礦物浮選動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

李 晨,侯 英

(遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114051)

0 引言

浮選動(dòng)力學(xué)是指礦粒和氣泡的作用及疏水礦粒氣-液界面富集及運(yùn)載的過(guò)程[1]。浮選效率決定于浮選介質(zhì)與物料的配比及兩者間的作用強(qiáng)度,目的組分礦物累計(jì)回收率隨浮選時(shí)間的延長(zhǎng)而提高,浮選過(guò)程可以描述為時(shí)間和回收率的關(guān)系[2-3]。利用浮選動(dòng)力學(xué)研究浮選時(shí),被浮礦物隨著時(shí)間的變化而變化,可用浮選速率方程表達(dá)此變化關(guān)系。以浮選速率指示浮選速度的快慢,通常以礦物在單位時(shí)間尺度上的濃度或回收率變化作為界定標(biāo)準(zhǔn)。

大量學(xué)者對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)模型的建立和改進(jìn)進(jìn)行了研究,以使其更加適應(yīng)浮選體系發(fā)展的要求,如:通過(guò)測(cè)定浮選動(dòng)力學(xué)的反應(yīng)級(jí)數(shù),提出了新的浮選動(dòng)力學(xué)方程;對(duì)浮選組分進(jìn)行分割,增強(qiáng)了動(dòng)力學(xué)模型的適應(yīng)性;分析各因素對(duì)浮選速率和回收率的影響規(guī)律,提出了合理選擇活化劑濃度及藥劑種類(lèi)的方法;對(duì)于黑鎢礦、白鎢礦和螢石浮選分離過(guò)程,浮選速率常數(shù)k連續(xù)變化,以檸檬酸作抑制劑能明顯擴(kuò)大三者浮選速率的差異[2-4]。以上研究有力推動(dòng)了浮選動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展。

本文從理論建模與試驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響因素與研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),對(duì)新理論和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較分析,并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望,以期為推動(dòng)我國(guó)浮選動(dòng)力學(xué)理論的完善與應(yīng)用提供參考。

1 浮選動(dòng)力學(xué)模型

浮選數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方式往往決定了模型的使用效果,一般可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、概率模型和?dòng)力學(xué)模型構(gòu)建[2-3,5]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建需要的條件非常具體,常通過(guò)試驗(yàn)、錯(cuò)誤反饋等途徑加以優(yōu)化;概率模型是在一定條件的限制下構(gòu)建的,可歸為動(dòng)力學(xué)模型[3];動(dòng)力學(xué)模型是一種基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的半定量描述方法,其特點(diǎn)在于能夠較好地?cái)M合浮選過(guò)程。

20世紀(jì)30年代,ZUNIGAH[6]首次提出了浮選動(dòng)力學(xué)模型,其將浮選過(guò)程視為速率過(guò)程,認(rèn)為氣泡與礦物顆粒之間存在碰撞、基本物質(zhì)單元(分子、原子及離子)吸附和化學(xué)反應(yīng)。由于模型未考慮浮選中大量二級(jí)反應(yīng)的影響,計(jì)算結(jié)果通常無(wú)法反映實(shí)際浮選行為。一級(jí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型為

c=c0·e-kt,

(1)

式中:c0表示目的組分的初始質(zhì)量濃度,mg/L;k表示反應(yīng)速率常數(shù);c表示t時(shí)刻的目的組分質(zhì)量濃度,mg/L。在此基礎(chǔ)上,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可以得到一個(gè)能較好地描述粗粒級(jí)浮選過(guò)程中各種因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)一步變換可以得到經(jīng)典的一級(jí)浮選動(dòng)力學(xué)模型:

ε=ε∞(1-e-kt),

(2)

式中:ε∞表示最大回收率,%;ε表示t時(shí)刻可浮礦物回收率,%。

20世紀(jì)30-60年代,浮選動(dòng)力學(xué)模型基本停留在化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究階段。由于浮選試驗(yàn)方法的局限性,導(dǎo)致其結(jié)果無(wú)法達(dá)到令人滿意的水平。表示浮選動(dòng)力學(xué)行為的方程是由ZUNIGAH[6]和BELOGRADOV[7]借鑒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)得來(lái)的,他們認(rèn)為浮選反應(yīng)是擴(kuò)散控制,基本形式[6]為

(3)

式中,c表示待浮有用礦物濃度,t表示浮選時(shí)間。

由式(3)可知,在特定條件下,浮選速度與該礦物在溶液中的濃度成正比,從而使浮選速度計(jì)算公式有了廣泛的適用性。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明,工業(yè)礦石研究的是寬級(jí)別礦物,其浮選過(guò)程大多不滿足一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。ARBITER等[8-9]提出了二級(jí)動(dòng)力學(xué)的概念。相關(guān)研究[7]表明,如浮選過(guò)程符合n級(jí)浮選動(dòng)力學(xué),其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程為

(4)

式中,n表示反應(yīng)級(jí)數(shù),0≤n<6[10]。對(duì)于n的取值,有學(xué)者認(rèn)為窄級(jí)別礦物浮選符合一級(jí)反應(yīng),也有學(xué)者認(rèn)為粗粒級(jí)礦物對(duì)應(yīng)的n值較大而細(xì)粒級(jí)的較小。

20世紀(jì)60年代后,許多學(xué)者對(duì)寬級(jí)別工業(yè)礦石進(jìn)行了研究,提出了k值的變化規(guī)律。1956年,Голиков[11]針對(duì)某種白鉛礦混合物料,給出了修正經(jīng)驗(yàn)方程:

(5)

式中,ε表示目的礦物回收率,a、b是由試驗(yàn)得到的常數(shù)。

n級(jí)動(dòng)力學(xué)模型在本質(zhì)上仍然具有純經(jīng)驗(yàn)性質(zhì),研究人員隨后嘗試改變浮選速率常數(shù)k,發(fā)現(xiàn)k值的分布有離散和連續(xù)之分。

1963年,今泉常正和井上外志雄[12]提出同一礦物有不同的k值分布,并利用k值分布證明浮選過(guò)程中ε-t關(guān)系為非線性。1978年,陳子鳴[11]對(duì)白銀有色銅黃鐵礦進(jìn)行了研究,認(rèn)為速率常數(shù)k值的變化與β函數(shù)分布近似[13-14]。

近年來(lái)隨著浮選動(dòng)力學(xué)研究的不斷深入,不少學(xué)者將動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于浮選中,并對(duì)模型進(jìn)行了描述,如經(jīng)典的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[15]、一級(jí)矩形分布模型、二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、二級(jí)矩形分布模型、哥利科夫模型、陳子鳴模型[16]、劉逸超模型[17]、許長(zhǎng)連模型和三重逼近模型等,其中經(jīng)典的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用最為廣泛。

2 基于浮選動(dòng)力學(xué)的影響因素分析

浮選過(guò)程極其復(fù)雜,浮選分離受很多因素的影響(見(jiàn)圖1)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)模擬手段建立浮選動(dòng)力學(xué)模型來(lái)解釋和描述浮選過(guò)程,利用浮選動(dòng)力學(xué)對(duì)浮選行為、浮選藥劑及選礦工藝流程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 浮選過(guò)程影響因素

2.1 浮選給礦性質(zhì)對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響

2.1.1 礦物晶體結(jié)構(gòu)

礦物晶體結(jié)構(gòu)對(duì)浮選特性的影響很大,如晶胞原子缺失、晶型轉(zhuǎn)變、晶格膨脹均能影響礦物晶體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致晶胞周期性勢(shì)場(chǎng)、電子分布和能帶結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化[18],最終對(duì)礦物浮選性能產(chǎn)生影響[19-20]。李少平[21]研究了菱錳礦和鈣鎂碳酸鹽礦物晶體溶解對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)溶解可使脈石礦物表面晶格定位離子含量下降[22],進(jìn)而使脈石礦物浮選速率顯著下降[23]。

2.1.2 礦物顆粒尺寸

礦物顆粒大小對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)參數(shù)有著非常顯著的影響。ABKHOSHK等[24]利用間歇式浮選槽的非線性方程定量描述了浮選速率常數(shù)與煤粒度的關(guān)系,與理論最大回收率相比,粒度對(duì)于浮選速率常數(shù)影響很大,粒度大小、浮選時(shí)間和累計(jì)回收率的3D模型能預(yù)測(cè)不同粒度煤炭的浮選速率,可通過(guò)建立浮選動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬浮選過(guò)程,以達(dá)到提高精煤產(chǎn)率的目的。ZHANG等[25]研究了粒度對(duì)褐煤反浮選動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響,采用1stOpt軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,預(yù)測(cè)了浮選速率常數(shù)和最大灰分回收率與粒度的關(guān)系,建立了浮選速率與最佳粒徑的預(yù)測(cè)模型;除了經(jīng)典的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型以外,其他模型也能很好地?cái)M合不同粒級(jí)的數(shù)據(jù);細(xì)粒級(jí)礦物和氣泡碰撞概率低,粗粒級(jí)礦物的脫附概率高,使得浮選速率偏低。YALCIN等[26]對(duì)黃鐵礦型金礦進(jìn)行了浮選動(dòng)力學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)金的浮選速率常數(shù)與粒度呈負(fù)相關(guān),隨著粒度的增大,金的浮選選擇性增強(qiáng),但回收率降低,與一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型相比,二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)浮選速率常數(shù)與磨礦粒度相關(guān)關(guān)系的預(yù)測(cè)精度更高。

2.1.3 礦物顆粒形狀

礦物顆粒延伸率、圓度及形狀特征等因素可以顯著影響礦物的浮選分離效率[27-28]。DEHGHANIF等[29]研究了顆粒形狀對(duì)磁鐵礦單礦物浮選動(dòng)力學(xué)的影響,當(dāng)延伸率較大、圓度較小時(shí),顆粒浮選動(dòng)力學(xué)常數(shù)較大;當(dāng)有石英顆粒存在時(shí),磁鐵礦顆粒形狀對(duì)浮選影響顯著;提出了以粒形分析為基礎(chǔ)的新型磁鐵礦浮選動(dòng)力學(xué)方程,所建立的模型可以較好地預(yù)測(cè)精礦品位及回收率。MA等[30]采用6種浮選動(dòng)力學(xué)模型研究了焦煤顆粒形狀的改變對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響,因顆粒和氣泡作用區(qū)域擴(kuò)大,顆粒延伸率與可浮性呈正相關(guān),焦煤浮選符合一級(jí)矩形分布模型。RAHIMI等[31]采用不同研磨方法研究了石英顆粒形狀對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)石英顆粒的形狀對(duì)于浮選速率常數(shù)具有明顯影響,延伸率愈大,圓度愈小,顆粒的可浮性越大。

2.2 浮選設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響

2.2.1 浮選機(jī)結(jié)構(gòu)

CAO等[32]研究了BF-40型浮選機(jī)的操作參數(shù)對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到151 r/min、葉輪浸入深度為1 195 mm時(shí),浮選機(jī)可以獲得最佳的浮選動(dòng)力學(xué)參數(shù)。KOH等[33]采用CFD方法研究了Denver型自充式浮選機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速和氣流組織對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)重力作用對(duì)顆粒附著影響明顯,氣泡的上升速度可通過(guò)調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速來(lái)控制,由此達(dá)到提高浮選速率的目的。KOH等[34]利用CFD方法模擬了自充氣式浮選機(jī)槽內(nèi)多尺寸氣泡及顆粒的附著速率,發(fā)現(xiàn)氣泡分布對(duì)顆粒浮選速率影響明顯,全尺寸氣泡比單尺寸氣泡分布的浮選速率更大,更有利于提升浮選槽工作效率。韓偉[35]研究了JFC-150型浮選機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速和充氣壓力對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速的增大和較高的充氣壓力會(huì)增大分離區(qū)和輸運(yùn)區(qū)的湍流強(qiáng)度,使礦粒懸浮能力和脫附作用力增大,較低的葉輪轉(zhuǎn)速和充氣壓力會(huì)降低礦粒懸浮能力和氣泡在浮選槽內(nèi)的彌散程度,葉輪轉(zhuǎn)速為110～130 r/min、充氣壓力為50～60 kPa時(shí)浮選效果最佳。

2.2.2 浮選柱結(jié)構(gòu)

浮選柱的給礦地點(diǎn)在上部區(qū)域,壓縮空氣通過(guò)氣泡發(fā)生器后產(chǎn)生微小氣泡,氣泡由下至上逐級(jí)上升。浮選柱中的礦化主要是逆流碰撞礦化,礦化氣泡進(jìn)入泡沫區(qū)后產(chǎn)生二次富集,尾礦則從底層排出。浮選柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)包括符合動(dòng)力學(xué)特性的柱體構(gòu)造及類(lèi)型、氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)、給礦器構(gòu)造及布置,還包括不受柱體動(dòng)力學(xué)特性影響的排泡方式、沖洗水方法、沖洗水流量和尾礦閥門(mén)形狀。由于浮選柱內(nèi)部流場(chǎng)、力場(chǎng)及流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性,單純的試驗(yàn)觀測(cè)難以完善浮選理論體系。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,可以更好地反映內(nèi)部流態(tài),從而在建立流場(chǎng)模型、改造浮選柱設(shè)備、按比例放大等方面對(duì)浮選柱進(jìn)行全面優(yōu)化[36]。夏敬源等[37]研究了空腔諧振式浮選柱的柱體截面高度、充氣量、浮選柱液位和沖洗水量等參數(shù)對(duì)膠磷礦浮選品位的影響,得到了浮選柱最佳動(dòng)力參數(shù),為空腔諧振式浮選柱在膠磷礦選礦中的大規(guī)模應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。盧世杰等[38]研究了KYZ4380B型浮選柱系統(tǒng)的發(fā)泡特性及浮選動(dòng)力學(xué)特性,同時(shí)還對(duì)浮選柱液位和充氣量的自動(dòng)控制進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.2.3 其他浮選設(shè)備

CHANGUNDA等[39]研究了新型振蕩網(wǎng)格浮選槽(OGC)對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響,結(jié)果表明,浮選速率常數(shù)和功率強(qiáng)度呈線性關(guān)系,湍流環(huán)境中的輸入能量很好地促進(jìn)了顆粒和氣泡的碰撞。

2.3 浮選操作參數(shù)對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響

2.3.1 浮選藥劑制度

浮選中除了礦物本身的性質(zhì)以外,浮選藥劑起到了極其重要的作用[40]。藥劑濃度過(guò)低會(huì)使藥劑反應(yīng)不充分,浮選效果差;而藥劑濃度過(guò)高則易發(fā)生過(guò)度吸附而造成泡沫破裂,從而影響浮選速率。組合藥劑能起到協(xié)同或拮抗作用而產(chǎn)生不同的浮選動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。浮選藥劑制度在浮選動(dòng)力學(xué)過(guò)程中發(fā)揮了十分復(fù)雜的作用,需根據(jù)礦石種類(lèi)、藥劑特性、選礦指標(biāo)及工藝條件合理搭配設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定浮選。張晉霞等[41]對(duì)石英、藍(lán)晶石、黑云母在pH=6.5的條件下的浮選動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了探討,結(jié)果表明,抑制劑淀粉可以擴(kuò)大3種礦物浮選速率的差值,通過(guò)模型擬合發(fā)現(xiàn)其與經(jīng)典一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型一致。

2.3.2 浮選礦漿濃度

隨著浮選礦漿濃度的升高,浮選泡沫的穩(wěn)定性增強(qiáng),有利于礦物和氣泡的接觸,從而提高礦物回收率,但浮選礦漿濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致泡沫易碎、礦物回收率下降。浮選礦漿濃度在浮選動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的作用錯(cuò)綜復(fù)雜,必須從浮選速率、回收率、精礦品位和藥劑消耗等方面綜合考慮,才能獲得適宜的浮選礦漿濃度,從而確保浮選過(guò)程的高效穩(wěn)定。趙新苗等[42]研究了礦漿濃度對(duì)不同粒徑金礦浮選速率的影響,結(jié)果表明:浮選礦漿濃度與金的累積品位成反比,而與金的累積回收率近似成正比,低濃度礦漿比高濃度礦漿更有利于金的高效富集,高濃度礦漿下更有利于金的回收;粗顆粒金比細(xì)顆粒金更適應(yīng)高浮選礦漿濃度體系,其浮選回收率及累積品位均更高。方夕輝等[43]研究了礦漿濃度對(duì)黃銅礦和黃鐵礦浮選速率系數(shù)的影響,結(jié)果表明,適當(dāng)提高礦漿濃度能夠抑制黃鐵礦的上浮,從而相對(duì)改善黃銅礦的動(dòng)力學(xué)參數(shù),實(shí)現(xiàn)黃銅礦的快速浮選。

2.3.3 浮選礦漿pH

浮選礦漿pH對(duì)礦漿內(nèi)表面活性劑的活性影響較大。表面活性劑分子可在水-氣界面形成定向排列以減小表面張力。改變表面活性劑分子內(nèi)各種基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和分布,調(diào)控其對(duì)水-氣界面特性的作用,可以得到不同種類(lèi)的泡沫體系[44]。礦物表面電荷狀態(tài)隨pH的變化而變化,進(jìn)而對(duì)其表面化學(xué)性質(zhì)及浮選性能產(chǎn)生影響。當(dāng)pH不同時(shí),浮選藥劑在礦物表面的吸附性和選擇性會(huì)有所不同,進(jìn)而影響浮選效果。浮選礦漿pH還會(huì)影響泡沫穩(wěn)定性。浮選礦漿pH對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)有顯著影響,需根據(jù)特定礦物種類(lèi)、藥劑體系、選礦指標(biāo)及工藝條件選擇適宜的礦漿pH,同時(shí)要重視藥劑及其用量的選擇,才能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定浮選。劉宜萍等[45]研究了pH對(duì)煤泥浮選動(dòng)力學(xué)的影響,結(jié)果表明,在煤浮選過(guò)程中礦漿的pH 會(huì)影響煤和灰分的浮選速率,在pH為5.5時(shí),煤的浮選速率和灰分的浮選速率差值較大,煤的浮選效果較好。

2.3.4 充氣量

充氣量顯著影響浮選機(jī)工作性能從而影響浮選效果。氣體通過(guò)外部設(shè)備或者加壓進(jìn)入浮選機(jī),經(jīng)過(guò)混合、旋轉(zhuǎn)、礦化等過(guò)程形成氣泡,氣泡是固體顆粒最主要的載體,充氣量及氣泡發(fā)生設(shè)備的構(gòu)造都將影響氣泡的數(shù)量及尺寸。單位充氣量是指浮選機(jī)每平方米液面每分鐘外溢的空氣量,準(zhǔn)確測(cè)定浮選機(jī)的單位充氣量十分必要[46]。合適的充氣量能提高浮選速率并增大氣泡與礦粒的接觸區(qū)域,進(jìn)而改善浮選效果。但是充氣量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣泡呈液膜狀,無(wú)法吸附于固體表面,從而影響浮選速率。泡沫穩(wěn)定性隨充氣量的增大而增強(qiáng),對(duì)礦物回收率有促進(jìn)作用。但充氣量過(guò)大會(huì)造成大氣泡斷裂,造成泡沫失效而影響浮選效果。充氣量對(duì)氣泡尺寸及分布均有影響,并在一定范圍內(nèi)對(duì)氣泡與顆粒之間的接觸、吸附及移動(dòng)產(chǎn)生影響,從而對(duì)浮選效果產(chǎn)生影響。隨著充氣量的增加,液體體積、泵送及其他能耗將隨之升高,進(jìn)而增加生產(chǎn)成本。

充氣量在浮選動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的作用比較復(fù)雜,需考慮浮選速率、泡沫穩(wěn)定性、氣泡尺寸及分布、能耗及生產(chǎn)成本等諸多因素來(lái)確定適宜的充氣量。譚世國(guó)等[47]研究了攀西某選廠選鈦浮選機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性,結(jié)果表明,當(dāng)鈦粗掃選充氣量為0.16～0.51 m3/(m2·min)時(shí),直流槽浮選機(jī)空氣分散度明顯優(yōu)于吸漿槽浮選機(jī),為了提高浮選過(guò)程對(duì)空氣的利用效率,鈦鐵礦浮選流程應(yīng)在滿足流程需求的前提下,盡可能降低吸漿槽浮選機(jī)的使用數(shù)量。韓登峰等[48]經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),680 m3浮選機(jī)在帶礦運(yùn)行過(guò)程中的充氣量可以超過(guò)1.1 m3/(m2·min),能夠滿足一般硫化礦對(duì)大充氣量的生產(chǎn)需求。

2.3.5 攪拌轉(zhuǎn)速

攪拌轉(zhuǎn)速顯著影響氣泡與礦粒的碰撞概率。攪拌轉(zhuǎn)速的提高會(huì)對(duì)礦物表面化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響,如影響藥劑的吸附部位及數(shù)量、礦物表面電荷狀態(tài)及結(jié)構(gòu)等,進(jìn)而影響浮選效果。提高攪拌轉(zhuǎn)速可以改善顆粒分散度并使其分散均勻,對(duì)浮選有利,但攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致顆粒發(fā)生過(guò)多的碰撞與摩擦而劣化浮選效果。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高,藥劑消耗也相應(yīng)增加,加大了礦粒與氣泡分離的慣性力,對(duì)氣泡礦化不利,并導(dǎo)致礦漿向上紊流流速過(guò)大,引起礦漿表層“翻花”現(xiàn)象,破壞分選環(huán)境,影響分選效果[49]。藥劑濃度及配比應(yīng)與攪拌轉(zhuǎn)速相適應(yīng),在保證浮選效果的前提下盡量減少藥劑消耗。

攪拌轉(zhuǎn)速在浮選動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的作用比較復(fù)雜,需綜合考慮浮選速率、礦物表面化學(xué)性質(zhì)、顆粒分散度和藥劑消耗等情況選取適宜的攪拌轉(zhuǎn)速。張曉燕[50]研究了葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)不同密度級(jí)細(xì)粒煤浮選動(dòng)力學(xué)的影響,結(jié)果表明:隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大,精煤產(chǎn)率及可燃體回收率升高,灰分也有所上升;葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)大不利于細(xì)粒煤浮選,對(duì)于低密度級(jí)煤泥,葉輪轉(zhuǎn)速在800 r/min時(shí)浮選速率常數(shù)最佳;對(duì)于高密度級(jí)煤泥,葉輪轉(zhuǎn)速在600 r/min時(shí)浮選速率常數(shù)最佳。祁忠旭等[51]研究了攪拌強(qiáng)度對(duì)微細(xì)粒金礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)攪拌調(diào)漿能提高金礦物的浮選速率常數(shù),提出的強(qiáng)攪拌-浮選新工藝可顯著改善微細(xì)粒金礦的浮選指標(biāo)。

2.3.6 浮選時(shí)間

浮選時(shí)間對(duì)于浮選指標(biāo)的影響很大,其在很大程度上決定了單位時(shí)間內(nèi)所處理的礦量和浮選礦漿濃度,提高單位時(shí)間處理量或者降低礦漿濃度都會(huì)使浮選時(shí)間縮短。隨著浮選時(shí)間的增加,浮選速率降低,有用礦物回收率提高,但精礦品位下降[52]。有些礦物在浮選過(guò)程中很難被浮選或被抑制,通過(guò)延長(zhǎng)浮選時(shí)間,可以增加礦物與藥劑的接觸時(shí)間,提高浮選速率和準(zhǔn)確度。浮選藥劑是有選擇性的,各種藥劑作用時(shí)間也不相同,如有些藥劑僅在浮選前期使用。浮選時(shí)間越長(zhǎng),藥劑消耗量越大,所以需控制藥劑用量及濃度才能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)取得最佳的浮選效果。

浮選時(shí)間在浮選動(dòng)力學(xué)中的作用機(jī)理比較復(fù)雜,需綜合考慮選礦指標(biāo)、礦物類(lèi)型、藥劑組合和工藝條件等,才能確定合理的浮選時(shí)間,從而達(dá)到最佳的浮選效果。

2.3.7 浮選溫度

浮選溫度會(huì)顯著影響礦物浮選速率。浮選某些難浮的有色金屬氧化礦時(shí),為了促進(jìn)硫化鈉的硫化作用,需要對(duì)礦漿進(jìn)行升溫;而浮選非金屬礦時(shí),溫度的影響則更大;由于冬夏溫差過(guò)大,礦漿溫度差別很大,為了使浮選指標(biāo)不出現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng),礦漿溫度需要進(jìn)行嚴(yán)格控制[53]。浮選溫度顯著影響氣泡產(chǎn)生量、氣泡升力、氣泡表面張力及礦物與氣泡黏附性,進(jìn)而影響浮選速率。提高浮選溫度可使礦物表面化學(xué)性質(zhì)、藥劑吸附位置及程度、浮選藥劑穩(wěn)定性和活性等發(fā)生變化,藥劑消耗量也隨之改變。故必須對(duì)浮選溫度進(jìn)行科學(xué)控制,才能使浮選效果與生產(chǎn)成本取得最佳平衡。

賀寒冰等[54]研究了浮選溫度變化對(duì)方鉛礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響,結(jié)果表明,低溫下礦漿黏度增大,氣泡上升速度及氣泡與礦粒碰撞速率下降,低溫(5 ℃)時(shí)的最大回收率和浮選速率常數(shù)均小于常溫(20 ℃)。余俊等[55]研究了油酸和改性油酸對(duì)磷灰石浮選動(dòng)力學(xué)的影響,結(jié)果表明,改性油酸的浮選速率常數(shù)和最大回收率分別提高了29.45%和8.17%,當(dāng)溫度由55 ℃降至15 ℃時(shí),磷精礦品位和回收率僅分別降低1.48%和2.98%,可實(shí)現(xiàn)常溫正浮選。

2.3.8 超聲波處理

超聲波能促進(jìn)溶液中氣體的擴(kuò)散與釋放,有助于氣泡形成及尺寸控制,能夠破壞礦物表面氧化層,使活性位點(diǎn)暴露得更加明顯,有利于藥劑向礦物表面的傳遞和吸附,改善礦物表面化學(xué)性質(zhì),加快浮選速率,提高浮選精度,改善浮選效果[56];超聲波的空化作用使氣泡與顆粒充分接觸,減少了藥劑用量;超聲波能量密度大,可在較低的攪拌轉(zhuǎn)速下改善浮選效果,從而降低浮選能耗。

嚴(yán)文超等[57]研究了超聲波對(duì)黃鐵礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響,經(jīng)高頻超聲波作用后的黃鐵礦最大回收率顯著提高,浮選速率常數(shù)相差不大,超聲波主要通過(guò)對(duì)黃鐵礦表面的清洗作用,去除表面罩蓋的礦泥等脈石礦物,從而提高黃鐵礦的回收率。

2.3.9 磨礦介質(zhì)種類(lèi)

磨礦介質(zhì)種類(lèi)對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)的影響顯著。陶瓷球表面光潔、黏附性較弱,適用于難選礦物;高鉻鑄球具有較高的表面硬度,適用于難碎礦物;鑄鐵柱表面質(zhì)量差,容易產(chǎn)生細(xì)小顆粒,對(duì)粒度較細(xì)的礦物具有良好的適應(yīng)性。磨礦介質(zhì)破碎力越強(qiáng),磨礦時(shí)礦物粒度越細(xì),浮選效果就越好。選用破碎力較大的磨礦介質(zhì),有利于提高浮選速率。

選擇恰當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)種類(lèi)并合理控制加入量可改善浮選效果。江宏強(qiáng)[58]研究了不同磨礦介質(zhì)對(duì)黃鐵礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響,以陶瓷球作為研磨介質(zhì)能更好地改善黃鐵礦浮選效果。ZHANG等[59]研究了不同磨礦介質(zhì)對(duì)黃鐵礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響,顆粒尺寸和氫氧化鐵絡(luò)合物是浮選速率常數(shù)和浮選回收率的決定因素,10～120 μm的中間粒級(jí)是實(shí)現(xiàn)更高黃鐵礦回收率的最佳粒徑;經(jīng)納米陶瓷球磨礦的黃鐵礦獲得了更高的浮選回收率,這是由于黃鐵礦表面的氫氧化鐵絡(luò)合物數(shù)量較少。

2.3.10 磨礦方式

磨礦方式的選擇不僅決定了磨礦效率,而且影響著礦物顆粒的解離度、表面性質(zhì)及浮選溶液化學(xué)特性,同時(shí)也顯著影響礦物的浮選動(dòng)力學(xué)。高恩霞等[60]研究了磨礦方式對(duì)閃鋅礦和黃鐵礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)氧化速率、磨礦方式、粒度組成共同決定了閃鋅礦和黃鐵礦的浮選行為。黃鐵礦較閃鋅礦具有更高的氧化速率及更低的浮選回收率。濕磨產(chǎn)品較干磨更細(xì),有利于新生表面的暴露,促進(jìn)黃鐵礦的快速富集,但同時(shí)釋放了更多的Fe3+,降低了閃鋅礦的浮選速率。干磨產(chǎn)品粒度更大且顆粒表面粗糙度更高,使得閃鋅礦和黃鐵礦干磨后的最高浮選回收率較濕磨的高。

3 基于分選效率的浮選動(dòng)力學(xué)模型

由于浮選反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜多樣,現(xiàn)有浮選動(dòng)力學(xué)模型難以全面描述浮選過(guò)程,因而無(wú)法直接用于指導(dǎo)浮選工藝的設(shè)計(jì)及操作。鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司選礦廠開(kāi)展了混合磁選精礦反浮選,在浮選礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%、攪拌轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的條件下,得到的浮選精礦TFe品位、回收率和分選效率(Eh、Efs)見(jiàn)圖2。

圖2 赤鐵礦反浮選精礦品位、回收率和分選效率與浮選時(shí)間的關(guān)系曲線

1918年漢考克[61]提出了分選效率的判據(jù)公式:

(6)

1961年弗萊明等[61]也提出了分選效率的判據(jù)公式:

(7)

式中:Eh、Efs表示分選效率,%;ε表示回收率,%;γ表示產(chǎn)率,%;β表示精礦品位,%;βmax表示目的選別礦物的理論品位,%;α表示原礦品位,%。

由圖2可知,在反浮選過(guò)程中,浮選回收率并非隨著浮選時(shí)間的增加而升高,這與浮選動(dòng)力學(xué)模型提出的浮選回收率與浮選時(shí)間的關(guān)系不一致,而分選效率與浮選時(shí)間的關(guān)系與浮選動(dòng)力學(xué)模型提出的關(guān)系一致。因此有必要針對(duì)反浮選過(guò)程提出新的浮選動(dòng)力學(xué)模型?；谏鲜龇治?本文提出一種基于分選效率的浮選動(dòng)力學(xué)模型:

(8)

式中:E表示分選效率;t表示浮選時(shí)間;k表示浮選速率常數(shù);n表示反應(yīng)級(jí)數(shù),0≤n<6。

4 結(jié)語(yǔ)

a.影響礦物浮選動(dòng)力學(xué)的因素包括浮選給礦性質(zhì)(礦物晶體結(jié)構(gòu)、礦物顆粒尺寸和礦物顆粒形狀)、浮選設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)(浮選機(jī)結(jié)構(gòu)、浮選柱結(jié)構(gòu)和其他浮選設(shè)備結(jié)構(gòu))和浮選操作參數(shù)(浮選藥劑制度、礦漿濃度、礦漿pH、充氣量、攪拌速度、浮選時(shí)間、浮選溫度、超聲波處理、磨礦介質(zhì)種類(lèi)和磨礦方式等)。

b.增強(qiáng)浮選動(dòng)力學(xué)模型在各種礦物和各種因素浮選過(guò)程中的適應(yīng)性是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

c.為使浮選動(dòng)力學(xué)模型不斷得到優(yōu)化,將浮選給礦性質(zhì)、浮選設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和浮選操作參數(shù)相結(jié)合,在浮選動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上針對(duì)特定浮選給礦性質(zhì)的物料優(yōu)化浮選設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和浮選操作參數(shù),有助于提高礦物浮選效率。

d.為使浮選動(dòng)力學(xué)模型能夠更加全面地描述浮選過(guò)程,提出了一種基于分選效率的浮選動(dòng)力學(xué)模型。