浮選泡沫的形成、 穩(wěn)定和破滅的力學(xué)分析

劉述忠, 郭萬富, 黃 石

(福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州　350116)

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浮選泡沫的形成、 穩(wěn)定和破滅的力學(xué)分析

劉述忠, 郭萬富, 黃 石

(福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州350116)

摘要：以浮選泡沫為研究對象， 對球形氣泡形成、 氣泡兼并、 氣泡表面層形成、 礦粒黏附氣泡、 泡沫的形成以及泡沫的破滅過程進行力學(xué)分析. 結(jié)果表明， 攪拌形成的不規(guī)則氣團在液相中受到界面附加壓強作用趨于球形； 氣泡之間的壓強差引起氣泡兼并； 新生表面層的內(nèi)外界面的附加壓強維持住氣泡液上結(jié)構(gòu)； 液下氣泡和液上氣泡以不同方式與礦粒黏附； 分子間作用力使氣泡黏貼， 形成穩(wěn)定的泡沫層結(jié)構(gòu)； 在泡沫層中， 破裂氣泡能引起周圍氣泡的膨脹.

關(guān)鍵詞：浮選泡沫; 氣泡形成； 氣泡兼并； 礦粒黏附； 力學(xué)分析

0引言

氣泡是內(nèi)部充滿氣相， 外面包裹液相的體系， 泡沫是氣泡的集合體. 泡沫在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用， 如選礦工藝中的浮選[1]、 紡織工業(yè)的洗滌和印染[2]、 石油工業(yè)的泡沫流體技術(shù)[3]等.

在浮選過程中， 性能適宜的泡沫更容易將礦粒帶出浮選槽， 因此研究泡沫性能的影響因素， 意義重大. 本文主要分析泡沫在浮選過程中形成、 穩(wěn)定和破滅的力學(xué)原理， 為得到更適宜的泡沫浮選提供理論支撐. 起泡方式以充氣攪拌為例.

1 浮選泡沫的形成、 穩(wěn)定和破滅過程

空氣充入起泡劑水溶液， 在攪拌作用下， 氣體會被剪切分割為多個大小不一、 形狀各異的氣團. 起泡劑分子具有兩親性， 容易富集于氣液界面， 并作定向排列[4]， 則氣團會被排列著大量起泡劑分子的氣液界面包圍， 接著形狀趨向球形， 形成一個穩(wěn)定的液下氣泡.

兩個液下氣泡相互接觸， 如圖1所示， 起泡劑分子在氣液界面上作緊密排列. 當(dāng)兩個氣泡黏貼在一起， 氣壓較大的氣泡中的氣體通過透膜擴散的方式進入氣壓較小的氣泡內(nèi)， 直至消失， 即進行了氣泡兼并[5-6]. 液下氣泡上升與氣泡兼并過程同時進行， 氣泡受浮力作用向上運動并浮出液面[7]， 氣泡液上部分形成了內(nèi)外兩個表面都排列著大量起泡劑分子的水膜， 即氣泡的表面層.

氣泡在液下與疏水礦粒接觸并黏附， 趁著氣泡上升勢頭， 將礦粒帶出液相， 當(dāng)?shù)V粒和氣泡共同浮出液面， 氣泡新生表面層與礦粒直接接觸， 形成三相氣泡[8]. 兩個氣泡接觸， 形成氫鍵黏貼在一起， 形成最簡單的泡沫結(jié)構(gòu). 之后， 這個黏貼的過程不斷重復(fù)， 無數(shù)個氣泡貼合在一起， 形成了泡沫層. 泡沫層形成后會維持一段時間， 可隨著泡沫里的一些氣泡的表面層薄至10 nm以下， 這些氣泡很容易先破裂， 當(dāng)氣泡的數(shù)量少于生成的數(shù)量， 泡沫就會破滅.

2 浮選泡沫形成、 穩(wěn)定和破滅的力學(xué)分析

浮選泡沫形成、 穩(wěn)定和破滅的過程中， 分析六個現(xiàn)象， 分別是球形氣泡的形成、 氣泡兼并、 氣泡表面層形成、 氣泡與礦粒黏附、 氣泡黏貼成泡沫和泡沫的破滅.

2.1球形氣泡的形成

當(dāng)氣體充入起泡劑水溶液， 在攪拌作用下被分割成一個個氣團， 氣團的形狀是不規(guī)則的. 如圖2所示， 氣液界面是彎曲的， 界面每個點都會產(chǎn)生一個附加壓強：

(1)

式中：γ為溶液的表面張力；r為曲率半徑， 方向為指向所在界面的曲率中心[9].

對于凹液面， 如圖2界面1處， 界面上的每個點的附加壓強均指向曲率中心， 曲率越大的點， ΔP越大， 則界面1上每個點都會向氣體方向收縮， 曲率越大的點， 收縮作用越強； 相反， 凸液面界面上每個點都會向液體方向收縮. 因此， 在附加壓強ΔP的作用下， 氣團界面上每一點都進行不同程度的收縮.

最終， 界面上每一點受到的附加壓強ΔP與界面兩邊氣液兩相的壓強差相等， 則界面上每一點的曲率半徑r都近似相等(氣液界面上每一點離液面的高度有微差， 受到液壓略不同)， 即氣團接近球形， 形成穩(wěn)定的液下氣泡.

形成穩(wěn)定氣泡之后， 再受到剪切作用， 氣泡被切為幾個形狀不規(guī)則的小氣團， 氣團重復(fù)以上過程， 又變?yōu)榍蛐危?即較小的氣泡. 經(jīng)過幾次剪切， 浮選槽下方的球形氣泡都變得較為細小.

2.2氣泡兼并

細小氣泡經(jīng)歷攪拌作用的同時， 也向上運動， 這個過程中， 攪拌作用漸漸減弱[9]. 液下氣泡表面層上的起泡劑分子間相互吸引， 隨之黏貼， 氣泡黏貼處會擠壓出一層薄薄的水層， 一個氣泡中的氣體透過水化膜擴散到另一個氣泡中的現(xiàn)象就是氣泡兼并現(xiàn)象. 小氣泡經(jīng)過兼并過程， 漸漸變大， 同時， 被兼并氣泡消失， 示意圖見圖3.

在圖3中， 假設(shè)氣泡A和氣泡B都為球體， 氣泡A在任意作用點受到的液體壓強PAl， 方向為指向氣泡球心， 其大小為：

(2)

式中：h為作用點與液面的距離；ρ為液體密度.

(3)

式中：hA為氣泡A中心與液面的距離.

若是氣泡被礦粒包裹較多， 氣液界面透氣性會變差， 氣泡兼并進行將會減緩. 浮出液面的氣泡由于新生表面層透氣能力極差， 同時被礦粒大量包裹， 氣泡兼并過程極為緩慢.

為有效減緩液下氣泡兼并， 需要降低氣泡之間水化膜的透氣能力. 根據(jù)擴散原理， 水化膜的透氣能力與構(gòu)成膜的分子的數(shù)量和運動頻率成正比[11]. 所以， 適當(dāng)減少起泡劑濃度或更換藥劑種類， 可以有效降低水化膜透氣能力. 若是氣泡兼并過慢， 氣泡最終體積過小， 也會對浮選過程產(chǎn)生負面影響， 因此， 需要適當(dāng)使用起泡劑.

2.3氣泡表面層生成

如圖2所示， 假設(shè)氣泡未黏附礦粒， 當(dāng)氣泡開始浮上液面， 表面層隨之形成. 液下氣泡本就是球形， 液上氣泡若是受力平衡， 也將維持球形.

氣泡內(nèi)外氣壓不同， 新生表面層上各點均受到壓強差ΔP氣作用， 方向為球心指向作用點， 引起的合力為ΔF氣， 方向豎直向上； 新生表面層的外界面是凸液面， 內(nèi)界面是凹液面， 上面各點均受到附加壓強ΔPN作用.

(4)

式中： γ為溶液的表面張力； r為氣泡的半徑， 方向為作用點指向球心， 附加壓強引起的合力為ΔFN， 方向豎直向下.

另外， 表面層還受到自身重力G的作用.

新生表面層兩個表面均是氣液界面， 排列著大量起泡劑分子. 起泡劑分子與水分子、 起泡劑分子間都能形成氫鍵， 有較強相互作用， 則表面層近似于大粘度流體， 有一定彈性， 使得氣泡在上升過程中ΔFN、 ΔF氣、G三力動態(tài)平衡， 維持表面層液上結(jié)構(gòu). 即ΔF氣=ΔFN+G.

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大部分氣泡在浮上液面時會黏附礦粒， 由于礦粒粒級通常為微米級， 氣泡表面層厚度為納米級， 礦粒不會影響氣泡表面層的生成， 只是G為表面層與礦粒共同的質(zhì)量.

當(dāng)起泡劑濃度小于溶解度時， 用量越多， 新生表面層起泡劑分子越多， 分子間作用越強烈， 表面層彈性也越大， 不易遭到破壞[12].

2.4氣泡與礦粒黏附

氣泡在液下或浮出液面的過程中， 均會與疏水礦粒接觸， 進而發(fā)生黏附.

當(dāng)液下氣泡接觸疏水礦粒， 如圖4所示， 從微觀角度分析： 捕收劑分子向外伸出非極性基， 與水分子相互排斥， 卻容易與氣體分子相互吸引， 同時非極性基更容易與氣液界面上的起泡劑分子相互吸引， 形成氫鍵或其他結(jié)合力， 產(chǎn)生黏附結(jié)果.

當(dāng)液上氣泡接觸疏水礦粒， 與液下情形相同， 礦粒與表面層上的起泡劑分子結(jié)合， 黏附在表面層外表面. 此外， 礦粒擠壓表面層， 與表面層形成三相潤濕周邊[11]， 同時水層變薄， 表面層厚度減小. 在擠壓狀態(tài)下， 水分子減少， 相當(dāng)于起泡劑分子所占比例增加， 起泡劑分子間作用力強于水分子間作用力， 則擠壓狀態(tài)下， 表面層的結(jié)構(gòu)更緊密， 表面粘度更強. 根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律：

(5)

表面粘度的增強， 有助于增大礦粒與表面層間的內(nèi)摩擦力， 若是內(nèi)摩擦力F大于礦粒重力切線方向的分力G1， 則礦粒無法使表面層滑動， 且礦粒與表面層之間有黏附力作用， 礦粒不會脫落. 反之， 若是礦粒太重， 且表面層未被擠破， 則礦粒會因為表面層的滑動而脫落.

2.5泡沫層的形成

縱向接觸時， 氣泡間通過氫鍵黏附， 且下方氣泡表面層受到擠壓， 粘度較大， 則上方氣泡與下方氣泡不易滑動； 橫向接觸時， 氣泡間通過氫鍵黏附， 無滑動情況， 更為牢固.

兩個氣泡黏附之后， 第三個氣泡將會與前兩個氣泡黏附， 并形成如圖5所示的三氣泡緊密結(jié)構(gòu)， 當(dāng)氣泡通過橫向接觸和縱向接觸不斷堆積， 就會形成泡沫層， 相應(yīng)的， 整體結(jié)構(gòu)也會越來越穩(wěn)定[13].

2.6泡沫的破滅

泡沫的破滅即是氣泡的破裂， 其原因主要是表面層的消耗. 在重力的影響下， 泡沫表面層的充水量是自下而上減少， 且縱向接觸氣泡間的表面層厚度比橫向接觸更薄， 綜合以上兩點， 泡沫的破滅往往是自上而下、 一層層進行的. 當(dāng)表面層消耗到厚度小于10 nm， 將十分容易破裂.

當(dāng)泡沫開始破滅， 會看見一個氣泡破掉， 它周邊的氣泡由于受力情況的變化， 呈現(xiàn)膨脹的形態(tài)， 在這個過程中， 氣泡體內(nèi)的氣壓在減小， 氣泡的體積會增大. 如圖5所示， 上面的氣泡受到下面兩個氣泡表面層對它的壓力FN作用， 壓力和氣泡的重力相平衡. 當(dāng)上面的氣泡破裂， 剩下的兩個氣泡表面層利用自身彈性向外擴展， 直到氣泡重新受力平衡.

3結(jié)語

1) 充氣攪拌作用下形成的氣團， 其氣液界面上的凹凸部分受到相反的附加壓強作用， 使氣團形狀趨近于球形， 形成液下氣泡.

2) 新生表面層氣液界面上， 會聚集大量起泡劑分子， 造成表面層分子間有較強范德華力作用， 有了類似大粘度流體的特性， 可以產(chǎn)生彈性形變， 使得氣泡在上升過程中ΔFN、 ΔF氣、G三力維持動態(tài)平衡狀態(tài)， 維持其液上結(jié)構(gòu).

3) 礦粒與表面層之間由捕收劑分子與起泡劑分子間的作用而黏附， 礦粒對表面層有擠壓作用， 表面層厚度減小， 隨之粘度增大， 則礦粒將不易脫落.

4) 在泡沫層中， 破裂氣泡使周圍氣泡壓強減小， 進而膨脹.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

The mechanics analysis about fromation, stability and burst of flotation froth

LIU Shuzhong， GUO Wanfu， HUANG Shi

(College of Zijin Mining， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China)

Abstract:The phenomenon of flotation froth was studied. The process of this phenomenon contains five levels， bubble turn into sphere， the bubble coalescence， a single bubble in the liquid phase， a single bubble on the surface of the liquid， ore particles adhere the bubble， moreand more bubbles stick and froth， and the bursting of the froth. The mechanism of these processes are analysed. The analysis results that air mass may turn into sphere because of liquid resistance, pressure difference between two bubbles cause coalescence, additional pressure from new superficial layer can maintain the bubble a complete structure, the bubbles in or out of the liquor can also adhere the ore grains. Intermolecular forces paste two bubbles and supernatant bubbles bursts firstly and cause other bubbles nearby to dilate.

Keywords:flotation froth; bubble formation； bubble coalescence; ore particles adhesion； mechanism analysis

中圖分類號：TD923

文獻標(biāo)識碼：A

基金項目：福建省自然科學(xué)基金資助項目(2011J4008)

通訊作者:劉述忠(1972-)， 副教授， 主要從事浮選藥劑及工藝研究， 297505654@qq.com

收稿日期:2015-03-27

文章編號：1000-2243(2016)02-0296-05

DOI:10.7631/issn.1000-2243.2016.02.0296