肖遙，韓海生，孫偉，彭建，張碧蘭

(1.中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南 郴州，423037)

我國是礦產(chǎn)資源大國，資源豐富[1]。自21世紀(jì)初以來，隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的高速發(fā)展，我國資源消耗加劇，雖然資源總量較大，但富礦越來越缺乏[2]，人們?cè)趯?duì)細(xì)顆粒特別是微細(xì)粒氧化礦物的回收和利用上遇到了很多困難，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)較大[3]，如我國的鎢資源嵌布粒度小，回收難度大[4]。另一方面，節(jié)能降耗、提高資源利用率和建設(shè)綠色礦山越來越成為新時(shí)代礦山的發(fā)展目標(biāo)[5]，尾礦、廢渣和可再生資源的綜合利用越來越受到人們的關(guān)注，它們具有粒度小、氧化性高、入選礦物含泥量高等特點(diǎn)，這對(duì)微細(xì)顆粒浮選工藝提出了很高的要求。同時(shí)，從全球礦山企業(yè)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，磷酸鹽礦物、含銅礦物、含鎢礦物等大部分因?yàn)榱６刃?、難以回收而造成較大損失[6]。對(duì)微細(xì)粒礦物進(jìn)行回收利用，無論是對(duì)緩解我國資源緊張的壓力還是實(shí)現(xiàn)全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都意義重大。

本文對(duì)微細(xì)粒礦物分選的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)瓶頸進(jìn)行分析，對(duì)近年來微細(xì)粒浮選的新技術(shù)和新方法(主要是基于增加微細(xì)粒表觀粒徑強(qiáng)化微細(xì)粒浮選的方法和基于減小氣泡直徑強(qiáng)化微細(xì)粒浮選的方法)進(jìn)行總結(jié)，并重點(diǎn)對(duì)微細(xì)粒浮選設(shè)備進(jìn)行探討，分析湍流動(dòng)能耗散率和多尺度氣泡對(duì)于浮選設(shè)備強(qiáng)化微細(xì)粒浮選效果的影響，旨在為微細(xì)粒礦物浮選新技術(shù)與新裝備開發(fā)提供借鑒。

1 微細(xì)粒浮選效果不佳的原因

在礦物浮選過程中，礦物的粒度能夠在很大程度上影響浮選指標(biāo)[7]。研究表明，泡沫浮選的最佳粒度在5～75 μm范圍內(nèi)[8]。在實(shí)際浮選過程中，對(duì)粒度為15～150 μm的礦物顆粒能夠得到較好的浮選效果[9-10]。TRAHAR[8]的研究結(jié)果表明錫石、黑鎢礦、重晶石、螢石、石英等礦物的浮選粒度界限分別為3～20 μm、20～50 μm、10～30 μm、10～90 μm和9～50 μm。當(dāng)粒度超出最佳范圍時(shí)，不論是硫化礦浮選還是氧化礦浮選，其指標(biāo)均明顯降低。

1.1 微細(xì)粒浮選過程中顆粒與氣泡作用特性

RALSTON等[11]利用多級(jí)串聯(lián)的浮選機(jī)浮選不同粒級(jí)的銅礦，對(duì)比了各臺(tái)浮選機(jī)內(nèi)不同粒級(jí)銅礦的回收率，繪制了典型的按粒度浮選的曲線(見圖1)，并指出了粗顆粒礦物和微細(xì)粒礦物回收率下降的原因[11]。GAUDIN等[12]發(fā)現(xiàn)微細(xì)粒的浮選效果比常規(guī)粒度的礦物顆粒的浮選效果差的原因是顆粒與氣泡的碰撞效率低，而粗顆粒在浮選過程中回收率下降的原因是脫落概率高，所以，這2種情況的礦物顆粒浮選需要滿足不同的化學(xué)條件[12]，深入了解顆粒與氣泡的碰撞行為是提高微細(xì)粒浮選效果的關(guān)鍵。

圖1 不同粒徑的銅礦在多臺(tái)浮選機(jī)中的累計(jì)回收率Fig.1 Cumulative recovery of copper ores with different particle sizes in multiple flotation machines

在流體力學(xué)中，常用量綱一Stokes數(shù)(St)來表示顆粒在流體與氣泡相遇時(shí)所受到的慣性力和黏性力的權(quán)重。

式中：RP為顆粒半徑；vb為氣泡的運(yùn)動(dòng)速度；ρP為顆粒密度；μ為流體的動(dòng)力黏度；Rb為氣泡半徑。由于微細(xì)粒徑具有體積小、質(zhì)量小等特點(diǎn)，其St較小，表明微細(xì)粒徑在遇到氣泡時(shí)，慣性力難以克服流體的黏性力，此時(shí)，顆粒常跟隨流體的流線在氣泡周圍產(chǎn)生繞流；而常規(guī)粒徑的顆粒具有較大的慣性，能夠克服黏性力脫離流線運(yùn)動(dòng)，這將增大顆粒與氣泡碰撞的概率[13]。HASSANZADEH等[14]在粒徑為0～100 μm、氣泡直徑為0～2 mm、粒子密度為0～10 g/cm3時(shí)，研究了顆粒與氣泡相遇時(shí)存在的各類效應(yīng)，得到了如圖2所示的結(jié)果[14]。在實(shí)際的浮選條件下，浮選槽內(nèi)的氣泡直徑與顆粒粒徑相比較大，當(dāng)顆粒與氣泡直徑接近時(shí)，通過湍流效應(yīng)發(fā)生的碰撞通常難以在浮選中發(fā)生[15]，因此，當(dāng)顆粒St極小時(shí)，顆粒與氣泡的碰撞將以攔截效應(yīng)為主。HASSANZADEH等[14]發(fā)現(xiàn)攔截效應(yīng)導(dǎo)致顆粒氣泡碰撞的概率與因慣性效應(yīng)和重力效應(yīng)產(chǎn)生的碰撞概率相比較小，這也解釋了以慣性效應(yīng)和重力效應(yīng)為主的粗顆粒與氣泡碰撞概率更高的原因。

圖2 顆粒-氣泡碰撞過程區(qū)域劃分Fig.2 Classification of particle bubble collision processes

1.2 微細(xì)粒浮選過程中存在的問題

除了浮選過程中的流體力學(xué)因素之外，還有很多方面造成微細(xì)粒浮選效果不佳。從化學(xué)方面的因素來看，微細(xì)粒礦物由于體積小，其慣性小，同時(shí)，比表面積和表面能反而比常規(guī)的入選顆粒的更大，這使得微細(xì)粒的捕收劑消耗更大，且更容易受到表面性質(zhì)的影響，使其表面更容易具有活性(例如容易被氧化)[12]，影響浮選的選擇性，容易造成脈石礦物和目的礦物的非選擇性團(tuán)聚；同時(shí)，微細(xì)粒礦物過小的體積也會(huì)造成微細(xì)粒更容易受到離子的影響，表面溶解度增大，對(duì)浮選環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。FARROKHPAY等[16]分析了微細(xì)粒難以回收的物理和化學(xué)因素，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 微細(xì)粒浮選過程中的物理化學(xué)特征Fig.3 Physicochemical characteristic in fine particle flotation

從式(1)可以看出，增大顆粒的粒徑或減小氣泡的直徑能夠增大St，從而從根本上提高顆粒-氣泡的碰撞效率。因此，研究者大多從增大顆粒表觀粒徑和減小氣泡直徑這2個(gè)方面入手。

2 微細(xì)粒浮選技術(shù)的應(yīng)用

2.1 基于增大礦物顆粒表觀粒徑強(qiáng)化微細(xì)粒分選的浮選技術(shù)

選擇性絮凝浮選技術(shù)是通過在礦漿中添加高分子絮凝劑，將礦物顆粒選擇性地團(tuán)聚成較大的絮團(tuán)，然后通過浮選技術(shù)回收微細(xì)粒的一種方法[6]，通常需要使用分散劑、調(diào)整劑、高分子絮凝劑和常規(guī)浮選藥劑等來完成整個(gè)浮選過程。

剪切絮凝浮選技術(shù)是在浮選作業(yè)之前，通過在礦漿和捕收劑的混合流體中采用高強(qiáng)度攪拌，使微細(xì)粒形成絮團(tuán)從而增加顆粒表觀粒徑的一種浮選技術(shù)。高強(qiáng)度的攪拌使能量在礦漿中傳遞到更小的湍流渦中，能夠增強(qiáng)捕收劑和礦物顆粒的混合作用，而捕收劑在礦物表面產(chǎn)生的疏水鍵合力能夠使礦物顆粒團(tuán)聚[1]。

油團(tuán)聚浮選技術(shù)是通過在礦漿中添加中性油，中性油被分散成疏水性的油滴，疏水的目的顆粒通過油滴橋連接起來形成油團(tuán)，從而增大表觀粒徑，之后通過浮選得到目標(biāo)產(chǎn)物的一種技術(shù)[17]。

載體浮選技術(shù)被認(rèn)為是一種很好的回收微細(xì)粒的一種技術(shù)[18]。邱冠周等[19]研究了赤鐵礦載體浮選的機(jī)理，將粒度為20～30 μm的赤鐵礦作為載體，浮選粒度在0～5 μm的微細(xì)粒赤鐵礦，與常規(guī)浮選相比，回收率明顯提高。

2.2 基于減小氣泡直徑強(qiáng)化微細(xì)粒分選的浮選技術(shù)

細(xì)顆粒的可浮性差通常歸因于浮選過程中顆粒與氣泡的碰撞效率低，常用Ec來表示顆粒與氣泡的碰撞效率。Ec受到很多因素的影響，但顆粒粒徑與氣泡的直徑之比會(huì)顯著影響Ec[20-21]。除了增大顆粒的表觀粒徑以外，減小氣泡直徑可強(qiáng)化微細(xì)粒的浮選效果[22-24]。DAI等[22]對(duì)完全疏水的石英顆粒采用不同直徑氣泡進(jìn)行浮選研究，考察了不同粒徑的石英顆粒與不同直徑的氣泡之間的碰撞效率Ec，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同粒徑的石英顆粒與不同直徑氣泡之間的碰撞效率Fig.4 Collision efficiency between quartz particles with different sizes and bubbles with different sizes

從圖4可見：對(duì)于同一直徑的石英顆粒，直徑更小的氣泡與石英顆粒的碰撞效率更高。產(chǎn)生微氣泡的方式有很多種，包括溶氣法、空化法和電解法等。

3 湍流作用下的微細(xì)粒礦化和微細(xì)粒浮選裝備研究進(jìn)展

3.1 湍流作用下的微細(xì)粒礦化

研究表明，浮選是一個(gè)與顆粒和氣泡數(shù)量有關(guān)的過程[25-28]。顆粒被氣泡捕獲的過程中涉及的微觀過程的動(dòng)力學(xué)方程由給定體積內(nèi)顆粒數(shù)量的去除率描述，如下式所示：

式中：Np和Nb分別為顆粒和氣泡單位體積內(nèi)的數(shù)量；Pc、Pa和Ps分別為顆粒與氣泡的碰撞概率、黏附概率和穩(wěn)定概率；z為顆粒和氣泡的碰撞核心數(shù)量。設(shè)Zpb為湍流場中顆粒與氣泡的碰撞率，則有

KOH等[26-28]在慣性效應(yīng)明顯時(shí)給出了Zpb的具體表達(dá)式，但要求顆粒和氣泡的直徑均大于臨界直徑。NGUYEN等[29]研究了在湍流環(huán)境下顆粒與氣泡的微觀相互作用行為，并總結(jié)了湍流對(duì)浮選中顆粒與氣泡相互作用的研究進(jìn)展，指出微觀湍流對(duì)浮選的影響還處在定性研究階段，需盡快開展定量研究[30]。在低湍流耗散情況下，KOH等[26]給出的Zpb表達(dá)式如下：

式中：dp為顆粒的直徑；db為氣泡的直徑；ε為湍流動(dòng)能耗散率；v為流體的運(yùn)動(dòng)黏度?？梢酝ㄟ^浮選過程中顆粒被氣泡捕獲的概率P來間接反映浮選速率。P的定義式為

一般地，人們習(xí)慣用脫附概率Pd來代替Ps，則式(5)可以寫成

實(shí)際上，描述顆粒-氣泡相互作用的數(shù)值模型的主要假設(shè)有很多種，每種模型都有其適用范圍和缺點(diǎn)。HASSANZADEH等[14]對(duì)各種模型的適用范圍和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。YOON等[31]假定碰撞在氣泡的整個(gè)上半表面上均勻分布，并忽略粒子的慣性效應(yīng)后建立了碰撞概率和黏附概率模型。并對(duì)脫附概率模型進(jìn)行了研究，上述模型在理論分析和實(shí)際研究中均被證實(shí)具有指導(dǎo)作用[25-28,32]。曹亦俊等[32]對(duì)上述各類模型進(jìn)行了總結(jié)，得出不同流態(tài)下礦粒的捕獲概率公式，如表1所示。表1中：ub為氣泡的速度；dpmax=2Rpmax，為發(fā)生碰撞時(shí)顆粒的最大直徑；

表1 不同湍流條件下氣泡對(duì)礦物顆粒的捕獲概率Table 1 Trapping probability of mineral particles by bubbles under different turbulent conditions

式中：rsg為顆粒和氣泡的中心距離；g為重力加速度；θ為接觸角；Reb為氣泡雷諾數(shù)；ti為誘導(dǎo)時(shí)間；ρp為顆粒密度；ρf為水密度；Rp、Rb分別為顆粒半徑和氣泡半徑。

在接觸角θ=80°、氣泡密度ρb=1.29 kg/m3、顆粒密度ρp=1 500 kg/m3、水密度ρf=1 000 kg/m3、表面張力σ=0.062 N/m的條件下，曹亦俊等[32]根據(jù)表1進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)于微細(xì)粒，高度湍流能夠有效地增加氣泡對(duì)礦物顆粒的捕獲概率。

強(qiáng)化微細(xì)粒浮選的有效流體動(dòng)力學(xué)方法是增加流體的湍流動(dòng)能耗散率，這就要求礦化時(shí)湍流動(dòng)能耗散率能更高，同時(shí)，要使分離過程不受到劇烈的礦化過程影響。浮選設(shè)備只有滿足高湍流耗散率和靜態(tài)的分選環(huán)境才能最大化地強(qiáng)化微細(xì)粒的浮選效果。

3.2 微細(xì)粒浮選裝備的研究進(jìn)展

3.2.1 以CPT浮選柱為代表的常規(guī)浮選柱

CPT浮選柱由加拿大CPT公司發(fā)明。該浮選柱采用逆流礦化原理使礦物得到分離和回收，是最典型的常規(guī)浮選柱之一。CPT浮選柱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示[33]。浮選柱從中上部給礦，在給礦管后端布置礦漿分散器，保證礦漿能在柱體內(nèi)均勻分布。在靠近尾礦口的下部布置Slamjet氣體分散器，氣泡從下往上運(yùn)動(dòng)，與礦漿運(yùn)動(dòng)方向相反，從而實(shí)現(xiàn)逆流礦化。Slamjet氣體分散器能夠?qū)馀莘稚⒊晌馀荩瑢?duì)微細(xì)粒的浮選有一定的強(qiáng)化效果。

圖5 CPT浮選柱結(jié)構(gòu)示意圖[33]Fig.5 Schematic diagram of CPT flotation column structure[33]

以CPT浮選柱為代表的常規(guī)浮選柱內(nèi)最為核心的部件是位于浮選柱底部的發(fā)泡裝置。對(duì)浮選柱而言，根據(jù)發(fā)泡方式和安裝方式不同，可以將發(fā)泡器分為內(nèi)部發(fā)泡器和外部發(fā)泡器[34-39]。

3.2.2 充填介質(zhì)浮選柱

充填介質(zhì)浮選柱相比于常規(guī)的浮選柱有相同點(diǎn)也有許多不同點(diǎn)。相同點(diǎn)是礦漿和氣泡的運(yùn)動(dòng)方向均是逆向運(yùn)動(dòng)，即“逆流礦化”，并且同樣是在靜態(tài)的流場環(huán)境下進(jìn)行分選；不同點(diǎn)在于充填介質(zhì)浮選柱內(nèi)部沿軸向有充填介質(zhì)[40-44]。充填介質(zhì)浮選柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示[43]。

圖6 充填介質(zhì)浮選柱結(jié)構(gòu)示意圖[43]Fig.6 Schematic diagram of filling medium flotation column structure[43]

充填介質(zhì)浮選柱內(nèi)的充填介質(zhì)主要是針對(duì)常規(guī)浮選柱存在的問題而設(shè)計(jì)的。大型浮選柱存在下列2個(gè)使浮選指標(biāo)降低的問題：一是浮選柱內(nèi)沿軸向礦物顆?；旌蠂?yán)重，礦漿在大型浮選柱高徑比較小的情況下往往難以形成柱塞流；二是泡沫兼并的問題，浮選柱內(nèi)的氣泡在上升過程中直徑增大，導(dǎo)致礦物顆粒負(fù)載量減小，同時(shí)，脈石礦物的夾帶將更加嚴(yán)重；此外，大的泡沫容易干擾泡沫層的穩(wěn)定性[45]。

充填介質(zhì)浮選柱內(nèi)的充填介質(zhì)一般包括填料和篩板。翟愛峰等[41,46]對(duì)比了2種充填介質(zhì)的性能，所得結(jié)果如表2所示。

表2 填料充填與篩板充填的性能比較[41,46]Table 2 Performance comparison between filler filling and sieve plate filling[41,46]

填料充填通過圓筒型的隔板將浮選柱體分隔成軸向狹窄的空間，使礦漿和氣泡在每個(gè)狹窄的單元體內(nèi)形成柱塞流，明顯改善了氣泡在浮選柱中的徑向分布，有效防止了空塔型浮選柱氣泡合并嚴(yán)重返混、劇烈、不穩(wěn)定等操作故障，提高了浮選柱的運(yùn)行穩(wěn)定性，但工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，填料填充效率高，成本也高，安裝維護(hù)工作量大[41]。

篩板充填中的篩板由簡單的穿孔板組成，這些板上的孔可以起到打破垂直混合流的效果。在浮選柱內(nèi)填充篩板可以防止礦漿沿柱軸方向快速流出并形成近似的栓塞流，從而改善分選效果。T·C.埃塞爾等[45]指出，用填充篩板能提高浮選柱指標(biāo)，防止礦漿軸向混合，減少泡沫破裂“翻花”現(xiàn)象或防止大氣泡的形成。充填篩板可提高浮選柱指標(biāo)的穩(wěn)定性，并消除諸如隨柱體高度增大而迅速形成的不正常的大氣泡和紊流現(xiàn)象。

劉炯天等[47]針對(duì)上述2種充填方式進(jìn)一步提出了混合充填式浮選柱。該種充填形式結(jié)合了2種充填方式的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步減小了紊流和返混的現(xiàn)象并增強(qiáng)了礦化泡沫的穩(wěn)定性，從而提高了總體的分選效率。

相比于常規(guī)的浮選柱，充填介質(zhì)浮選柱能提高對(duì)微細(xì)粒浮選的效果，但充填介質(zhì)浮選柱并沒有克服微細(xì)粒浮選過程中浮選時(shí)間過長的問題，這也導(dǎo)致浮選柱的柱體高度相比于傳統(tǒng)浮選柱的柱體高度并沒有降低，沒有克服實(shí)際生產(chǎn)中因柱體過高導(dǎo)致的操作不便問題。

3.2.3 Jameson浮選柱

JAMESON[48]研制的Jameson浮選柱備受青睞，其獨(dú)特的礦化方式和較小的柱高克服了當(dāng)時(shí)浮選柱柱體過高所產(chǎn)生的問題。Jameson浮選柱在澳大利亞應(yīng)用非常廣泛，許多研究者基于Jameson浮選柱進(jìn)行了大量研究[49-54]。Jameson浮選柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示[55]。

圖7 Jameson浮選柱結(jié)構(gòu)示意圖[55]Fig.7 Schematic diagram of Jameson flotation column structure[55]

HARBORT等[49]的研究表明，Jameson浮選柱與其他浮選設(shè)備有較大區(qū)別，基于機(jī)械浮選槽、常規(guī)浮選柱和非常規(guī)浮選柱、氣動(dòng)浮選裝置等設(shè)備的假設(shè)不一定能夠用在Jameson浮選柱上。HARBORT等[49]對(duì)比了Jameson浮選柱和國外常見的浮選設(shè)備的一些基本參數(shù)，如表3所示。

表3 Jameson浮選柱與其他浮選柱參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of parameters between Jameson flotation column and other flotation columns

根據(jù)浮選槽的“經(jīng)典”基本參數(shù)如槽停留時(shí)間和表觀空氣速度來評(píng)判Jameson浮選柱可以發(fā)現(xiàn)，Jameson浮選柱不容易與浮選柱或機(jī)械浮選槽組合。Jameson浮選柱的特征與氣動(dòng)浮選槽的特征最接近，如空氣噴射式水力旋流器與離心式浮選機(jī)都具有槽停留時(shí)間小、濃縮物產(chǎn)率和剪切速率高等特點(diǎn)，同時(shí)可以產(chǎn)生直徑非常小的氣泡。

TASDEMIR等[51]基于操作參數(shù)和顆粒直徑對(duì)Jameson浮選柱性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)改變精礦流速、降液管浸入深度、降液管內(nèi)的射流長度、射流速度和液體含率對(duì)不同粒徑顆粒的回收率有很大影響。粒度增加、精礦流速增加和浸入深度減少，導(dǎo)致回收率增加。射流長度、射流速度和含水率的增加導(dǎo)致細(xì)顆粒的回收率提高，而中/粗顆粒的回收率降低。ZHU等[54]的研究表明，降液管內(nèi)液體和氣體的表觀流速會(huì)對(duì)降液管產(chǎn)生的氣泡直徑有影響，液體表觀流速增加會(huì)使氣泡的直徑減小，而氣體的表觀流速增加反而會(huì)使氣泡的直徑增大。

Jameson浮選柱沒有采用傳統(tǒng)浮選柱的逆流礦化方式，采取完全的管流礦化方式將礦漿從直徑較小的給礦管給入，在管流空化引起較高湍流動(dòng)能耗散率的同時(shí)，又將礦化和分離2個(gè)過程分隔，因此，能夠大大降低柱體的高度，提升微細(xì)粒的浮選效果。然而，Jameson浮選柱也有一些缺點(diǎn)，如礦化后完全的靜態(tài)分選導(dǎo)致礦漿容易短路，加上沒有布置中礦循環(huán)，Jameson浮選柱往往會(huì)導(dǎo)致尾礦品位高，需要反復(fù)再選才能得到較低的尾礦品位[56]。

3.2.4 旋流-靜態(tài)微泡浮選柱

旋流-靜態(tài)微泡浮選柱又稱FCSMC浮選柱[57]，將旋流分級(jí)、管流礦化和柱浮選結(jié)合起來，在鉬礦、鎢礦、金礦、石墨等礦物的浮選上都得到了廣泛應(yīng)用[57-64]。旋流-靜態(tài)微泡浮選柱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示[65]。

圖8 旋流-靜態(tài)微泡浮選柱結(jié)構(gòu)示意圖[65]Fig.8 Schematic diagram of cyclone static microbubble flotation column structure[65]

旋流-靜態(tài)微泡浮選柱的旋流段提供了離心力場，這對(duì)浮選速率有一定影響。速度對(duì)浮選速率γ的影響可以通過Sutherland方程給出[57]：

式中：Rb為氣泡半徑；Rp為礦粒粒度半徑；v為顆粒和氣泡的相對(duì)速度；N為氣泡的數(shù)量；ti為浮選誘導(dǎo)時(shí)間；β為碰撞和附著效率的比值。在離心力場中沿徑向方向，氣泡向中心運(yùn)動(dòng)，氣泡運(yùn)動(dòng)速度為vb=ω2rR2b/(9μ)，礦粒向器壁運(yùn)動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)速度為vp=d2?ρω2r/(18μ)，顆粒和氣泡相向運(yùn)動(dòng)，可以得到v=ω2r(d2?ρ+2R2b)/(18μ)(其中，ω為礦粒及流體旋轉(zhuǎn)角速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑，μ為礦漿黏度)。誘導(dǎo)時(shí)間ti由下式給出：

離心力場會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角速度ω，且氣泡與顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度隨著ω增大而增大，從而使浮選速率提高；同時(shí)，浮選速度常數(shù)k與氣泡直徑成反比。旋流段的離心加微泡的設(shè)計(jì)能夠顯著提高浮選速率，離心力場的強(qiáng)度和氣泡的直徑隨著循環(huán)量的增大而分別增大和減小。

旋流-靜態(tài)微泡浮選柱雖具有旋流段高效分級(jí)、浮選的效果，柱選段仍然采用靜態(tài)分選的模式，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)微細(xì)粒的回收是有利的。張穎等[66]對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的旋流-靜態(tài)微泡浮選柱進(jìn)行了流體力學(xué)模擬，得到浮選柱內(nèi)部湍流強(qiáng)度和軸向速度分布，發(fā)現(xiàn)浮選柱內(nèi)部流體在遠(yuǎn)離旋流段一定高度后，湍流強(qiáng)度和軸向速度均取得穩(wěn)定的較小值，實(shí)現(xiàn)了柱選段的靜態(tài)分選。

旋流-靜態(tài)微泡浮選柱采用管流礦化和逆流礦化相結(jié)合的方式，利用管流給入的循環(huán)礦漿和柱體下部的椎體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋流分級(jí)，在分級(jí)過程中不斷將礦化效果較差的礦物顆粒再次礦化并重新浮選，旋流分級(jí)后將難以礦化或無法礦化的礦漿作為尾礦排出。旋流-靜態(tài)微泡浮選柱的管流礦化使顆粒-氣泡高效混合，分級(jí)后的中礦循環(huán)能夠給礦化較差顆粒二次礦化的機(jī)會(huì)；旋流段的離心力場在分級(jí)的同時(shí)也提高了浮選速率，柱選段的靜態(tài)分選對(duì)微細(xì)粒的浮選有著較好的效果。在浮選柱內(nèi)填充介質(zhì)，可以進(jìn)一步提高浮選柱內(nèi)部氣體的分散效果，削弱徑向混合和軸向反混，增強(qiáng)靜態(tài)分選效果。

3.2.5 離心浮選設(shè)備

為克服微細(xì)粒慣性小從而難以與氣泡碰撞的不足，增大離心力是一種可取的方法。國內(nèi)外研究者研制了多種離心浮選設(shè)備[67]，主要分為槽體離心和流體離心2種方式。槽體離心的浮選設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示[68]。設(shè)備通過皮帶連接浮選槽體，帶動(dòng)槽體高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以增強(qiáng)微細(xì)粒受到的離心力，空氣和礦漿往往以相對(duì)垂直的方向給入并發(fā)生碰撞，礦化之后得到尾礦和泡沫產(chǎn)品。

圖9 槽體離心式離心浮選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[68]Fig.9 Schematic diagram of tank centrifugal flotation machine structure[68]

流體離心的浮選設(shè)備則以浮選旋流器為代表，浮選旋流器是在常規(guī)的水力旋流器中引入氣泡，礦漿以切線方向給入浮選旋流器，而氣泡形成于器璧內(nèi)表面或和礦漿一起給入。浮選旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示[68]。

圖10 浮選旋流器結(jié)構(gòu)示意圖[68]Fig.10 Schematic diagram of flotation cyclone structure[68]

離心浮選設(shè)備被認(rèn)為是有效的浮選設(shè)備之一[67]，離心力場克服了微細(xì)粒因慣性力不足導(dǎo)致的顆粒-氣泡碰撞效率低的問題；同時(shí)，在離心過程中，礦漿與氣泡之間發(fā)生強(qiáng)剪切不僅有利于顆粒和氣泡碰撞，同時(shí)可以明顯減少脈石礦物的夾帶現(xiàn)象；此外，離心浮選還能大幅度減小微細(xì)粒的浮選時(shí)間，提高浮選分離的效率。但離心浮選的缺點(diǎn)也很明顯：一是離心過程中內(nèi)部流場難以控制；二是離心浮選往往需要保證分級(jí)方向和浮選的方向一致，否則會(huì)明顯影響分選效果。

4 結(jié)論

1) 隨著資源的不斷開發(fā)利用，對(duì)粒度小、品位低、氧化性和含泥量高的礦產(chǎn)資源進(jìn)行開發(fā)利用已成為發(fā)展趨勢，綠色節(jié)能降耗、提高資源利用率和綠色礦山的建設(shè)越來越成為新時(shí)代礦山的發(fā)展目標(biāo)，尾礦、廢渣和可再生資源的綜合利用也越來越受到人們的關(guān)注，因此，必須對(duì)微細(xì)粒進(jìn)行浮選。

2) 基于增加微細(xì)粒表觀粒徑強(qiáng)化微細(xì)粒浮選的方法和基于減小氣泡直徑強(qiáng)化微細(xì)粒浮選的方法均具有廣闊的應(yīng)用前景。絮凝浮選和載體浮選等被成功應(yīng)用，但采用這些方法時(shí)，需對(duì)不同礦物的絮凝劑或載體等的選擇和用量、前后端處理的手段進(jìn)行進(jìn)一步研究，并需要減少成本。在微泡浮選過程中，如何高效地產(chǎn)生微氣泡仍是研究熱點(diǎn)，同時(shí)，應(yīng)解決因采用微泡浮選而造成的細(xì)顆粒夾帶和浮選速度慢等問題。

3) 需對(duì)微細(xì)粒浮選裝備進(jìn)行研發(fā)。對(duì)礦化效率更高的設(shè)備的研究依然是微細(xì)粒浮選裝備研究的熱點(diǎn)。未來對(duì)微細(xì)粒浮選裝備的研究將繼續(xù)圍繞如何提高顆粒-氣泡的碰撞效率和形成分離段的靜態(tài)流場環(huán)境來進(jìn)行。采用高效礦化和微納米氣泡、使礦化-分離分開進(jìn)行、在分離段布置削弱湍流的介質(zhì)等都是提高微細(xì)粒浮選效果的手段。