浮選微泡調(diào)控及其作用機(jī)制的研究進(jìn)展

梁艷男，王海楠，周若謙，張海軍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

浮選是一種基于顆粒表面疏水性差異進(jìn)行分離的分選技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于選礦、紙張脫墨、油水分離和水處理等領(lǐng)域。在浮選過(guò)程中，顆粒在湍流作用下與氣泡產(chǎn)生碰撞，疏水性顆粒粘附在氣泡表面，隨著氣泡上升到達(dá)泡沫層，而親水性顆粒則留在礦漿中，以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離。因此，氣泡作為浮選的載體，其特性對(duì)浮選過(guò)程有著顯著影響。大量礦化概率模型證實(shí)了合理尺寸的氣泡會(huì)得到較高的浮選回收率。一般而言，氣泡直徑越小，氣泡與顆粒的碰撞概率越高，導(dǎo)致更多氣泡與顆粒相互作用，強(qiáng)化礦化過(guò)程[1]。近年來(lái)，微泡已經(jīng)成為浮選領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并在微細(xì)粒浮選中顯示出巨大的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)的浮選氣泡相比，微泡顯現(xiàn)出很小的直徑，從而導(dǎo)致高碰撞概率。

傳統(tǒng)的浮選氣泡大多采用機(jī)械攪拌發(fā)泡和射流發(fā)泡技術(shù)。在機(jī)械攪拌發(fā)泡過(guò)程中，葉輪攪拌產(chǎn)生湍流，該湍流由不同尺度的渦組成，其中大尺度渦轉(zhuǎn)化成小尺度渦，最終由于流體內(nèi)能而耗散，湍流渦與引入的空氣流碰撞，導(dǎo)致空氣流破裂生成氣泡，此外，葉輪的攪拌切割也對(duì)氣泡生成有促進(jìn)作用。在射流發(fā)泡過(guò)程中，礦漿通過(guò)噴嘴收斂加速并形成高速射流，射流流動(dòng)速度遠(yuǎn)高于周?chē)諝赓|(zhì)點(diǎn)流動(dòng)速度，兩者間存在速度梯度，產(chǎn)生剪切力，射流質(zhì)點(diǎn)與空氣質(zhì)點(diǎn)發(fā)生換位，空氣被吸入射流中并在周?chē)纬删植空婵眨諝庠丛床粩啾晃?，被吸入射流的空氣在射流?nèi)高強(qiáng)度剪切力作用下破裂成大量氣泡，在釋壓后釋放[2]。大量研究發(fā)現(xiàn)，利用機(jī)械攪拌發(fā)泡技術(shù)生成的氣泡直徑均超過(guò)0.5 mm，而利用射流發(fā)泡的噴射式浮選機(jī)產(chǎn)生的氣泡直徑要小于利用機(jī)械攪拌發(fā)泡產(chǎn)生的氣泡直徑[3]。如何生成直徑更小的氣泡引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對(duì)于射流發(fā)泡而言，增加射流強(qiáng)度則會(huì)進(jìn)一步降低氣泡直徑，產(chǎn)生微泡。此外，微泡還可以采用微孔介質(zhì)發(fā)泡、溶氣發(fā)泡、超聲波發(fā)泡和電解發(fā)泡等技術(shù)生成，其直徑一般小于0.2 mm[4]。在微泡浮選中，微泡特征，如微泡尺寸、運(yùn)動(dòng)速度、形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)顆粒氣泡間相互作用有顯著影響，從而影響整個(gè)浮選過(guò)程。通過(guò)調(diào)控表面活性劑、無(wú)機(jī)電解質(zhì)和能量輸入可有效調(diào)控微泡特征，強(qiáng)化浮選過(guò)程。此外，探究微泡特征有利于促進(jìn)對(duì)微泡浮選機(jī)理的進(jìn)一步了解。

1 微泡生成

1.1 射流發(fā)泡

射流發(fā)泡是一種常見(jiàn)的微泡生成方式，礦漿通過(guò)噴嘴收斂加速，形成高速射流，氣體在液體射流的抽吸壓縮作用下生成氣泡，并被劈分為微泡。射流發(fā)泡主要應(yīng)用在浮選柱的氣泡發(fā)生器和詹姆森浮選柱中。

射流微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，一般被分為三段[5]。加壓礦漿通過(guò)泵輸送至噴嘴，收斂加速進(jìn)入一段，此時(shí)礦漿的壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成一股高速射流束，氣相和液相均為連續(xù)介質(zhì)。由于能量交換導(dǎo)致吸入室處產(chǎn)生的負(fù)壓及射流邊界層與氣體間存在的粘滯作用，外界的氣體被吸入吸入室，空氣與礦漿間的速度梯度使二者做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨后一起進(jìn)入喉管（二段）。氣體與液體在喉管中產(chǎn)生強(qiáng)力的相互沖擊，液體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生紊動(dòng)擴(kuò)散，液體被剪切成大量液滴，液相轉(zhuǎn)化為非連續(xù)介質(zhì)，高速運(yùn)動(dòng)的液滴與氣體分子進(jìn)行激烈碰撞并將能量傳遞給氣體,使氣體被加速和壓縮，但氣相仍保持為連續(xù)介質(zhì)，液滴與氣體充分混合，進(jìn)入擴(kuò)散室（三段）。擴(kuò)散管橫截面積逐漸增大，液滴與空氣混合液的流速逐漸減小，動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓能，壓力升高，液滴繼續(xù)對(duì)氣體分子不斷作用，氣體被粉碎成大量的微泡溶于液體射流中，而液滴重新聚合為液體，此時(shí)氣體轉(zhuǎn)化為非連續(xù)介質(zhì)，液體重新變?yōu)檫B續(xù)介質(zhì)，最終微泡隨液體射流以泡沫流的形式進(jìn)入浮選柱[2,5]。

圖1 射流微泡發(fā)生器發(fā)泡[5]Fig.1 Schematic diagram of the foaming of the jet microbubble generator

詹姆森浮選柱是另一種典型的射流發(fā)泡設(shè)備。值得注意的是，詹姆森浮選柱采用向下射流，其下導(dǎo)管中的氣溶率較高，微泡停留時(shí)間較短，尺寸較小，有利于微細(xì)粒浮選。

很多學(xué)者研究了射流發(fā)泡在浮選中的應(yīng)用。李浙昆等[6]對(duì)射流發(fā)泡過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真和物理實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)理論，并認(rèn)為其具有較好的發(fā)泡性能。邵延海[7]對(duì)比了射流和陶瓷微孔兩種氣泡發(fā)生器，發(fā)現(xiàn)與陶瓷微孔發(fā)泡器相比，射流發(fā)泡器生成的微泡平均直徑較小，具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外，射流發(fā)泡器的管段外形有利于氣泡的均勻分布[2]。這些研究證實(shí)了射流發(fā)泡具有發(fā)泡性能好、氣泡尺寸合適、發(fā)泡均勻等優(yōu)勢(shì)，有利于礦化。此外，射流發(fā)泡器無(wú)需機(jī)械攪拌裝置及壓縮空氣系統(tǒng)，能耗低，產(chǎn)生的噪聲小。在生成的氣泡性質(zhì)及設(shè)備結(jié)構(gòu)方面均適應(yīng)微泡浮選的需要，在工業(yè)應(yīng)用中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2 微孔介質(zhì)發(fā)泡

微孔介質(zhì)發(fā)泡是指壓縮空氣經(jīng)過(guò)微孔介質(zhì)，被其上的微孔切割生成微泡。其過(guò)程見(jiàn)圖2 。

圖2 微孔介質(zhì)發(fā)泡示意圖[8]Fig.2 Schematic diagram of microporous media foaming

在此過(guò)程中，氣泡的形成分為四個(gè)階段：膨脹階段、拉伸階段、分離階段和上升階段。在膨脹階段，氣體被引入氣泡，氣泡開(kāi)始徑向生長(zhǎng)；在拉伸階段，氣泡持續(xù)增長(zhǎng)，但仍未脫離微孔；在分離階段，隨著氣泡的持續(xù)拉伸，氣泡與微孔的孔口分離，并逐漸向上運(yùn)動(dòng)；在上升階段，氣泡持續(xù)上升，并與周?chē)橘|(zhì)相互運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。微孔介質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的氣泡特征有顯著影響，一般常見(jiàn)的微孔介質(zhì)包括塑料、卵石層、微孔金屬膜管和微孔陶瓷膜管等。其中，多孔陶瓷膜具有耐腐蝕、強(qiáng)度高和比表面積大等優(yōu)良性能，在微孔介質(zhì)發(fā)泡中應(yīng)用較多。程敏[9]以多孔陶瓷膜為微孔介質(zhì)研究了孔隙率、孔結(jié)構(gòu)和空氣滲透率等與發(fā)泡性能的關(guān)系。黃光耀等[10]考查了微孔發(fā)泡器潤(rùn)濕性對(duì)產(chǎn)生氣泡的大小的影響，發(fā)現(xiàn)親水型微孔發(fā)泡器較疏水型發(fā)泡器，更有利于產(chǎn)生小氣泡。

1.3 溶氣發(fā)泡

溶氣發(fā)泡包括加壓溶氣析出發(fā)泡和減壓真空析出發(fā)泡。溶氣發(fā)泡的理論基礎(chǔ)取決于亨利定律:V=KTP。式中：V為空氣在水中的溶解度，mg/L；P為氣壓，Pa；KT為亨利常數(shù)。環(huán)境的溫度一定時(shí)，空氣在水中的溶解度隨壓力的增大而增大。

1.3.1 加壓溶氣析出發(fā)泡

加壓溶氣析出發(fā)泡是指，在加壓條件下，將空氣導(dǎo)入盛有液體的密閉空間內(nèi)并使其達(dá)到飽和狀態(tài)，大量空氣溶解在礦漿內(nèi)，溶氣礦漿被送至浮選槽后，由于驟然降至常壓，導(dǎo)致空氣的溶解度降低，溶氣礦漿中過(guò)飽和的空氣便以微泡的形式逸出。壓強(qiáng)是加壓溶氣發(fā)泡的重要影響因素，若氣壓過(guò)低，則溶解的空氣量少，產(chǎn)生的微泡數(shù)量少；若氣壓過(guò)高，溶解的空氣量過(guò)高，降壓后生成的氣泡過(guò)多，會(huì)在礦漿中形成紊流，同時(shí)，過(guò)多的微泡之間存在強(qiáng)烈的相互碰撞，導(dǎo)致氣泡兼并，增大氣泡直徑，均不利于浮選過(guò)程的進(jìn)行。大量研究表明，使用加壓溶氣析出發(fā)泡產(chǎn)生的氣泡的直徑約為10～120 μm[4]。高瑩等[11]利用溶氣浮選法處理低濃度含鉻廢水，發(fā)現(xiàn)溶液pH 為9，表面活性劑濃度為15 mg/L，浮選時(shí)間為35 min 是最佳的處理?xiàng)l件，此時(shí)鉻離子去除率可達(dá)95.48%。

1.3.2 減壓真空析出發(fā)泡

減壓真空析出發(fā)泡是指通過(guò)在礦漿表面形成負(fù)壓，自溶于礦漿中的空氣在真空狀態(tài)下析出生成微泡，其發(fā)泡機(jī)制類(lèi)似于加壓溶氣析出發(fā)泡過(guò)程，但生成的微泡相對(duì)穩(wěn)定。劉殿文等[12]采用減壓真空析出浮選法浮選細(xì)?？兹甘?，研究結(jié)果證實(shí)了真空浮選優(yōu)于常規(guī)浮選。Matis 和劉明鑒[13]利用真空浮選法處理螢石-石英和石英重晶石（小于10 μm），也取得了良好的分選效果。

1.4 超聲波發(fā)泡

超聲波發(fā)泡是指超聲波在含有氣體和雜質(zhì)的水中通過(guò)空化生成微泡。通常，超聲波是指頻率范圍為20 KHz～10 MHz 振動(dòng)頻率較高的聲波。研究表明，在20～40 KHz 之間的低頻范圍內(nèi)，超聲波可以產(chǎn)生微泡，在兆赫茲范圍內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)空化氣泡的生成[14]。超聲波在介質(zhì)傳輸中產(chǎn)生兩種形式的機(jī)械振蕩，即橫波和縱波，超聲波的縱向振蕩在礦漿傳播中會(huì)引起液體質(zhì)點(diǎn)的縱向振動(dòng)，從而交替產(chǎn)生壓縮相和稀疏相。波的正半周產(chǎn)生壓強(qiáng)，負(fù)半周形成拉力。當(dāng)聲壓值超過(guò)液體承受的閾值時(shí)，液體中的氣體在稀疏相所形成的高負(fù)壓影響下過(guò)飽和析出，由于強(qiáng)大的拉應(yīng)力，液體分子間的鍵力被破壞，液體被“撕開(kāi)”成一空洞，因而產(chǎn)生大量的微泡。

已有研究證實(shí)了超聲波發(fā)泡受超聲波的功率、頻率及溶液中溶解氣體的量的影響。歐樂(lè)明等[15]研究發(fā)現(xiàn)超聲波發(fā)泡能力與溶液中氣體含量直接相關(guān)，超聲波空化氣泡的體積與超聲波的功率有關(guān)，且生成氣泡的速率與超聲波功率、頻率及溶液中溶解氣體的量呈正相關(guān)。

1.5 電解發(fā)泡

電解發(fā)泡是指在外加電場(chǎng)作用下，礦漿中的水通過(guò)電解析出平均直徑為17～105 μm 的微泡[16]。其中氧氣微泡在陽(yáng)極生成，氫氣微泡在陰極生成，過(guò)程反應(yīng)式如下：

在電解發(fā)泡過(guò)程中，氣泡經(jīng)歷成核，成長(zhǎng)及脫離電極等階段。當(dāng)氣泡半徑達(dá)到臨界氣泡半徑時(shí)，電極表面發(fā)生氣泡成核現(xiàn)象；在成長(zhǎng)階段，當(dāng)氣泡尺寸大于臨界氣泡尺寸，產(chǎn)生的氣體連續(xù)進(jìn)入氣泡，且氣泡與電極表面其他氣泡聚集，不斷增大；在分離階段，氣泡受到浮力、氣泡內(nèi)部的壓力、分離力以及氣泡與電極間的附著力，當(dāng)分離力大于附著力時(shí)，氣泡從電極表面脫落。

通常，電解發(fā)泡產(chǎn)生的微泡尺寸及數(shù)量受礦漿環(huán)境、電極及電流密度影響。礦漿為酸性溶液時(shí)，產(chǎn)生的氫氣微泡較大，并且微泡直徑隨著pH 值的增大而減小，產(chǎn)生的氧氣微泡較小；礦漿為堿性溶液時(shí)相反；中性溶液下生成的微泡數(shù)量多且尺寸較小，但是在強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性溶液均會(huì)生成較大的微泡[16]。此外，通過(guò)研究電極性質(zhì)對(duì)微泡直徑的影響發(fā)現(xiàn)，鐵質(zhì)電極產(chǎn)生的氫氣微泡半徑小于鉑質(zhì)電極。當(dāng)電極為鎳時(shí)，網(wǎng)狀電極產(chǎn)生微泡的直徑比板狀電極要小。表面粗糙的電極電解生成的微泡尺寸比光滑表面產(chǎn)生的大[17]。此外，在較低的電流密度時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量大氣泡，在較高的電流密度下，電解會(huì)產(chǎn)生大量的小氣泡；在更高的電流密度下，氣泡成核速率隨著電流密度的增加而增加，但若電流密度過(guò)大，會(huì)促使一些微泡碰撞并兼并成大氣泡[18]。

由于電解產(chǎn)生的微泡具有分散濃度高、在礦漿內(nèi)的固體顆粒上均勻分布、表面存在電荷、有較高的物理活性等特點(diǎn)，電解浮選成為一種有效的浮選方式。朱超英等[19]研制出一種新型電解微泡浮選柱，研究發(fā)現(xiàn)電解浮選柱與普通浮選機(jī)相比能獲得更高的精礦品位。但電解發(fā)泡浮選對(duì)于導(dǎo)電性差的礦物處理效果不理想，且生產(chǎn)成本較高，如何通過(guò)設(shè)備的優(yōu)化補(bǔ)償額外的能源成本，實(shí)現(xiàn)電解發(fā)泡在浮選工業(yè)中的應(yīng)用，仍需進(jìn)一步探索。

2 微泡特征調(diào)控

大量研究表明，在浮選過(guò)程中，氣泡特征對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)和分離效率有顯著影響，調(diào)控氣泡特征是提高浮選分離效率的重要手段。通常，微泡特征主要分為靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征，其中，靜態(tài)特征以氣泡直徑為主，而動(dòng)態(tài)特征包括氣泡形態(tài)變化、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.1 微泡直徑調(diào)控

在礦漿中，氣泡總是自發(fā)趨向于兼并，但在流體湍流流動(dòng)及介質(zhì)間相互碰撞作用下,氣泡會(huì)發(fā)生破裂，氣泡兼并與破裂在浮選過(guò)程中是同時(shí)存在的，其中兼并增大氣泡尺寸，而破裂使氣泡尺寸減小，兩者間的動(dòng)態(tài)平衡決定了最終的氣泡直徑[2]。大量研究發(fā)現(xiàn)，微泡直徑在50～120 μm 范圍內(nèi)最適合浮選，在此范圍內(nèi)，氣泡直徑越小，浮選分離效果越好[20]。如何對(duì)微泡直徑進(jìn)行調(diào)控，使其達(dá)到適合浮選分離的尺寸是強(qiáng)化浮選過(guò)程的前提，而表面活性劑、電解質(zhì)和能量輸入是影響微泡直徑的主要因素。

2.1.1 表面活性劑

表面活性劑的加入會(huì)改變礦漿的表面活性，是調(diào)控微泡尺寸的重要手段。表面活性劑的類(lèi)型和添加量對(duì)微泡直徑的調(diào)控機(jī)制不同。微泡直徑隨著表面活性劑濃度的增大而減小，直至達(dá)到臨界兼并濃度（Critical Coalescence Concentration，簡(jiǎn)稱(chēng)CCC）。當(dāng)表面活性劑分子吸附在氣液界面時(shí)，其非極性基團(tuán)朝向氣相，極性基團(tuán)朝向液相并形成定向分子排布，抑制氣泡兼并，導(dǎo)致微泡尺寸減小。不同類(lèi)型的表面活性劑具有不同的CCC 值。通常，表面活性劑的非極性基團(tuán)是烴基，表面活性劑的表面活性隨著其碳原子數(shù)的增加而增強(qiáng)，但當(dāng)烴基的長(zhǎng)度超過(guò)一定值，表面活性劑的溶解度將迅速降低，其對(duì)礦漿表面活性的調(diào)控降低，氣泡兼并加劇，導(dǎo)致大氣泡的生成[21]。Zhu 等[22]分析了表面活性劑共混物對(duì)氣泡尺寸影響的機(jī)理，認(rèn)為表面活性劑共混物會(huì)在微泡表面上形成共吸附，從而抑制氣泡兼并，減小氣泡尺寸。

2.1.2 電解質(zhì)

礦漿中加入的電解質(zhì)通常以離子的形式存在，與表面活性劑不同，電解質(zhì)并不是通過(guò)降低液相的表面張力實(shí)現(xiàn)對(duì)微泡尺寸的調(diào)控，而是添加電解質(zhì)會(huì)增大液相的表面張力。電解質(zhì)主要通過(guò)抑制微泡兼并的方式來(lái)減小微泡直徑。很多研究探討了電解質(zhì)抑制氣泡兼并的機(jī)理，Craig等[23]認(rèn)為電解質(zhì)的加入使電解質(zhì)離子吸附在氣液界面上，降低了微泡之間的疏水力，從而抑制氣泡兼并。同時(shí)，溶液中的電解質(zhì)離子和水分子形成的有序結(jié)構(gòu)可以減緩氣泡間液膜的排液，抑制了微泡的兼并。此外，電解質(zhì)溶液的粘性效應(yīng)和溶解空氣量也被認(rèn)為是抑制氣泡兼并的重要因素。但只有當(dāng)電解質(zhì)濃度超過(guò)CCC 值時(shí)，電解質(zhì)才對(duì)氣泡兼并產(chǎn)生抑制作用。

Lessard 等[24]對(duì)不同類(lèi)型不同濃度的無(wú)機(jī)鹽溶液中的氣泡兼并進(jìn)行研究，認(rèn)為氣泡尺寸與電解質(zhì)類(lèi)型無(wú)關(guān)，而與離子強(qiáng)度有關(guān)。隨著離子強(qiáng)度的增加，氣泡兼并概率降低，生成的氣泡尺寸更小。張雪勤等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度的無(wú)機(jī)鹽的表面活性劑復(fù)配體系中，表面張力下降，發(fā)泡能力增加，在高濃度的無(wú)機(jī)鹽的表面活性劑復(fù)配體系中，發(fā)泡能力下降，且不同價(jià)態(tài)的無(wú)機(jī)鹽的影響也不同。值得注意的是，電解質(zhì)對(duì)非離子起泡劑影響很小。

2.1.3 能量輸入

浮選是一個(gè)多相、多尺度的流動(dòng)分離體系，其輸入能量，例如葉輪攪拌產(chǎn)生的機(jī)械能，射流產(chǎn)生的動(dòng)能等，可以對(duì)氣泡尺寸進(jìn)行調(diào)控。機(jī)械能輸入會(huì)促進(jìn)氣泡間碰撞及使氣液界面附近的壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣泡變形，最終破裂，產(chǎn)生小氣泡。Gorain 等[26]指出，氣泡尺寸隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加而減小，而且氣泡尺寸在葉輪出口處最小，靠近葉輪軸處最大。Zhu 等[27]發(fā)現(xiàn)在噴射式浮選槽中，氣泡尺寸會(huì)隨著射流流速及射流的動(dòng)能的增加而減小，在較低的起泡劑濃度環(huán)境下，氣泡尺寸的減小更加明顯。惠恒雷[28]研究發(fā)現(xiàn)，在射流微泡發(fā)生器中，隨著液體壓力增加，礦漿射流速度增加，氣泡尺寸減小，而且尺寸變化趨勢(shì)明顯。

2.2 微泡運(yùn)動(dòng)特性調(diào)控

微泡在浮選槽中，受浮力作用處于上升狀態(tài)，受初始動(dòng)量的支配，先做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，然后加速運(yùn)動(dòng)，Basset 力和附加質(zhì)量力消失，導(dǎo)致氣泡受力不均，做周期性的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在上升過(guò)程中，氣泡頂部和底部之間存在壓力差，產(chǎn)生從氣泡底部推向頂部的射流流動(dòng)，并在氣泡的兩端形成旋渦，氣泡形狀發(fā)生變化。在氣泡上升過(guò)程中，上升速度逐漸增大，達(dá)到最大上升速度時(shí)下降，并趨于穩(wěn)定，隨后氣泡速度在穩(wěn)定速度附近波動(dòng)[29]。調(diào)控礦漿性質(zhì)是調(diào)控微泡運(yùn)動(dòng)特性的有效手段。

通常，表面活性劑的加入，能夠降低氣泡上升速度，穩(wěn)定氣泡形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。王軍超等[30]研究了正戊醇、MIBC、仲辛醇和聚丙二醇四種醇類(lèi)起泡劑，發(fā)現(xiàn)均可以降低氣泡上升速度，并且氣泡速度隨著表面活性劑濃度的增加，逐漸降低，最大速度逐漸減小。賈彥[29]發(fā)現(xiàn)表面活性劑可以抑制氣泡的變形，隨著表面活性劑濃度越大，氣泡接近球形，運(yùn)動(dòng)軌跡接近直線(xiàn)，因此，認(rèn)為可以通過(guò)添加表面活性劑增加氣泡運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，氣泡形狀與氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度有一定的關(guān)系。Wu 等[31]在純水中探究氣泡的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，指出體積相同的情況下，球型氣泡較橢圓型氣泡上升速度明顯變小，氣泡形變使氣泡尾流不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)路徑不穩(wěn)定。氣泡在礦漿中上升，水流攜帶表面活性劑分子向氣泡下部運(yùn)動(dòng)并聚集在氣泡下部，導(dǎo)致氣泡表面的表面活性劑分布不均勻，產(chǎn)生表面張力梯度，從而生成與之相平衡的Marangoni 剪切應(yīng)力，這被稱(chēng)為Marangoni 效應(yīng)。該剪切力的出現(xiàn)增大了氣泡受到的曳力，使氣泡運(yùn)動(dòng)降低，同時(shí)，由于Marangoni 剪切應(yīng)力與引起氣泡變形的壓差作用力方向是相反的，減小了使氣泡變形的凈作用力，減緩氣泡發(fā)生變形。

3 微泡對(duì)浮選過(guò)程的影響機(jī)制

浮選過(guò)程一般可分為碰撞、粘附和脫附過(guò)程，浮選過(guò)程中顆粒的礦化概率表示為：

式中：E為浮選過(guò)程中顆粒的礦化概率：Ec為氣泡與顆粒的碰撞概率；Ea為氣泡與顆粒的粘附概率；Ed為氣泡與顆粒的脫附概率。通過(guò)微泡調(diào)控強(qiáng)化碰撞和粘附過(guò)程，并抑制脫附過(guò)程可以強(qiáng)化礦化過(guò)程，提高浮選效率。由此可知，微泡特性在氣泡與顆粒碰撞、粘附和脫附過(guò)程中的作用機(jī)制是十分重要的。

3.1 微泡對(duì)碰撞過(guò)程的影響

一般，顆粒與氣泡的碰撞過(guò)程被認(rèn)為是礦化過(guò)程的初始過(guò)程，也是發(fā)生粘附過(guò)程的前提條件，碰撞的粒子的動(dòng)能打破顆粒與氣泡間的能壘，促使兩者接觸，導(dǎo)致粘附發(fā)生。顆粒與氣泡在浮選過(guò)程中的碰撞被認(rèn)為有四種碰撞機(jī)制：重力碰撞、截流碰撞、慣性碰撞和湍流碰撞，它們受諸多因素的影響，如流體曳力、顆粒的慣性力、重力以及溶液化學(xué)調(diào)控等作用，是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性過(guò)程。碰撞概率被廣泛用來(lái)評(píng)估顆粒與氣泡間的碰撞過(guò)程，許多學(xué)者采用不同的理論，基于不同的假設(shè)對(duì)碰撞概率進(jìn)行研究，并建立大量的碰撞概率模型，如Sutherland 模型、Gaudin模型、Reay and Ratcliff 模型和Yoon and Luttrell模型等[1,32-33]，從這些模型可以推算出碰撞概率隨著氣泡尺寸的減小而增大。近年來(lái)，隨著對(duì)浮選礦化過(guò)程理論加深了理解，一些新的碰撞概率模型被提出，考慮了流體流動(dòng)和粒子運(yùn)動(dòng)的影響，如Flint-Howarth 模型、Anfruns-Kitchener 模型和Weber-Paddock 模型等[34-35]，從中可以發(fā)現(xiàn)碰撞概率與微泡的運(yùn)動(dòng)速度是密切相關(guān)的。當(dāng)顆粒的Stoeks 數(shù)在0.001～0.1 之間，不管是重力碰撞還是截流碰撞，碰撞概率均隨氣泡運(yùn)動(dòng)速度的減小而增大。在慣性碰撞時(shí)，氣泡運(yùn)動(dòng)速度對(duì)碰撞概率的影響機(jī)制并不明確。當(dāng)氣泡尺寸減小，在同樣的充氣量條件下，微泡數(shù)量增加，氣泡的總比表面積增加，顆粒與氣泡的碰撞概率增加。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直徑小于0.12 cm 時(shí)，氣泡在溶液中直線(xiàn)上升，大于這個(gè)值時(shí)，呈現(xiàn)鋸齒狀或螺旋狀運(yùn)動(dòng)[30]，偏離顆粒的直線(xiàn)碰撞，碰撞概率降低，因此可以推測(cè)，減小微泡尺寸，有利于維持氣泡的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而增大碰撞概率。但在黃銅礦浮選中發(fā)現(xiàn)，小氣泡與極細(xì)顆粒的碰撞概率較大，中間尺寸顆粒由于氣泡尺寸不夠大，碰撞效率并不高[36]。此外，氣泡尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致氣泡運(yùn)動(dòng)速度降低，碰撞角增大，導(dǎo)致氣泡表面的有效碰撞面積增大，而且氣泡在礦漿中的滯留時(shí)間延長(zhǎng)，也在一定程度上增加了顆粒氣泡間的碰撞概率。因此，對(duì)于微細(xì)礦粒而言，小直徑和低速度的微泡可以增大顆粒與氣泡間的碰撞概率，對(duì)于粗顆粒而言，微泡的調(diào)控則需匹配顆粒的實(shí)際直徑。

3.2 微泡對(duì)粘附過(guò)程的影響

顆粒與氣泡發(fā)生碰撞后，兩者間的距離不斷縮小，直至接近到二者的水化膜，水化膜開(kāi)始薄化，當(dāng)水化膜達(dá)到臨界厚度，則迅速破裂，顆粒與氣泡發(fā)生直接接觸，氣固液三相潤(rùn)濕周邊開(kāi)始形成并擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)顆粒的粘附。與顆粒氣泡間的碰撞過(guò)程不同，粘附過(guò)程受顆粒與氣泡性質(zhì)、溶液環(huán)境和湍流等多個(gè)因素的影響，只有當(dāng)誘導(dǎo)時(shí)間小于顆粒在氣泡表面的接觸時(shí)間時(shí)，顆粒才能實(shí)現(xiàn)在氣泡表面的粘附[37]。

氣泡特性對(duì)粘附過(guò)程有顯著影響。Yoon等[38]發(fā)現(xiàn)，隨著氣泡尺寸的減小，顆粒與氣泡的粘附概率呈上升趨勢(shì)。微泡的尺寸小，會(huì)影響氣液界面的拉普拉斯壓力，從而影響薄膜的排液動(dòng)力學(xué)（即誘導(dǎo)時(shí)間），誘導(dǎo)時(shí)間隨著氣泡直徑的減小而減小，有利于促進(jìn)粘附概率的增大。但是，當(dāng)氣泡尺寸過(guò)小時(shí)，小氣泡的浮力可能無(wú)法提升粗顆粒，影響浮選效率，因此，提出了一種微泡與大氣泡結(jié)合的氣泡環(huán)境，以提高顆粒與氣泡間的粘附，但又給粗顆粒提供足夠的浮力，提高浮選效率[39]。

3.3 微泡對(duì)脫附過(guò)程的影響

粘附在氣泡表面的顆粒隨著氣泡上浮，在上浮過(guò)程中，當(dāng)脫附力小于吸附力時(shí)，顆粒則保持粘附狀態(tài)，進(jìn)入泡沫層，反之，從顆粒從氣泡表面脫落進(jìn)入礦漿中。大量學(xué)者從力的平衡角度研究了脫附過(guò)程，在浮選過(guò)程中，氣泡與粘附顆粒之間的作用力可以分為四種[35]：Fp（毛細(xì)管壓力）、Fe（過(guò)剩力）、Fw（顆粒在溶液環(huán)境中的重力）、Fd（曳力）。在微泡浮選中，F(xiàn)p和Fe為吸附力，F(xiàn)w和Fd為脫附力。從力的平衡原則，推導(dǎo)出的脫附概率模型近似為：

式中：θd為脫附時(shí)的三相接觸角；γ為液體表面張力；g為重力加速度，ρp和ρ分別為顆粒與液體的密度；Dp為顆粒直徑；Db為氣泡直徑。

從上式可以看出，氣泡顆粒間的脫附概率隨著氣泡直徑和顆粒直徑的減小而減小，有學(xué)者認(rèn)為，在微細(xì)粒浮選中，可以不考慮微泡與微細(xì)粒間的脫附情況[40]。在礦漿中，氣泡尺寸減小，導(dǎo)致曳力減小，過(guò)剩力所帶來(lái)的粘附效應(yīng)增強(qiáng)，顆粒氣泡間脫附概率降低；在礦漿與泡沫層交界處，小氣泡的上浮速率較小，使得顆粒在氣泡表面滑移的最大高度較小，很難超過(guò)氣泡半徑，這時(shí)顆粒所受徑向力主要是重力分量，較升浮速率大的顆粒所受徑向力小[41]，顆粒脫落概率小。在泡沫層中，微泡趨向兼并，顆粒易脫附，但氣泡上脫落的疏水性顆仍處于泡沫層中，會(huì)發(fā)生二次粘附現(xiàn)象[42]。因而，對(duì)于中粗顆粒浮選而言，微泡的應(yīng)用可以降低浮選中粗顆粒脫附概率，從而提高浮選效率。

4 結(jié)論與展望

（1）綜述了射流發(fā)泡、微孔介質(zhì)發(fā)泡、溶氣析出發(fā)泡、超聲發(fā)泡和電解發(fā)泡五種發(fā)泡方式系統(tǒng)的綜述了微泡生成原理及應(yīng)用。目前，射流發(fā)泡和微孔介質(zhì)發(fā)泡技術(shù)在礦物浮選領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，溶氣析出發(fā)泡在各行業(yè)的廢水處理中得到了很好的應(yīng)用，超聲發(fā)泡和電解發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用還在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，在工業(yè)應(yīng)用上還不成熟，需要進(jìn)一步的研究探索和優(yōu)化。

（2）添加表面活性劑、電解質(zhì)和能量輸入是微泡直徑調(diào)控的有效手段。目前，盡管微泡調(diào)控在藥劑耦合方面已經(jīng)有所研究，但大量研究還是多集中在單因素調(diào)控。實(shí)際浮選過(guò)程中，微泡直徑及運(yùn)動(dòng)特征受溶液環(huán)境、能量輸入等多因素協(xié)同影響，因而多因素耦合的微泡調(diào)控技術(shù)，具有一定的發(fā)展前景。

（3）對(duì)于細(xì)顆粒而言，微泡可以通過(guò)增加顆粒氣泡間碰撞概率和粘附概率，降低脫附概率，從而實(shí)現(xiàn)浮選速率和浮選回收率的增加。從理論角度，微泡對(duì)粗顆粒的顆粒氣泡間相互作用的影響與細(xì)顆粒相同，但微泡沒(méi)有足夠的浮力攜帶粗顆粒上浮，從而影響浮選效率。微泡可以強(qiáng)化細(xì)粒浮選，但對(duì)于粗顆粒而言，微泡的作用機(jī)制并不明確，微泡的特征需要進(jìn)一步調(diào)控。