超聲波對煤和石墨浮選影響研究進(jìn)展

康文澤，盧萬里

（黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

1 引言

浮選是細(xì)粒煤和石墨分選的最有效方法之一，但浮選受藥劑[1,2]、礦漿、氣泡礦化[3]，以及浮選設(shè)備類型和浮選流程[4]等影響，常常導(dǎo)致浮選效率較低。于是學(xué)者們提出用磁、電、聲、溫度調(diào)節(jié)等物理方法強化細(xì)粒煤和石墨浮選，最近研究表明，通過超聲預(yù)處理的方法可以提高煤和石墨浮選的回收率[5]。研究顯示超聲波的空化作用是改善浮選效果的主要原因。液體中的聲空化過程就是集中聲場能量并迅速釋放的過程。當(dāng)足夠強度的超聲波通過液體時，在聲波負(fù)壓半周期時，存在于液體中的微小氣泡就會迅速增大，在相繼而來的聲波正壓周期中氣泡又絕熱壓縮而崩潰，在崩潰瞬間產(chǎn)生極短暫的強壓力脈沖，氣泡中心會產(chǎn)生接近5000K 的高溫，壓力超過50Mpa，并伴有強烈的沖擊波和微射流。沖擊波和微射流會在界面之間形成強烈的機械攪拌效應(yīng)[6]。研究表明，超聲處理既可以改變煤和石墨顆粒性質(zhì)，又可以改變礦漿性質(zhì)，增大了目的煤和石墨和非目的煤和石墨性質(zhì)的差異，提高目的煤和石墨的品位和回收率，從而提高細(xì)粒煤和石墨的綜合浮選效率。因此，超聲處理是提高細(xì)粒煤和石墨浮選效果的一種理想方法。

2 超聲波對煤和石墨顆粒的影響

2.1 清洗煤和石墨表面的礦泥

在浮選過程中，有時超細(xì)的粘土或脈石會附著在目的煤和石墨表面，通常被稱為細(xì)泥“罩蓋”，影響顆粒與氣泡或浮選劑之間的粘附，對浮選產(chǎn)生不利影響。超聲空化的清洗作用可以將礦泥從煤和石墨表面清除。Zheng 等[7]人研究了超聲波預(yù)處理對焦煤的清洗作用，隨著超聲波功率的增加，煤炭表面被清洗的效果增強，從而提高了煤和石墨的接觸角。Peng 等[8]人研究了超聲（20kHz）對內(nèi)蒙古高灰分褐煤（灰分48.68%）的浮選作用，在超聲處理過程中，與褐煤表面相關(guān)的粘土顆粒被分離，超聲波浮選的產(chǎn)率和選擇性遠(yuǎn)大于常規(guī)浮選。Li 等[9]人用超聲波（270w 功率）輻照技術(shù)從煤泥尾礦中回收精煤，超聲波的應(yīng)用有效地去除了煤泥涂層，提高了可燃物回收率。A.Ghadyani 等[10]人用超聲波輻照作為高灰煤浮選預(yù)處理方法，掃描電鏡分析表明，與未處理樣品相比，清洗后煤粒表面的清潔度明顯提高。以上研究證明，超聲波清洗掉礦泥后，提高了煤和石墨浮選的效率和選擇性。

2.2 剝蝕煤和石墨表面的氧化膜

對于煤或硫化物的浮選，顆粒表面的氧化膜是影響浮選效率的重要原因，特別是對于煤炭，在運輸和儲存過程中可能被氧化，在煤表面形成了親水的含氧官能團，導(dǎo)致煤表面疏水性降低，浮選效率下降。為解決這一問題，采用超聲波去除顆粒表面的氧化膜?？滴臐傻萚11]人研究了超聲對高硫煤浮選的影響，超聲處理前后煤表面元素含量分析表明，超聲處理降低了煤表面的O、S、Fe 元素含量，增加了C 元素的含量。超聲波預(yù)處理清除了煤表面的氧化膜，煤粒露出了“新鮮表面”，超聲處理后煤表面O 元素含量的降低，C 元素含量的增加，提高煤粒的可浮性。M. Misra 等[12]人研究還發(fā)現(xiàn)，超聲處理可以去除氧化程度較高的砷黃鐵礦氧化層，使其具有可浮性。Xu 等[13]將煤樣（<0.25mm）在濃度為30%H2O2溶液中，磁力攪拌24 小時，用40 kHz UGD 多功能超聲波發(fā)射器預(yù)處理10 min，XPS 分析表明，隨著氧化層的去除，煤表面碳含量增加，氧含量降低，研究也發(fā)現(xiàn)過長時間的超聲波預(yù)處理會使煤表面重新氧化。唐林生等[14]人用超聲波來清洗黃鐵礦表面，研究表明超聲波的清洗作用能去除黃鐵礦表面的氧化膜，這是提高硫化煤和石墨浮選效果的一個好方法。

2.3 破碎煤和石墨顆粒

由于超聲空化產(chǎn)生沖擊波和微射流，直接作用在煤和石墨表面，聲空化能將礦粒破碎成更小的顆粒；另外沖擊波和微射流還能激發(fā)顆粒之間的碰撞，導(dǎo)顆粒進(jìn)一步破碎。E. Sahinoglu[15]研究了超聲處理在水介質(zhì)中破碎煤的潛在用途，他們發(fā)現(xiàn)超聲波對不同粒級的煤具有選擇性破碎能力，而且更高的超聲功率和更長的處理時間對煤的破碎作用越大。A. Ghadyani[16]等人發(fā)現(xiàn)超聲波對高灰分煤顆粒具有物理破碎作用。B.Ambedkar[17]等人證明了超聲預(yù)處理能使水介質(zhì)中煤粒的粒度減小，他們發(fā)現(xiàn)，在低頻超聲波作用下，煤粒徑減小和顆粒破碎的作用更為強烈。研究認(rèn)為，初始超聲階段導(dǎo)致煤表面點蝕，然后形成裂紋，裂紋擴展到最后顆粒破碎。Franco F[18]等人研究了超聲波對高嶺石顆粒大小和結(jié)構(gòu)的影響，在不同的實驗條件下進(jìn)行的實驗表明，通過超聲的功率、樣品（高嶺石+水）的量、處理時間等可以控制顆粒的粒徑減小的幅度?？滴臐蒣19]研究了超聲波預(yù)處理對鱗片石墨粒度的影響，研究顯示超聲處理后粗粒級產(chǎn)率明顯降低，而且粒度越大，產(chǎn)率降低幅度越大，說明超聲處理對粒度較大的石墨破碎作用大。

2.4 改變煤和石墨表面電位

超聲空化氣泡內(nèi)的氣相區(qū)由空化氣體和水蒸氣組成，由于處于空化的中心，在空化氣泡崩裂的極短時間內(nèi)，氣泡內(nèi)的水蒸氣可發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生·OH 和·H 自由基，礦漿中這些自由基會與煤和石墨發(fā)生一系列的反應(yīng)，改變煤和石墨表面電位?？滴臐傻萚20]人研究了物理調(diào)節(jié)法對煤和石墨浮選的影響。研究表明，超聲處理5 分鐘后，煤和黃鐵礦的zeta 電位均降低，但兩者的電位變化率不同，超聲處理后煤的變化率是2.07%，黃鐵礦的變化率是44.06%，通過超聲處理增大了煤與黃鐵礦表面的電位差，即擴大了煤與黃鐵礦水化性的差異，為煤與黃鐵礦的浮選分離創(chuàng)造了條件。Can GUNGOREN[21]研究在乙基黃原酸鉀(KEX)存在的條件下，利用超聲提高方鉛礦可浮性，使用超聲后Zeta 電位和接觸角均增大，氣泡和礦粒的礦化時間縮短。M·密斯拉等[22]人研究超聲波預(yù)處理改善毒砂浮選，試驗表明超聲波預(yù)處理毒砂，改變了其表面狀態(tài)，毒砂的Zeta 電位在所有pH 范圍內(nèi)都發(fā)生變化。

3 超聲波對礦漿體系的影響

3.1 對礦漿中藥劑的乳化作用

超聲波的頻率一般在20KHz 以上，說明聲波在油水界面上每秒至少振動2 萬次以上，能使藥劑均勻地分散在水中，超聲波具有較好的乳化作用。超聲乳化液油滴的直徑小而均勻，用乳化后的藥劑浮選，可提高煤和石墨的浮選效率[23]。超聲乳化藥劑過程中受許多因素的影響，如超聲波參數(shù)、表面活性劑、溫度、壓力等。康文澤等[24]人研究了超聲乳化煤油對煙煤浮選的影響，結(jié)果表明，煤油超聲乳化后的液滴尺寸隨著油水比的減小而逐漸增大，而乳化煤油的潤濕熱與油水比呈正相關(guān)。超聲乳化后，油水比的降低會降低液滴的穩(wěn)定性。此外，乳化煤油改善了煤泥的平均接觸角，使煤泥的平均接觸角增大。C .Letmathe 等[25]人發(fā)現(xiàn)在試劑乳化試驗中應(yīng)用超聲波可以提高石墨分離效率。李琳等[26]人進(jìn)行不同捕收劑的煤泥浮選研究，研究表明超聲微乳能形成細(xì)小的油滴，提高分選效率，減少捕收劑用量。

3.2 改變礦漿性質(zhì)

浮選是由氣、固、液三相構(gòu)成的分選系統(tǒng)，其中液相為水，水和固體的混合物為礦漿，如果超聲波在空化過程中產(chǎn)生的·OH 和·H 自由基與礦漿中的離子作用，將會改變礦漿的性質(zhì)。C. Aldrich 等[27]研究了超聲波改變礦漿性質(zhì)對硫化礦浮選的影響，當(dāng)超聲處理時間為45min 時，礦漿中的離子濃度、礦漿的pH 值達(dá)到最大值，硫的綜合回收率提高了近12%，同時提高了浮選速率。E.C. Cilek[28]在浮選黃銅礦-重晶石時發(fā)現(xiàn)，超聲波改變了礦漿性質(zhì)，使黃銅礦回收率顯著提高，重晶石的回收率無明顯變化。陸英等[29]研究了超聲波改變礦漿性質(zhì)對磁黃鐵礦浮選的影響，超聲處理使礦漿的電導(dǎo)率升高，礦漿的pH 值降低，在偏酸性的環(huán)境下可阻止磁黃鐵礦表面生成氧化膜，可提高磁黃鐵礦的回收率。康文澤[30]研究了超聲處理對高硫煤礦漿性質(zhì)的影響，研究顯示，超聲波處理后礦漿的氧含量降低，礦漿的pH 值、電導(dǎo)率、鹽濃度升高，礦漿性質(zhì)的改變對高硫煤的脫硫降灰有利。

4 結(jié)束語

超聲波是一種有前途的、清潔的輔助選礦新技術(shù)。利用超聲波的空化作用，可明顯提高煤和石墨浮選效果。以上成果雖然是建立在實驗室或中試規(guī)?；A(chǔ)之上，但是為今后超聲波的工業(yè)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。為了有效地利用這一技術(shù)，一方面應(yīng)重點開發(fā)大型、耐用的超聲波設(shè)備，另一方面開展基于超聲波的浮選工藝研究，為大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造條件。令人可喜的是，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是耐用壓電晶體、先進(jìn)換能器制造技術(shù)的飛速發(fā)展，為超聲波技術(shù)真正應(yīng)用于煤和石墨等礦物浮選領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。