淺談浮選起泡劑的泡沫性能及在選礦中的應(yīng)用

曹文學(xué)

（四川宇泰安全科技有限責(zé)任公司，四川 成都 610200）

1 泡沫浮選基本原理

由于礦物顆粒及其表面存在不同的物化性質(zhì)，泡沫與不同潤濕性礦物顆粒間發(fā)生差異化作用，泡沫浮選是一種可實(shí)現(xiàn)礦物分選的新型篩選、分離、凈化技術(shù)，廣泛應(yīng)用于選礦領(lǐng)域中。 一般的礦物顆粒使用常規(guī)方法不容易分離，加入浮選藥劑能夠改變礦物顆粒物化性質(zhì)，當(dāng)?shù)V物憎水性提高和礦物與氣泡粘附功增加的情況下，礦物的浮選性大幅提升，因而獲得良好的浮選性，實(shí)現(xiàn)了礦物的富集。 泡沫浮選采用起泡劑在一定的注氣速度下形成泡沫后在浮力、表面張力等作用力下對礦物進(jìn)行分離。用來評價(jià)泡沫性能的參數(shù)主要為起泡性（泡沫高度或者泡沫體積）和穩(wěn)定性（泡沫半衰期和析液半衰期），為提高浮選性能，一方面通過改進(jìn)加藥位置或加藥工藝來實(shí)現(xiàn)， 另一方面是改善、提高泡沫性能[1]。

2 泡沫性能及改善方法

泡沫由氣相和液相二元體系構(gòu)成，其中氣體為分散相、液體為連續(xù)相。與其他二元分散體系類似，泡沫處于熱力學(xué)不穩(wěn)定條件，整體呈泡沫衰變趨勢，泡沫總數(shù)減少、體積增大[2]。表面活性劑是一種既能親水又能親油的物質(zhì)，通過降低氣液間的表面張力，在一定外力作用下形成豐富的泡沫。這種泡沫與未添加表面活性劑的純液體產(chǎn)生的泡沫不同，一是形成的泡沫能夠相對穩(wěn)定地存在，這樣可以產(chǎn)生大量的泡沫；二是形成的泡沫具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，能夠攜帶礦物隨著氣流上升而上升，并且不發(fā)生顯著的衰變。

人工合成起泡劑和天然起泡劑是常用的兩類浮選用表面活性劑。 合成起泡劑有酸性起泡劑、堿性起泡劑、中性起泡劑等3 和類型[3]。 包括十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉以及相類似的烷基芳香基磺酸鹽等起泡劑適用于酸性環(huán)境。堿性起泡劑的代表性物質(zhì)通常為吡啶等氮苯類似物。中性起泡劑能夠在酸性和堿性環(huán)境中發(fā)揮作用，其類型多樣，包括既能給出質(zhì)子又能接受質(zhì)子的兩性表面活性劑類，如烷基二甲基甜菜堿、十二烷基乙氧基磺基甜菜堿、十二烷基氨基丙酸鈉等，在礦物浮選中應(yīng)用廣泛。 天然起泡劑包括萜烯類化合物，如松油、樟油等，其中松油是一種應(yīng)用較早和廣泛的浮選起泡劑。

起泡性（泡沫高度或泡沫體積）和穩(wěn)定性（泡沫半衰期和析液半衰期） 是泡沫性能重要的兩類評價(jià)參數(shù)。 通常評價(jià)方法有氣流法、攪拌法、傾注法等。 起泡能力是指溶液在受到外界作用之后可形成泡沫的能力。 根據(jù)Gibbs 自由能理論，表面張力越低的溶液，在受到攪拌、擾動等作用后，越容易產(chǎn)生豐富的泡沫。一般起泡劑溶液，在常溫常壓條件下，可將水-空氣間的表面張力由72 mN/m 降低至40 mN/m。 因此，通過加入表面活性劑實(shí)現(xiàn)降低溶液的表面張力、提高起泡能力[4]，從而形成豐富的浮選泡沫，為選礦的實(shí)施提供工藝條件。

穩(wěn)定性用泡沫半衰期和析液半衰期兩個指標(biāo)評價(jià)，用來描述泡沫存在的時(shí)間。 液膜性質(zhì)與氣體擴(kuò)散性是影響泡沫穩(wěn)定性的內(nèi)在因素；而在礦物浮選過程中，礦物顆粒與泡沫作用是影響泡沫穩(wěn)定性的外在因素。泡沫的穩(wěn)定性是浮選工藝過程中最關(guān)鍵的因素之一，其衰變機(jī)理影響泡沫浮選效果。 泡沫衰變主要由三種機(jī)理，即：重力排液、氣泡兼并和氣泡熟化。其中，重力排液是由于液膜中氣、液兩相受重力作用發(fā)生分離的過程。 液膜受到重力作用發(fā)生排液，一般泡沫浮選中， 塔底部的泡沫液膜厚度大于塔頂部泡沫厚度。由Laplace 方程可知， 當(dāng)泡沫大小或者泡沫的半徑不同時(shí)，泡沫間在毛細(xì)管力的作用下將發(fā)生氣泡兼并作用。氣泡熟化是由于不同直徑氣泡間氣體通過分子擴(kuò)散引起。此外，當(dāng)外部擾動和高溫環(huán)境，加速泡沫的衰變，引起泡沫破滅，從而導(dǎo)致浮選效果變差。

根據(jù)泡沫穩(wěn)定性機(jī)理分析，不同類型表面活性劑性能、混合表面活性劑協(xié)同效應(yīng)以及固相顆粒加入等三種方式能夠提高泡沫穩(wěn)定性。單一表面活性劑提高泡沫穩(wěn)定性是通過改變分子鏈結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)，例如，疏水基團(tuán)直鏈烷烴側(cè)基的表面活性劑空間位阻小，更容易形成致密吸附層，而支鏈側(cè)基空間位阻較大；另外陰離子頭基中含有磺酸基官能團(tuán)，能夠適用礦化度較高的情況。表面活性劑分子兩端分別為非極性基團(tuán)和極性基團(tuán)，當(dāng)表面活性劑分子在界面上吸附后，非極性基團(tuán)朝氣相，極性基團(tuán)朝液相，可大幅度阻止氣泡在自然狀態(tài)下的兼并作用，使得泡沫穩(wěn)定存在。混合表面活性劑使用不同類型的表面活性劑復(fù)配，由于不同表面活性劑間能夠降低親水基團(tuán)離子頭的電性斥力或疏水基團(tuán)空間位阻效應(yīng)，能夠使得氣液界面吸附層變致密，降低表面張力和表明活性劑的臨界膠團(tuán)濃度，從而發(fā)揮分子間協(xié)同增效作用，提高泡沫性能。使用陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑復(fù)配提高泡沫性能，脂肪醇、芳香醇及聚乙二醇類表面活性劑等是常用的非離子表面活性劑。在礦物浮選過程中固體顆?？善鸬椒€(wěn)定泡沫的作用，部分疏水性的顆粒能吸附在氣液界面偏向氣相一端，致密液膜則進(jìn)一步提高了液膜機(jī)械支撐力，泡沫穩(wěn)定性提高。

3 泡沫浮選的應(yīng)用

常規(guī)浮選工藝主要是在礦漿相中發(fā)泡進(jìn)行浮選，主要作用機(jī)理是礦漿相中的氣泡與顆粒間發(fā)生粘附作用，在浮力作用下進(jìn)入泡沫相并形成精礦，剩余成為尾礦。 脫附作用是影響選礦效率主因。 脫附作用主要受礦漿相中流體動力學(xué)環(huán)境、 氣泡兼并效應(yīng)等影響。 當(dāng)?shù)V漿相內(nèi)流體擾動作用強(qiáng)，粘附在泡沫上的礦物顆粒震動脫落，并且這樣的擾動也增加了泡沫的衰變，使得泡沫發(fā)生兼并，降低了浮選的能力。 實(shí)踐表明，礦漿相與泡沫相交界處是脫附最主要的位置。

氣泡與顆粒在紊流條件下使得礦漿相浮選的回收率偏低，為提高浮選回收率，在傳統(tǒng)浮選工藝基礎(chǔ)上提出了泡沫相浮選工藝。該工藝采用的是泡沫相給料的方式，其分選過程為：使用藥劑處理礦漿并投入泡沫層，礦物顆粒在泡沫層中自由下降時(shí)，疏水程度不同的礦物顆粒浮選效果不同。 對于強(qiáng)疏水性顆粒，由于與氣泡的粘附力大，能夠在強(qiáng)擾動環(huán)境下持續(xù)上浮，在塔頂部可形成精礦；中等疏水性顆粒，由于存在一定厚度的水化層，氣泡與之的攜帶能力小，并且沉降阻力小，將以一定速度向下運(yùn)動；親水性顆粒因表面完全覆蓋水化層，氣泡上浮對其并未產(chǎn)生較強(qiáng)的上浮作用力，沉降的阻力最小，因而下落速度最快，在塔底部形成了尾礦。 因而，泡沫相浮選工藝避免泡沫與顆粒在底部的礦漿相中相互碰撞，發(fā)生顆粒脫附和泡沫破滅的問題，因此，泡沫相浮選效率高。當(dāng)?shù)V物品位相同時(shí)，較常規(guī)浮選工藝，泡沫相浮選方法提高Pb、Zn 回收率 9～11 個百分點(diǎn)[6]。 基于泡沫浮選后粒度分析，泡沫相浮選對粗粒級和細(xì)粒級均有效，例如，磁鐵礦-黃鐵礦混合礦的泡沫相浮選結(jié)果表明， 黃鐵礦粒級0.074～0.12 mm，回收率為56%、品位為90%，而黃鐵礦粒級1.5～2 mm，回收率為84%、品位為70%。 這說明不同粒級混合礦均能獲得較好的分選效果，而泡沫相分選效果優(yōu)于常規(guī)浮選。另外在改善浮選工藝基礎(chǔ)上，通過使用性能良好的浮選起泡劑，可進(jìn)一步提高選礦回收率。 使用不同起泡劑對銅硫鐵礦選礦試驗(yàn)，結(jié)果表明甲基異丁基甲醇（MIBC）和丁基醚醇具有起泡性好、穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，取得較為理想的選礦指標(biāo)。 使用MIBC 對于磁尾選硫作業(yè)能取得較好指標(biāo)[7]，且成本最低；丁基醚醇對優(yōu)先浮銅效果好。

4 展望

泡沫浮選技術(shù)能夠取得良好的浮選效果，但泡沫浮選過程中也存在較為嚴(yán)重的細(xì)泥夾帶現(xiàn)象，通過其他方法，例如水沖洗方法能緩解該矛盾。 目前泡沫浮選效果好已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，但是泡沫選礦過程中存在的界面動態(tài)變化規(guī)律仍然未從傳統(tǒng)的礦漿相研究轉(zhuǎn)移至泡沫相研究中，特別是泡沫相中的分選機(jī)理研究較少。 因此，泡沫浮選分離還需要重點(diǎn)針對泡沫相中復(fù)雜界面作用機(jī)理開展攻關(guān)研究，進(jìn)一步闡釋和明確浮選作用，提高浮選效果。