駐波超聲對(duì)浮選氣泡的影響

王衛(wèi)東,靳立章,涂亞楠,劉定樺,徐志強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

隨著低階煤開采量和采煤機(jī)械化程度的增加，低階煤泥產(chǎn)量和灰分也不斷增加。浮選是煤泥分選應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，對(duì)低階煤泥進(jìn)行浮選加工，有利于低階煤的高效清潔利用[1-4]。低階煤的變質(zhì)程度低，表面具有較強(qiáng)的親水性，很難通過(guò)常規(guī)的浮選手段進(jìn)行有效地回收[5-6]?，F(xiàn)有的低階煤煤泥浮選，主要通過(guò)藥劑調(diào)節(jié)[7-8]、浮選調(diào)漿[9-11]、表面改性[12-13]、超聲浮選[14-15]等方法調(diào)控，提高其可浮性。其中，作為一種結(jié)合了多種調(diào)控的超聲浮選方法，對(duì)提高浮選過(guò)程的選擇性、浮選效率以及浮選效果具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[16]。

超聲浮選是一種將物理調(diào)節(jié)法和化學(xué)調(diào)節(jié)法相結(jié)合的浮選方式，對(duì)提高煤泥浮選的選擇性和浮選效率效果顯著[16]。?ZKAN等[17]的研究表明超聲波預(yù)處理可使浮選氣泡穩(wěn)定性增強(qiáng)，浮選速率提高，浮選回收率增加，藥劑用量減少?？滴臐傻萚18-19]的研究表明超聲波預(yù)處理使煤泥接觸角、疏水性及礦漿pH增加，潤(rùn)濕熱減少，超聲浮選的精煤產(chǎn)率、浮選速率、浮選完善度較處理前有明顯提高。毛玉強(qiáng)等[20]在低階煤浮選中引入超聲波提高了精煤回收率，降低了精礦灰分，強(qiáng)化了低階煤的浮選回收。ZHEN Kunkun等[21]研究表明經(jīng)超聲場(chǎng)的浮選攪拌后產(chǎn)生的油滴較小，尤其超聲功率較高時(shí)。油滴粒徑的減小導(dǎo)致了相同柴油用量下油滴總表面積的增加，提高了柴油的利用效率，有利于低階煤的浮選。普遍認(rèn)為，超聲浮選通過(guò)超聲空化產(chǎn)生的清洗、侵蝕和乳化作用改變了煤泥表面的物理化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)了浮選藥劑的乳化，從而提高了浮選速率及浮選效果[22]。此外，超聲作用于浮選過(guò)程，對(duì)浮選氣泡產(chǎn)生的影響也得到了關(guān)注。CHEN Yuran等[23-24]研究了駐波聲場(chǎng)對(duì)浮選氣泡的影響，發(fā)現(xiàn)煤顆粒被大氣泡聚集和吸引。微浮選試驗(yàn)表明，無(wú)論有無(wú)超聲處理的試驗(yàn)，最終最大回收率相似，但超聲聚集作用提高了回收速率。MAO Yuqiang等[25]研究了擴(kuò)散場(chǎng)對(duì)浮選氣泡的影響。結(jié)果表明:超聲使泡沫區(qū)的泡沫層厚度變薄，球形氣泡的聚集更有利于浮選。JIN Lizhang等[26]研究了不同頻率駐波超聲對(duì)浮選氣泡的影響，結(jié)果表明，100 kHz的超聲場(chǎng)中聚集體和小氣泡的數(shù)量最多，該條件下得到了最高的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)。駐波超聲促進(jìn)了氣泡與煤粒的聚集，提高了浮選效果。

可見(jiàn)，駐波超聲作用于浮選過(guò)程中時(shí)，不但改變了煤泥表面的物理化學(xué)性質(zhì)，也影響了浮選氣泡的行為，2種作用均對(duì)浮選結(jié)果產(chǎn)生了影響。駐波超聲作用的浮選氣泡行為對(duì)浮選結(jié)果的影響較為顯著，但相關(guān)的機(jī)理研究較少。筆者以低階煤為研究對(duì)象，在駐波超聲同步柱選裝置中進(jìn)行了柱選試驗(yàn)。在氣泡觀察裝置中，探究了駐波聲場(chǎng)中的微泡生成過(guò)程、氣泡聚集過(guò)程和上述過(guò)程對(duì)浮選選擇性的影響。最后，探討了駐波超聲對(duì)浮選氣泡以及柱選結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣為大同礦區(qū)四臺(tái)選煤廠低階煤煤泥，灰分為34.29%，水分2.12%。煤樣粒度分析結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)[27]，屬于高灰細(xì)粒煤。表1為煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果。

表1 煤樣工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coal sample

1.2 試驗(yàn)裝置

氣泡觀察裝置如圖1所示，包括照明裝置、觀察裝置(亞克力制品)、圓形換能器(100 kHz)、超聲波發(fā)生器(KMD-D2)、高速攝像系統(tǒng)(Q1M 高速攝像系統(tǒng))。

圖1 氣泡觀察裝置Fig.1 Bubble observation device

柱選裝置如圖2所示，在觀察裝置的基礎(chǔ)上，添加了充氣孔及氣泡發(fā)生器，柱選裝置不需要照明及高速攝像系統(tǒng)。

圖2 超聲柱選裝置Fig.2 Ultrasonic flotation column

1.3 試驗(yàn)方法

(1)超聲柱選試驗(yàn)方法:稱取75 g煤樣并潤(rùn)濕，攪拌2 min 后加入捕收劑(煤油)500 g/t，再攪拌1 min后加入起泡劑(仲辛醇)100 g/t，再攪拌30 s制成浮選礦漿(質(zhì)量濃度50 g/L)。將浮選礦漿轉(zhuǎn)移至柱選裝置中，同時(shí)開啟超聲波發(fā)生器和充氣閥門，泡沫收集5 min。

(2)氣泡觀察方法:觀察室內(nèi)充滿清水，從下方通入空氣，觀察室中超聲場(chǎng)與柱選一致(100 kHz)，待充氣穩(wěn)定后，開啟超聲波發(fā)生器和高速攝像系統(tǒng)，記錄超聲場(chǎng)中的氣泡變化情況。微泡產(chǎn)生過(guò)程不通入空氣。

(3)熱解石墨片和云母片:去掉表層后，通過(guò)雙面膠粘取中間層固定在底板上，在柱選裝置中超聲處理5 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 駐波超聲柱選試驗(yàn)結(jié)果

駐波超聲柱選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，與常規(guī)柱選相比，駐波超聲柱選的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)分別達(dá)到了21.93%，30.52%和23.77%，柱選結(jié)果均得到了提高。精煤灰分為11.13%，比常規(guī)柱選低1.07%。

表2 浮選結(jié)果Table 2 Flotation results %

本次100 kHz駐波超聲柱選試驗(yàn)與駐波超聲浮選[27]的區(qū)別在于煤樣的潤(rùn)濕、攪拌和加藥過(guò)程沒(méi)有超聲參與，僅在分選過(guò)程中加入駐波超聲。駐波超聲作用于礦漿與氣泡的碰撞區(qū)。在碰撞區(qū)，氣泡礦化上浮成為浮選泡沫，該過(guò)程在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)完成。因此，在本試驗(yàn)中，駐波超聲對(duì)煤顆粒的清洗作用和對(duì)浮選藥劑的乳化作用有限。駐波超聲對(duì)浮選氣泡的強(qiáng)化作用較為突出。

2.2 駐波聲場(chǎng)中的氣泡行為

圖3為加入駐波聲場(chǎng)后氣泡觀察裝置中的氣泡聚集過(guò)程，即在800 ms內(nèi)駐波聲場(chǎng)中氣泡聚集體的形成及分布過(guò)程。氣泡聚集體在未加超聲時(shí)未出現(xiàn)，400 ms時(shí)的分布狀態(tài)已經(jīng)較為明顯，至800 ms時(shí)的分布狀態(tài)已完全穩(wěn)定且清晰。無(wú)超聲時(shí)，氣泡在整個(gè)觀察裝置內(nèi)均勻分散;當(dāng)加入駐波超聲時(shí)，氣泡有規(guī)律地聚集，形成不同形狀和大小的氣泡聚集體;趨于穩(wěn)定后，氣泡聚集體更明顯，以條紋狀聚集態(tài)分布在整個(gè)駐波聲場(chǎng)中。與擴(kuò)散聲場(chǎng)對(duì)浮選過(guò)程的攪拌、乳化和減小氣泡尺寸等作用[22]相比，上述氣泡聚集現(xiàn)象是駐波聲場(chǎng)最明顯的特性[28]。

圖3 氣泡聚集過(guò)程Fig.3 Bubble aggregation process

圖4為氣泡觀察裝置中一個(gè)氣泡聚集體的形成過(guò)程。在間隔25 ms、共75 ms的過(guò)程中，駐波聲場(chǎng)中的氣泡由松散態(tài)到聚集態(tài)，形成“包裹團(tuán)”或“鏈狀”的氣泡聚集體。在聚集體的形成過(guò)程中，聚集時(shí)間較短，氣泡在聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)行為能夠促進(jìn)煤顆粒和氣泡的碰撞[29]，使礦化過(guò)程更易發(fā)生。

圖4 氣泡聚集體的形成過(guò)程Fig.4 Formation process of bubble aggregates

氣泡聚集體的生成原理即駐波使氣泡在波的疊加處聚集。在聲場(chǎng)作用下的氣泡會(huì)發(fā)生體積脈動(dòng)。如果聲壓梯度不為0，它可以與氣泡振蕩耦合，從而在氣泡上產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，即Bjerknes力。Bjerknes力是非流動(dòng)液體中氣泡運(yùn)動(dòng)的最有力的驅(qū)動(dòng)力。由于聲場(chǎng)的作用，小于共振尺寸的氣泡沿聲壓梯度上升，而大于共振尺寸的氣泡沿聲壓梯度方向移動(dòng)。因此，在駐波聲場(chǎng)中，前者在波腹處聚集，后者在波節(jié)處聚集[30]。

如圖5所示，在觀察氣泡聚集體的形成過(guò)程中加入試驗(yàn)煤樣，形成了有“包裹團(tuán)”和“鏈狀”的煤-氣泡聚集體。該試驗(yàn)結(jié)果表明，駐波聲場(chǎng)中的氣泡聚集過(guò)程對(duì)礦化氣泡同樣產(chǎn)生作用?！版湢睢钡拿?氣泡聚集體，將礦化氣泡連接在一起，而“包裹團(tuán)”的存在，可能將礦漿包裹在其中導(dǎo)致選擇性較差[31]。圖中也可以看出，“包裹團(tuán)”的數(shù)量少于“鏈狀”的煤-泡聚集體數(shù)量。因此，駐波聲場(chǎng)中生成了煤-氣泡聚集體，得到了較好的柱選結(jié)果。

圖5 煤-氣泡聚集體Fig.5 Coal-bubble aggregates

2.3 駐波聲場(chǎng)中微泡的產(chǎn)生及其作用

如圖6所示，在靜水中加入駐波聲場(chǎng)10 s，產(chǎn)生了可見(jiàn)的微米級(jí)氣泡(小于300 μm)。這些微泡泡可以附著在氣泡聚集體上，如圖7所示。駐波聲場(chǎng)在浮選過(guò)程中的作用除了提供能量和促進(jìn)氣泡聚集外，還有生成微泡的作用。在駐波聲場(chǎng)中，微泡的產(chǎn)生與超聲空化及氣體析出有關(guān)。聲場(chǎng)中的聲波在液體中傳播時(shí)改變了液體內(nèi)部靜壓，形成了負(fù)壓區(qū)和正壓區(qū)。液體中的空腔結(jié)構(gòu)在負(fù)壓區(qū)生長(zhǎng)，在正壓區(qū)壓縮，反復(fù)的正負(fù)壓生長(zhǎng)過(guò)程導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)破裂為更小的氣泡，破裂過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生能量和微射流，這種現(xiàn)象被稱為超聲空化[32-33]。聲波在液體中的傳播也會(huì)導(dǎo)致溶解在液體中氣體析出形成微泡[34-35]。駐波超聲產(chǎn)生的聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力能夠促進(jìn)氣泡礦化，該氣泡為微泡時(shí)礦化過(guò)程更易發(fā)生[29]。

圖6 微泡產(chǎn)生過(guò)程Fig.6 Generation process of microbubble

圖7 附著微泡的氣泡聚集體Fig.7 Aggregation of bubbles with microbubble

2.4 駐波聲場(chǎng)中微泡附著的選擇性

如圖8所示，將表面粗糙度相近的熱解石墨片(平均粗糙度為388 pm)和云母片(平均粗糙度為240.7 pm)在柱選裝置中超聲5 min后，熱解石墨表面附著大量微泡和少部分大氣泡。大氣泡的周圍存在氣泡“消失”區(qū)域，因此可以判斷，大氣泡是由微泡聚集兼并[36]產(chǎn)生，大氣泡上同樣附著部分微泡，這與圖7試驗(yàn)結(jié)果一致。云母片超聲5 min未見(jiàn)明顯變化。

圖8 駐波超聲處理后的樣品表面Fig.8 Sample surface with ultrasonic treatment

駐波聲場(chǎng)中產(chǎn)生的微泡有選擇性地附著在疏水表面，進(jìn)一步提高其疏水性，同時(shí)，距離相近的微泡易發(fā)生兼并行為，生成較大的氣泡。當(dāng)微泡作為“介質(zhì)”參與煤-泡聚集體的形成過(guò)程時(shí)，該聚集過(guò)程具有了一定選擇性。相比于單個(gè)氣泡，煤-泡聚集體能浮出更多精煤。因此，與常規(guī)柱選相比，駐波超聲柱選的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)均有所提高。

3 結(jié) 論

(1)駐波超聲加入柱選后，可以強(qiáng)化低階煤煤泥柱選效果。精煤產(chǎn)率、可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)分別達(dá)到了21.93%,30.52%和23.77%，均高于常規(guī)柱選；精煤灰分為11.13%，比常規(guī)柱選低1.07%。

(2)進(jìn)入駐波聲場(chǎng)的氣泡有規(guī)律地聚集，形成不同形狀和大小的聚集體，在趨于穩(wěn)定后，聚集體以條紋狀聚集態(tài)分布在整個(gè)駐波聲場(chǎng)中。與擴(kuò)散聲場(chǎng)對(duì)浮選過(guò)程的攪拌、乳化和減小氣泡尺寸等作用相比，氣泡聚集是駐波聲場(chǎng)最明顯的特性。

(3)駐波聲場(chǎng)在整個(gè)柱選過(guò)程中的作用為提供能量、促進(jìn)聚集和產(chǎn)生微泡。聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力提供了能量，促進(jìn)了煤顆粒與氣泡之間的碰撞。在聲驅(qū)動(dòng)力的作用下，氣泡以條紋狀聚集態(tài)分布在整個(gè)駐波聲場(chǎng)中。微泡作為煤顆粒和大氣泡之間的“介質(zhì)”，可在很短的時(shí)間內(nèi)促進(jìn)其聚并，形成煤-泡聚集體，且該過(guò)程具有一定選擇性。這些煤-氣泡聚集體在浮選過(guò)程中進(jìn)入泡沫層，最終成為浮選精煤。提高了精煤產(chǎn)率、可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)，降低了精煤灰分。