無機鹽對氣液兩相泡沫特性的影響研究

李洪強，張文，田承濤，翁孝卿，郝好穩(wěn)，李東郎，趙李欣然

（1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖北三寧化工股份有限公司，湖北 枝江 443206)

因地質(zhì)條件（如鹽湖附近、海洋附近的礦山浮選）或選礦過程中廢水的回用，導(dǎo)致浮選溶液中不可避免的存在一定濃度的無機鹽。無機鹽在泡沫浮選中產(chǎn)生的一系列影響主要體現(xiàn)在以下四個方面：（1）無機鹽對泡沫穩(wěn)定性的影響：Marrucci Nicodemo[1]以及Prince[2-3]等的研究均表明，無機鹽的加入可阻止氣泡間的相互兼并，并降低氣泡尺寸，提高泡沫的穩(wěn)定性。Vincent S.J.Craig 等人進一步深入研究，確定了不同離子種類及組合的無機鹽對降低氣泡兼并速率的影響規(guī)律，并認為一定量的無機鹽離子吸附在氣液界面會減小氣泡間的長程吸引力[4-5]。（2）無機鹽對礦物顆粒與氣泡間相互作用的影響：無機鹽中反荷離子的吸附會壓縮礦物顆粒表面的雙電層厚度，顆粒與氣泡碰撞過程中排斥力減小，顆粒-氣泡間的液膜排液速度增加[6-7]。（3）無機鹽對顆粒間相互作用影響：相關(guān)研究主要集中在粉煤灰、煤泥、石墨的浮選，如張志軍[8]測定煤泥顆粒在不同濃度無機鹽電解質(zhì)溶液中的粒度分布結(jié)果表明，高價金屬陽離子可以更大程度地降低煤泥顆粒表面電性，進而減少顆粒間的靜電斥力，降低顆粒表面的水化膜厚度，提高顆粒間碰撞幾率，使其易發(fā)生凝聚。（4）無機鹽對表面活性劑的影響：與表面活性劑反粒子相同電荷的無機鹽可以提高表面活性劑溶液的表面活性、降低溶液的表面張力。加入無機鹽會使得水化膜破壞，壓縮了表面活性劑的離子基團周圍的擴散雙電層，屏蔽了離子基團相互間的靜電排斥力，有利于溶液表面層和膠束中的表面活性劑分子緊密排列，更易形成膠束。在浮選過程中，當水化膜穩(wěn)定受到破壞時，捕收劑離子更容易穿過水化膜到達礦物表面完成吸附過程，顆粒疏水性得到改善。

目前，對于無機鹽在浮選過程中對于氣泡的穩(wěn)定性、表面活性劑活性的影響已取得一定成果，但對于浮選過程中無機鹽對于泡沫的微觀結(jié)構(gòu)、排液性能等泡沫特征參數(shù)的影響還不夠深入。泡沫排液是一個復(fù)雜的物理化學(xué)流體力學(xué)過程，同時受多種因素影響，目前為止，這些因素還沒有完全被研究清楚[9]。浮選泡沫的排液過程會對精礦水的回收率造成極大地影響，大量研究表明泡沫精礦的水回收率與親水脈石的夾帶回收率呈線性關(guān)系[10-13]，并符合方程式Rg=e×Rw[14]，其中，Rg：親水脈石礦物的夾帶回收率，%；e：脈石的夾帶率，或夾帶因子；Rw：泡沫精礦的水回收率，%。

因此系統(tǒng)研究無機鹽對泡沫排液性能影響對了解浮選過程中泡沫夾帶現(xiàn)象具有重要意義。明確各種價態(tài)的三種陰離子(Cl-、ClO3-、SO42-)和三種陽離子(Na+、Mg2+、Al3+)對泡沫特征的影響。本文采用自制的泡沫性能測試系統(tǒng)，研究五種無機鹽（分別是NaCl、NaClO3、AlCl3、Na2SO4、MgSO4）對兩相泡沫的靜壓強、泡沫層高度以及泡沫含液率、表觀溢流流速等數(shù)據(jù)的影響規(guī)律。為浮選中控制脈石的泡沫夾帶提供理論指導(dǎo)。

1 實驗試劑、儀器和方法

1.1 實驗試劑與儀器

本實驗所用無機鹽NaCl、NaClO3、Na2SO4、MgSO4、AlCl3，均為分析純，起泡劑為MIBC，工業(yè)純，泡沫性能測試裝置為實驗室自制。由1個2 L 的Φ150 mm 的玻璃攪拌槽通過1 個錐型過渡件與Φ50 mm 的玻璃柱相連（玻璃柱可以防止泡沫牢牢粘在內(nèi)壁干擾檢測）。以氮氣作為氣源，通過砂芯（P30）進入攪拌槽底部并產(chǎn)生氣泡。在氮氣源打開，并將氣體流量調(diào)至給定值情況下打開攪拌裝置（轉(zhuǎn)速定在300 r/min），將在實驗室內(nèi)配置好的MIBC 溶液（用于兩相泡沫研究）、注入試驗裝置，泡沫可以循環(huán)，通過溶液/礦漿的添加量來調(diào)節(jié)泡沫層的厚度，確保泡沫層厚度穩(wěn)定為290 mm。通過該裝置測定兩相泡沫的靜壓強、氣泡直徑、表觀溢流流速，研究兩相泡沫的含液率、排液性能及夾帶行為。

1.2 浮選泡沫特征研究方法

以5×10-4mol/L 的MIBC 溶液為礦漿，利用自制的泡沫性能測試系統(tǒng)測定氣液兩相泡沫的靜壓強、氣泡幾何平均直徑、泡沫層頂部（即距液面0.29 m 處，下同）的溢流流量，研究兩相泡沫的含液率、排液性能及夾帶行為。

泡沫中單個氣泡的尺寸大小由拍照法來確定。試驗過程中，當泡沫柱達到平衡狀態(tài)時，利用可上下自由移動的佳能550 D數(shù)碼相機拍攝靠近玻璃壁的氣泡。為了消除玻璃柱圓壁造成的圖像扭曲，利用一個套在玻璃柱外的視窗來糾正，該視窗由有機玻璃制成，從上部的注水口向里面灌滿水，該視窗可以自由上下移動，并用燒瓶夾將其固定在玻璃柱的一定高度處。同時，在拍照時需要在視窗兩側(cè)各給一個側(cè)方位的光源，且光源也能和視窗、相機一同移動。泡沫大小的測定工作在專業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus Version 6.0上進行。

泡沫性能測試系統(tǒng)中壓強探測管與數(shù)字壓強計通過塑料軟管與緩沖瓶連通，依據(jù)連通器原理，氣管內(nèi)壓強處處相同，可測定壓強探測管出口處的壓強。測定時，將壓強探測管伸入某一泡沫層高度處，打開氣泵，并調(diào)節(jié)大小，使氣體剛好能冒出探測管管口，壓強計示數(shù)即為此處的靜壓強。

1.3 泡沫特性相關(guān)參數(shù)計算方法

1.3.1 泡沫含液率εl 的計算

液面上高度h 處泡沫的含液率εl 通過該處泡沫的靜壓強來計算。規(guī)定液面為0 m 高度處，距液面0.29 m 處為泡沫柱頂部位置。設(shè)泡沫高度h 處的壓強為P，無窮小厚度（Δh）的泡沫層所產(chǎn)生的無窮小壓強為ΔP，則h+Δh 處的壓強為P-ΔP。由于，式中，P 為靜壓強，Pa；Δh 為無窮小的泡沫層厚度，m；ρf為泡沫層的密度，kg/m3；g 為重力加速度，9.83 m/s2。因此，忽略空氣的重量，則式中，ρw 為水的密度，kg/m3；εl為液面上高度h處泡沫的含液率。

規(guī)定P 的方向向下，h 的方向向上，則含液率公式[15]為：，即泡沫某高度處的含液率可通過對該處的靜壓強求導(dǎo)而得。

1.3.2 泡沫層頂部表觀溢流流速Jlmax 的計算

本實驗將泡沫層最大高度控制在0.29 m 處，并對該處的溢流量進行測定（截取5 s 內(nèi)從泡沫槽流出溶液，并測量體積，便可計算出泡沫層頂部溢流量。）該流量除以泡沫柱的橫截面積，便可計算出泡沫層頂部的溢流流速Jlmax。，即為泡沫柱的水回收率。

1.3.3 表觀凈液速Jl的計算

泡沫的表觀凈液速Jl的計算式[15]為：式中，Jl 為泡沫表觀凈液速，m/s；Je 為因氮氣夾帶作用而產(chǎn)生的泡沫表觀夾帶液速，m/s；Jd表示因泡沫排液作用而產(chǎn)生的表觀排液速度，m/s。

1.3.4 泡沫表觀夾帶液速Je 的計算

Je 為因氮氣夾帶作用而產(chǎn)生的泡沫表觀夾帶液速，m/s，Je的計算式[15]為：式中，Jg 為某泡沫高度處的表觀氣體流速，m/s，其計算式[15]為式中，V 氮氣為充氣量，L/h；S為泡沫柱的橫截面積，m2。

1.3.5 表觀排液速率Jd的計算

目前，計算泡沫表觀排液速率Jd的方法有2種：其一，依據(jù)液相中氣泡的上升末速度來計算；其二，依據(jù)泡沫中氣泡的幾何平均半徑及含液率來計算，本文采用后者。

泡沫表觀排液速率的計算公式[16]為：式中，Jd 為泡沫表觀排液速率，m/s；rb為各泡沫層高度處氣泡的幾何平均半徑，m；μ 為液體的粘度，取水在25 ℃下的運動粘度值0.8949×10-3Pa.s；m 為與表面活性劑種類及濃度有關(guān)的無量綱參數(shù)，通過實驗測定并計算出Jlmax可反算出m 的大??；n 為與表面活性劑種類及濃度有關(guān)的無量綱參數(shù)，對氣泡間無相對滑動的剛性泡沫n 取值1.9，對氣泡間相對滑動較大的柔性泡沫n 取值2.1，而本實驗所用起泡劑MIBC 產(chǎn)生的泡沫含液率很高，泡沫中氣泡間相對滑動大，為典型的柔性泡沫，因此n 取值2.1[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機鹽對氣泡直徑的影響

當氣體通過位于泡沫柱底部的砂芯形成氣泡，在氣泡不斷上浮的過程中，伴隨著氣泡碰撞兼并，并逐漸長大。圖1 為五種無機鹽對泡沫層氣泡大小的影響。

圖1 不同泡沫高度下無機鹽濃度對氣泡大小的影響Fig.1 The effect of inorganic salt type and comcentration on bubble oliameter under different foam heights

從圖1 可知，NaCl、Na2SO4、MgSO4及AlCl3這四種無機鹽顯著減小各泡沫層高度下的氣泡直徑。以圖1-e 中的AlCl3為例，未添加AlCl3時，0 m、0.08 m、0.17 m高度處的氣泡直徑分別為0.79 mm、0.85 mm、0.87 mm；添加0.05 mol/L的AlCl3 后，氣泡直徑迅速減小到0.61 mm、0.63 mm、0.68 mm；繼續(xù)增大AlCl3的濃度，氣泡直徑減小的幅度變小，當濃度達到0.3 mol/L 時，這三個高度處的氣泡直徑分別為0.55 mm、0.59 mm、0.60 mm。對比這四種無機鹽，我們還可以發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，各種鹽的有效作用濃度（即氣泡尺寸的減小開始變緩處的無機鹽濃度）很不一樣，NaCl 的有效作用濃度可能超過0.5 mol/L，Na2SO4的有效作用濃度大約在0.2 mol/L，MgSO4的有效作用濃度顯然在0.1 mol/L，AlCl3的有效作用濃度最低，為0.05 mol/L。在近年來，很多研究結(jié)果也表明，無機鹽穩(wěn)定氣泡的作用濃度在0.1 mol/L 或更高[17]，本文的研究結(jié)果也證實了這一點。NaClO3的添加對氣泡直徑無影響，見圖1-a。

2.2 無機鹽對泡沫含液率的影響

部分無機鹽的加入會明顯增大各泡沫層高度處的含液率，結(jié)果見圖2。

圖2 不同泡沫高度下無機鹽濃度對泡沫含液率的影響Fig.2 Effect of inorganic salt type and concentration on foam liquid holdup at different foam heights

與無機鹽對氣泡直徑影響的規(guī)律一致，NaCl、Na2SO4、MgSO4及AlCl3這四種無機鹽的加入大幅提高了各泡沫層高度處的含液率，如圖2-a、2-c、2-d、2-e；而NaClO3的加入則幾乎沒有影響，見圖2-b，結(jié)果與文獻一致[18]。幾種無機鹽對泡沫含液率的影響大小順序為：AlCl3＞MgSO4＞Na2SO4≈NaCl ＞NaClO3。

2.3 無機鹽對表觀表觀液速的影響

無機鹽對泡沫層頂部表觀溢流流速Jlmax 的影響見圖3。

圖3 無機鹽濃度對泡沫柱表觀溢流流速的影響Fig.3 The effect of inorganic salt type and concentration on froth apparent flooding velocity

很明顯，無機鹽對泡沫柱表觀溢流速度影響大小順序同樣為：AlCl3＞MgSO4＞Na2SO4≈NaCl＞NaClO3。添加0.1 mol/L 的AlCl3使泡沫柱的表觀溢流速度迅速增大，從空白時的1.851 mm/s 提高到3.684 mm/s；MgSO4則在0.4 mol/L 的濃度下使泡沫柱觀溢流速度大幅增大到4.770 mm/s；而NaClO3的添加對泡沫柱觀溢流速度幾乎無影響。

利用泡沫含液率，氣泡半徑及泡沫柱溢流流量等參數(shù)，對高度在0.29 m 處泡沫層的表觀排液速度計算，具體結(jié)果見表1。

表1 無機鹽濃度對泡沫表觀液速的影響Table1 Effect of inorganic salt type and concentration on foam apparent velocity

添加NaClO3 后泡沫的表觀排液速度維持在11.04～ 13.19 mm/s，與未添加無機鹽時基本相同。添加其他四種無機鹽使計算出的泡沫表觀排液速度均大幅提高，如添加0.3 mol/L 的AlCl3，泡沫表觀排液速度大幅提高到19.442 mm/s。

總之，部分無機鹽的加入導(dǎo)致泡沫的排液性能降低，增大了泡沫的含液率，提高了泡沫柱的表觀溢流速度，必然提高精礦水回收速率，增大脈石的泡沫夾帶，這將不利于浮選。因此降低無機鹽對泡沫排液性能的影響，可有效控制脈石的泡沫夾帶。

2.4 無機鹽穩(wěn)定泡沫的機制

近年來，對于無機鹽穩(wěn)定泡沫的機制，學(xué)者們提出了以下幾種機理：1）降低氣體溶解度；2）雙電層效應(yīng)；3）改變泡沫的粘度；4）吉布斯-馬蘭哥尼效應(yīng)；5）表面張力效應(yīng)等[19]。

較受認可的機制是離子的水化強烈地影響離子在氣液界面的排布，離子在氣液界面的富集或貧化，產(chǎn)生了類似吉布斯-馬蘭哥尼效應(yīng)，改變氣泡的液膜強度，從而抑制氣泡的兼并，見圖4。

圖4 泡沫層高度為0m 處無機鹽濃度對泡沫/溶液界面處氣泡直徑的影響Fig.4 Effect of inorganic salt type and concentration on bubble diameter at foam height as 0 m.

特定離子是否有效影響氣泡兼并遵循離子對效應(yīng)[20]，即α+α-、β+β-離子組合能有效穩(wěn)定泡沫，而α+β-及β-α+離子組合則對泡沫穩(wěn)定性無影響。離子屬于α 或β，與其在氣液界面處的分配系數(shù)有關(guān)。依據(jù)圖4 的實驗結(jié)果，可以判定實驗所使用的離子屬于α 或β 離子，并總結(jié)于表2。研究結(jié)果與Craig V S J 等的研究結(jié)果一致[20]。

表2 無機鹽離子對規(guī)則Table 2 Inorganic salt ion pair rules

3 結(jié) 論

研究了五種無機鹽對泡沫特征的影響，NaCl、Na2SO4、MgSO4 及AlCl3 這四種無機鹽顯著減小各泡沫層高度處的氣泡直徑，降低了泡沫的排液性能，明顯增大泡沫的含液率以及泡沫柱表觀溢流速度，在一定程度上易導(dǎo)致泡沫夾帶現(xiàn)象產(chǎn)生；NaClO3的添加對泡沫特征無影響；幾種無機鹽對泡沫特征影響大小順序為：AlCl3 ＞MgSO4 ＞Na2SO4 ≈NaCl ＞NaClO3。無機鹽能否抑制泡沫的兼并可采用離子對規(guī)則判定。