域的脫附概率因脫附過程不同而具有較大差異[22]。近年來,隨著現(xiàn)代分析測試方法及流體動力學模擬的快速發(fā)展,對顆粒-氣泡微觀脫附機理的深入研究也得以實現(xiàn)。本文從脫附3個發(fā)生區(qū)域入手,分別闡述顆粒-氣泡脫附機理的最新研究進展,以期為粗顆粒浮選強化提供理論指導。

圖1 浮選設備動力學區(qū)域分布及各區(qū)域顆粒-氣泡脫附過程Fig.1 Dynamics distribution diagram of flotation equipment and bubble-particle detachment process in each region

1 礦漿相湍流脫附研究

湍流是浮選礦漿中顆粒-氣泡礦化的主要能量來源,但過強的湍流會破壞礦化氣絮體的穩(wěn)定性,導致顆粒-氣泡脫附[23-25]。礦化氣絮體在湍流中的脫附行為十分復雜,目前的研究尚集中于各向同性湍流中離心脫附機制。20 世紀70年代SCHULZE 最早提出礦化氣絮體在各向同性湍流中的脫附假說:當顆粒-氣泡處于湍渦流環(huán)境中時,顆粒會跟隨渦流旋轉進行離心運動,其旋轉半徑為氣泡直徑,若顆粒所受離心脫附力大于毛細黏附力時,顆粒從氣泡表面脫落[26-27]。為進一步量化描述脫附過程,SCHULZE[27]對傳統(tǒng)邦德指數(shù)進行了修正,指出實際浮選過程中脫附力包括離心力、流體靜壓力、表觀重力以及拉普拉斯壓力,黏附力主要為顆粒-氣泡間毛細力。

圖2 浮選攪拌流場能量耗散率對顆粒-氣泡脫附概率的影響規(guī)律[28]Fig.2 Effect of energy dissipation rate of flotation stirring flow field on bubble-particle detachment probability [28]

湍流離心力是SCHULZE 脫附理論中的主要脫附力,為簡化計算,SCHULZE 模型在計算離心力的過程中忽略了黏性效應,將礦化氣絮體所處位置的流體加速度看做其機械加速度,并采用慣性子區(qū)的湍流結構方程得出計算模型,導致該模型存在一定的局限性。NGO-CONG 等[30]將氣泡和顆粒各自運動形式等價于其所在位置的流體質(zhì)點的運動形式,聯(lián)立N—S方程與慣性子區(qū)湍流結構方程,推導出慣性子區(qū)的礦化氣絮體機械加速度計算模型,該模型表明湍流加速度相對于顆粒-氣泡中心線具有縱向和橫向兩個主分量,其中橫向分量在高湍流強度下對于量化顆粒-氣泡脫附過程具有重要意義。NGO-CONG 等[31]進一步采用Basset-Boussing-Oseen 方程描述氣絮體中顆粒加速度,推導出新的湍流機械加速度計算模型,該模型考慮了由顆粒密度引起的慣性效應的影響。結果表明:對于尺寸和密度較大的顆粒,其機械加速度隨顆粒尺寸和密度的增大而減小,隨湍流能量耗散率和湍流強度的增大而增大。

綜上可見,SCHULZE 離心脫附理論僅基于理論假設,未得到直觀的試驗驗證,該理論中離心力、邦德數(shù)乃至顆粒-氣泡脫附概率的計算均基于能量耗散率,然而預測湍流能量耗散率需要大量的計算資源和先進的湍流結構模型,工業(yè)尺度的應用極為不便。針對上述問題,澳大利亞紐卡斯爾大學WANG 等[32-33]設計了可以產(chǎn)生強制旋轉湍流渦的試驗裝置(圖3),并借助高速動態(tài)攝像機對湍流渦中的顆粒-氣泡運動及脫附行為進行了直接觀察,結果發(fā)現(xiàn)在旋轉湍流渦的作用下,顆粒在氣泡表面以每秒200 轉的速度做離心運動,平均離心加速度幾乎是分離時重力加速度的23 倍,意味著與湍流的影響相比其他脫附力幾乎可以忽略,這也首次通過試驗證實了SCHULZE 離心脫附假說。與此同時,WANG 等[32]發(fā)現(xiàn)離心脫附并不是唯一的脫附機制,礦漿相中氣泡的振蕩形變以及顆粒-氣泡不規(guī)則的加減速運動也會誘發(fā)脫附現(xiàn)象發(fā)生,其中氣泡振蕩形變的能量主要來源于氣泡兼并和湍流擾動作用(圖4)。

圖3 浮選渦流發(fā)生裝置示意[33]Fig.3 Diagrammatic sketch of the vortex generation apparatus[33]

圖4 礦漿相中氣泡振蕩誘發(fā)顆粒脫附過程[33]Fig.4 The process of particle desorption induced by bubble oscillation in pulp phase[33]

基于上述試驗結果,WANG 等[34]進一步利用計算流體力學(CFD)對礦漿相的湍流脫附機理進行深入研究。通過模擬湍流發(fā)生槽中的流場環(huán)境發(fā)現(xiàn):該裝置內(nèi)高湍流區(qū)域分布在壁面空腔的頂部和底部以及靠近下游的壁面區(qū)域,高湍流區(qū)域的剪切速率和能量耗散率均較高,表明顆粒-氣泡在湍流中的脫附過程受到剪切應力和離心力的協(xié)同影響。與此同時,針對目前脫附概率計算均基于湍流能量耗散率需要大量計算資源的缺點,WANG[34]將顆粒機械加速度與流場渦量相結合,開發(fā)了一種新型的脫附概率模型,并通過CFD 模擬將該模型與GOEL 等[28]提出的基于能量耗散率的脫附概率模型進行對比。計算結果發(fā)現(xiàn):若利用大渦模擬(LES)進行計算,兩種模型預測的脫附概率大致相同,驗證了新模型的準確性;若利用對計算能力要求較低的雷諾應力模型(RSM)進行計算,基于渦量的新模型比基于能量耗散率的模型更具優(yōu)勢(圖5)。

圖5 不同模型繪制的顆粒脫附概率等高線[34]Fig.5 Contour plot of the particle detachment probabilities using different model[34]

2 泡沫相兼并脫附機理研究

泡沫相中,氣泡在拉普拉斯壓力和表面力協(xié)同作用下發(fā)生兼并,研究認為氣泡兼并產(chǎn)生的瞬時能量釋放是造成顆粒在泡沫相中脫附的主要原因[35-37]。

ATA[38]設計了可以產(chǎn)生和觀測氣泡兼并過程的試驗裝置(圖6),系統(tǒng)研究了氣泡兼并對顆粒-氣泡脫附行為的影響規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn)氣泡兼并會引起氣泡振蕩并使氣泡表面積減小,從而減弱氣泡表面的有效負載能力,導致顆粒-氣泡脫附。另外,ATA[38]發(fā)現(xiàn)氣泡兼并時間與氣泡表面顆粒覆蓋率呈單調(diào)遞增的函數(shù)關系,即氣泡表面顆粒覆蓋率越高,氣泡兼并時間越長,這表明氣泡表面黏附的顆粒會對氣泡兼并產(chǎn)生一定的阻尼作用。STEVENSON 等[39]基于力平衡理論對氣泡兼并后的振蕩過程展開研究,發(fā)現(xiàn)三相接觸線在氣泡振蕩過程中無法保持穩(wěn)定,并認為該現(xiàn)象是顆粒-氣泡脫附的物理基礎。更重要的是,其發(fā)現(xiàn)氣泡表面覆蓋的顆粒通過在氣泡壁周圍提供一個半剛性的殼層來減少氣泡表面形變,并由于表面慣性的增加而降低了振蕩頻率,減少顆粒-氣泡脫附。

圖6 試驗裝置示意[38]Fig.6 Diagrammatic sketch of experimental device [38]

為了進一步探究泡沫相中顆粒-氣泡脫附的影響因素,ATA[40]利用圖6所示的試驗裝置對比了表面覆蓋顆粒性質(zhì)和表面活性劑濃度對氣泡兼并過程的影響。結果發(fā)現(xiàn)氣泡表面覆蓋的顆粒會對氣泡兼并引起的氣泡振蕩起到一定的阻尼作用,具體表現(xiàn)為顆粒粒徑越小、疏水性越強,顆粒-氣泡的脫附概率越小,部分結果如圖7所示;表面活性劑的存在同樣會對氣泡兼并引起的氣泡振蕩產(chǎn)生阻尼作用,具體表現(xiàn)為表面活性劑濃度越高,顆粒-氣泡脫附概率越小。BOURNIVAL 等[41]在ATA 試驗的基礎上探究了醇類起泡劑對覆蓋疏水二氧化硅顆粒氣泡兼并的影響,發(fā)現(xiàn)不同類型和濃度的起泡劑對氣泡兼并的阻尼系數(shù)不同,并且顆粒-氣泡的脫附概率隨著阻尼系數(shù)的增加而減小(圖8)。此結果表明,浮選過程中起泡劑的選擇要考慮其在氣泡兼并或特定湍流條件下阻礙顆粒-氣泡脫附的能力,即在保證起泡效果的條件下選擇能夠產(chǎn)生保持顆粒附著所需最大阻尼效果的起泡劑。

圖7 顆粒本身性質(zhì)對氣泡兼并過程中顆粒-氣泡脫附行為的影響[40]Fig.7 Effect of particle properties on bubble-particle detachment behavior during bubble coalescence[40]

圖8 阻尼系數(shù)對氣泡兼并脫附概率的影響[41]Fig.8 Effect of the damping coefficient on the fractional of detachment caused by bubble coalescence[41]

3 礦漿-泡沫相界面顆粒-氣泡脫附研究

礦漿-泡沫相界面是礦漿相與泡沫相進行相際傳質(zhì)的重要區(qū)域,從某種程度上講其兼顧礦漿相與泡沫相的性質(zhì)。研究表明大量顆粒在此區(qū)域發(fā)生脫附[42-44],但礦漿-泡沫相界面處的顆粒-氣泡脫附機理還存在爭議。

部分研究者認為,礦化氣絮體撞擊礦漿-氣泡相界面時動能的改變是顆粒-氣泡在界面區(qū)脫附的主要原因。FALUTSU 等[45-46]發(fā)現(xiàn)大量顆粒在礦漿-泡沫相界面處發(fā)生脫附,并推測這是由于礦化氣絮體與礦漿-泡沫相界面碰撞后動能改變所致。SEAMAN[44]則發(fā)現(xiàn)礦化氣絮體穿過礦漿-泡沫相界面時引起的動能變化和氣泡振蕩將共同導致顆粒的脫附,并且會因顆粒不同的物理屬性而發(fā)生選擇性脫附。AI-MAGHRABI[47]得到了類似的結論,并觀察到礦漿-泡沫相界面區(qū)的脫附顆粒同泡沫相中因氣泡兼并而脫附的顆粒將繼續(xù)在礦漿相、礦漿-泡沫相界面和泡沫相中移動,從而建立了一個描述顆粒脫附過程的概率模型,包含脫附顆粒的遷移概率和穩(wěn)態(tài)概率。

然而,部分研究表明礦漿-泡沫相界面處動能的改變并不足以導致顆粒-氣泡的脫附,氣泡兼并及其引起的界面區(qū)擾動才是該區(qū)域顆粒脫附的主要原因。IRELAND 等[48]設計了可以產(chǎn)生礦化氣絮體的試驗裝置,并利用高速動態(tài)攝像機觀測礦化氣絮體在界面的運動和碰撞情況,試驗系統(tǒng)如圖9所示。結果發(fā)現(xiàn):大部分顆粒經(jīng)過碰撞后仍然黏附在氣泡上,這表明礦化氣絮體的動能在與界面碰撞早期就已被耗散,因此顆粒只會在氣泡表面平滑移動并保持附著狀態(tài)(圖9)。這同ATA[49]的研究結果相近,即礦化氣絮體在界面處動能的改變并不足以導致顆粒脫附,ATA推測礦漿-泡沫相界面處劇烈的氣泡兼并才是導致顆粒-氣泡發(fā)生脫附的主要原因。為明晰界面處顆粒-氣泡脫附機制,許光前[50]利用高速動態(tài)攝像機觀測了靜態(tài)礦漿-泡沫相界面處顆粒-氣泡的脫附行為,結果發(fā)現(xiàn):礦漿-泡沫相界面處的脫附以兼并脫附為主,包括垂直兼并和水平兼并,同等條件下垂直方向兼并的脫附率高于水平方向的脫附率,這是因為垂直兼并的負載顆粒主要集中在加速度最大的端點上。與此同時,許光前[50]通過分析顆粒負載量不同時氣泡的兼并脫附行為發(fā)現(xiàn),顆粒負載量小時,由于受到兼并初期曲率半徑減小和液膜收縮的影響,顆粒-氣泡脫附易發(fā)生在氣泡形變的突變位置;顆粒負載量大時,顆粒-氣泡脫附主要發(fā)生在氣泡兼并第一次收縮時且軸線兩端脫附率高。

圖9 礦化氣絮體在礦漿-泡沫界面的脫附行為[48]Fig.9 Desorption behavior of bubble-particle aggregate at pulp-froth interface[48]

4 結論與展望

本文從浮選顆粒-氣泡脫附的3個發(fā)生區(qū)域入手,分別討論了礦漿相、泡沫相和礦漿-泡沫相界面顆粒-氣泡脫附機理的最新研究進展。湍流是顆粒-氣泡完成礦化反應的能量來源,也是顆粒-氣泡在礦漿相中發(fā)生脫附的原因。當前SCHULZE 離心脫附假說是礦漿相顆粒脫附的主流機制,學者們基于SCHULZE 模型陸續(xù)對邦德數(shù)、機械加速度等變量進行了修正與完善。泡沫相中氣泡兼并引起的氣泡振蕩和有效負載能力下降是顆粒在泡沫相中發(fā)生脫附的主要原因,氣泡表面覆蓋的顆粒和表面活性劑對氣泡振蕩起到一定的阻尼作用從而降低脫附概率。礦漿-泡沫相界面區(qū)的顆粒-氣泡脫附機理尚存在爭議,一種觀點認為礦化氣絮體撞擊界面產(chǎn)生的動能變化導致顆粒-氣泡脫附,但是另有研究指出礦化氣絮體的動能在與界面碰撞初期就已被耗散,該過程中顆粒只會在氣泡表面滑動而不發(fā)生脫附,氣泡兼并及其引起的界面區(qū)擾動才是顆粒-氣泡脫附的主要原因。

在現(xiàn)有研究進展基礎上,筆者認為浮選顆粒-氣泡脫附機理未來的研究方向主要包括:

(1)浮選礦漿相顆粒-氣泡脫附是隨機過程,受到湍流離心運動、氣泡振蕩以及氣泡不規(guī)則加減速運動等多種脫附機制協(xié)同控制。然而,目前顆粒-氣泡脫附機理研究大多聚焦于某個單一機制,缺乏對多種機制協(xié)同作用的試驗探究。

(2)顆粒-氣泡脫附試驗研究的試驗材料多用單一粒度的玻璃微珠或二氧化硅顆粒,試驗所處的液體環(huán)境與浮選實際差異較大,寬粒級物料的原位脫附過程及其粒度匹配效應也需進一步探索。

(3)與礦漿和泡沫相不同,礦漿-泡沫相界面區(qū)的性質(zhì)和顆粒脫附過程更加復雜,主要體現(xiàn)在大量礦化氣泡在此進行突然碰撞積聚、兼并重排,浮選礦化氣泡在相界面處碰撞及兼并脫附過程的能量演化競爭機制是深入明晰相界面脫附機理需要解決的關鍵科學問題。