浮選過程中氣-液界面特性研究進(jìn)展

王市委 ，石開儀 ，李遠(yuǎn) ，陶秀祥

（1.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州省煤炭潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 六盤水 553004；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.貴州省煤炭產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，貴州 六盤水 553004）

礦物浮選技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要基于不同礦物表面間的親疏水性的差異。換而言之，表面疏水強(qiáng)的顆粒將粘附氣泡，上浮成為浮選精礦；而表面疏水性差或親水強(qiáng)的顆粒則留在了浮選礦漿中成為了浮選尾礦[1]。為了增加礦物表面親疏水性差異，浮選過程中需要加入一定量的浮選藥劑[2-4]。加入的浮選藥劑一類吸附在固-氣界面，被稱為捕收劑[5]；另一類吸附在氣-液界面，所謂的起泡劑[6]。起泡劑的作用不僅是調(diào)節(jié)氣泡的尺寸及運(yùn)動(dòng)速度，還起到防止氣泡兼并及維持其穩(wěn)定性的作用[7-8]，從而改善浮選環(huán)節(jié)，提高目的礦物回收率[9]。氣泡劑的添加在降低氣泡尺寸的同時(shí)，也減小的氣-液界面張力，從而使氣泡保持分散狀態(tài)，進(jìn)而防止其兼并生產(chǎn)氣絮團(tuán)，降低浮選礦化效率[10]。浮選過程中隨著起泡劑用量的不斷增加，氣泡尺寸不斷減小，但當(dāng)起泡劑添加量達(dá)到臨界濃度（CCC）時(shí)，氣泡尺寸不再產(chǎn)生變化，同時(shí)氣泡團(tuán)聚現(xiàn)象徹底消失[10]。

在表面活性劑研究的科學(xué)范疇，起泡劑的界面活性及其在復(fù)雜的多相浮選體系中的功能和作用具有一定的獨(dú)特性，并且礦物浮選過程所需的時(shí)間尺度短，很難達(dá)到靜態(tài)膠體體系或動(dòng)態(tài)熱力學(xué)平衡過程。因此，我們需進(jìn)一步探索起泡劑在氣-液界面上的相互作用機(jī)理及其產(chǎn)生的浮選效果差異性機(jī)制。本文旨在總結(jié)和評(píng)論近年來研究者在氣-液界面特性所做的研究成果及氣-液界面物理或化學(xué)特性的相關(guān)測(cè)試技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展。

1 氣-液界面電位研究進(jìn)展

目前，在微細(xì)粒浮選中，對(duì)氣泡性質(zhì)的研究多集中在其尺寸和水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)上，而對(duì)于其表面電動(dòng)電位對(duì)浮選效果的影響尚缺乏研究。浮選過程中，不僅顆粒浮選效率受氣泡表面電位影響，其表面潤(rùn)濕行為也受氣泡表面電位的影響[11]。Graciaa 等[12]通過沿水平軸不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的電泳裝置測(cè)量了氣泡在去離子水中的表面電位為-65 mV。Yang 等[13]通過微電泳法測(cè)量了氣泡表面電位，研究結(jié)果表明，在一定pH 值下，氣泡表面電位不僅受電解質(zhì)濃度的影響，還受溶液中金屬離子類型的影響。Liu 等[14]研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑對(duì)油泡表面電動(dòng)行為的影響取決于表面活性劑分子的類型、濃度和電離程度；隨著十二胺鹽酸鹽濃度的變化，油泡表面的Zeta 電位由負(fù)到正，同時(shí)油泡的等電點(diǎn)（IEP）也發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變。Saulnier 等[15]研究表明，在表面活性劑溶液中，氣泡表面達(dá)到平衡電位需要一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間主要取決于表面活性劑溶液濃度與其臨界膠束濃度之間差距，在不同濃度的表面活性劑溶液中，氣泡表面達(dá)到平衡電位所需時(shí)間的差異反映了活性劑分子在氣泡表面吸附動(dòng)力學(xué)和飽和程度的差異。

Elmahdy 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，非離子型起泡劑的濃度和種類會(huì)對(duì)氣泡表面的電動(dòng)電位產(chǎn)生很小的影響，而氣泡尺度對(duì)其表面電位影響很大。同時(shí)，Bueno-Tokunaga 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)捕收劑的種類和用量不同，對(duì)氣泡表面的電位影響不同，然而相比較捕收劑，起泡劑對(duì)氣泡表面電位的影響并不大；當(dāng)捕收劑和起泡劑用量一定時(shí)，在酸性或堿性條件下，氣泡的尺寸會(huì)減小，而氣泡尺寸的變化會(huì)影響其表面電位情況。研究者對(duì)不同溶液環(huán)境下，氣泡表面的電動(dòng)電位的分布范圍也進(jìn)行了相關(guān)研究。通過超聲波技術(shù)產(chǎn)生的納米泡，其表面的電位在溶液臨界膠束濃度附近發(fā)生顯著變化；在低濃度的表面活性劑溶液中，氣泡表面電位隨濃度的增加而呈現(xiàn)線性增加；而在高濃度溶液范圍內(nèi)其表面電位不發(fā)生變化[18]。Ushikubo 等[19]研究了不同氣體類型在水中形成的氣泡的表面電位，研究表明，不同氣體形成的氣泡的表面負(fù)電位具有不同的范圍，其絕對(duì)值范圍如下：34～45 mV（O2）、17～20 mV（空氣）、29～35 mV（N2）、20～27 mV（CO2）以及11～22 mV（Xe）；同時(shí)不同氣體形成的氣泡具有不同的外形和穩(wěn)定性。

Wu 等[20]通過測(cè)試油砂顆粒、氣泡及二者混合后的電位分布來判斷油砂顆粒與氣泡的粘附程度。與上述方法相似，Kusuma 等[21]通過研究目標(biāo)礦物（即鎳黃鐵礦）、脈石礦物（如蛇紋石、橄欖石、鎂鋁）及二者混合后在水溶液中的電位分布來判斷兩種顆粒的粘附程度，并通過原子力顯微鏡（AFM）測(cè)試二者之間相互作用，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)Zeta 電位分布情況和AFM 力測(cè)量結(jié)果吻合較好。因此，通過研究礦物表面電荷性質(zhì)及礦物顆粒間的相互作用，可以獲得目標(biāo)礦物和脈石礦物相互作用機(jī)制[22]。然而，上述氣-液界面表面電位測(cè)試并沒有闡明氣泡表面流動(dòng)狀態(tài)對(duì)其表面電位的影響；同時(shí)，上述氣泡表面電位對(duì)礦物浮選效果的影響分析未結(jié)合疏水作用力，因而具有一定的片面性。

2 氣-液界面張力研究進(jìn)展

浮選過程中為了提高目標(biāo)礦物的選擇性和回收率，通常會(huì)添加無機(jī)藥劑或有機(jī)藥劑（表面活性劑）。表面活性劑（起泡劑或捕收劑）在氣-水界面吸附會(huì)產(chǎn)生如下效果：1）減小了氣泡尺寸，使其比表面積得到增加，提高了顆粒與其碰撞效率，同時(shí)可以防止氣泡產(chǎn)生團(tuán)聚；2）減小氣泡上升速度及表面流動(dòng)性；3）增加了浮選精礦泡沫的穩(wěn)定性。這些表面活性劑的添加會(huì)影響氣-水界面和固液-界面的性質(zhì)，最終影響到礦粒與氣泡的相互作用。因此，研究表面活性劑在氣泡表面上的吸附至關(guān)重要。表面活性劑在氣泡表面的動(dòng)態(tài)吸附通常采用Langmuir 吸附等溫線對(duì)其吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模。吸附過程中，氣泡表面張力的變化，主要通過懸垂氣泡張力計(jì)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過程中，氣泡在玻璃毛細(xì)管端生成，隨著氣泡半徑的增加，毛細(xì)管內(nèi)的壓力也隨之變化，同時(shí)在氣泡周圍的液體中產(chǎn)生相應(yīng)的速度場(chǎng)。為了建立描述該過程的模型，通常作以下假設(shè)[23]：1）液體是粘度為常數(shù)的不可壓縮牛頓流體；2）界面流體滿足線性Boussinesq 模型；3）界面擴(kuò)展時(shí)，界面吸附不影響界面法向速度的連續(xù)；4）氣泡在生成過程中保持徑向流。

Wang 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣泡輪廓的增大，氣泡動(dòng)態(tài)表面性質(zhì)表現(xiàn)為：氣泡表面擴(kuò)展引起的表面活性劑濃度的稀釋作用大于因表面活性劑從主體向表面?zhèn)鬟f所引起的增濃作用；氣泡表面的濃度不能達(dá)到平衡濃度，且還可能存在由于表面擴(kuò)展而產(chǎn)生表面粘性效應(yīng)。Phan 等[25]研究表明，起泡劑甲氧基聚丙烯乙二醇（Dowfroth 250）在氣泡表面的動(dòng)態(tài)吸附速率要遠(yuǎn)小于十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）在氣泡表面的吸附。Nguyen 等[26]的研究結(jié)果表明，微米級(jí)尺寸對(duì)氣泡表面的動(dòng)態(tài)張力影響很大，而浮選過程中毫米級(jí)尺寸對(duì)氣泡表面的動(dòng)態(tài)張力影響很小。Basa?ová等[27]通過對(duì)氣泡表面動(dòng)態(tài)張力的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，表面活性中的雜質(zhì)成分能顯著降低氣泡動(dòng)態(tài)表面張力并抑制氣泡與礦物表面粘附及鋪展速率。同時(shí)，Basa?ová等[28]還發(fā)現(xiàn)具有較短親疏水鏈的表面活性劑能及時(shí)的完成氣-液界面交換，因此，其能快速的降低氣泡表面動(dòng)態(tài)張力并且不阻礙氣泡在礦物表面的鋪展速率。Liu 等[29]研究了在十二烷胺溶液中，氣泡尺寸及其表面張力受沉淀物生成影響的變化過程。

Le 等[30]研究了捕收劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和起泡劑甲基異丁基甲醇（MIBC）在氣液界面的協(xié)同吸附作用，實(shí)驗(yàn)表明捕收劑和起泡劑的協(xié)同吸附作用增加了氣-液界面張力，這種現(xiàn)象不能用現(xiàn)有的吸附模型進(jìn)行解釋。Salamah等[31]提出了只含有一個(gè)參數(shù)變量的吸附模型并且捕收劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）在氣液界面的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型吻合度很高?；诩妓刮降葴啬Ｐ停琋guyen 等[23]采用了新的吸附模型對(duì)N-烷基叔胺在氣-液界面的吸附過程進(jìn)行了擬合，并采用了郎繆吸附模型對(duì)烷基三甲基溴化銨在氣泡表面吸附過程進(jìn)行了擬合并獲得了較好效果。George 等[32]進(jìn)行的陽離子和陰離子表面活性劑濃度吸附實(shí)驗(yàn)表明，溶液表面張力的降低導(dǎo)致氣泡表面穩(wěn)定的水化膜較厚并導(dǎo)致氣泡表面從疏水到親水表面轉(zhuǎn)變。Nguyen 和Phan[33]研究了氣泡表面溫度梯度對(duì)其局部表面張力及表面流動(dòng)性的影響。上述氣-液界面張力研究過程僅基于毛細(xì)管端部生產(chǎn)的單氣泡，并未與實(shí)際復(fù)雜的浮選體系建立起聯(lián)系；同時(shí)，尚未建立氣-液界面張力變化、氣-液界面流動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際礦物浮選效果間的相關(guān)關(guān)系。

3 氣-液界面吸附特性研究

在浮選過程中，由于介質(zhì)粘性阻力的影響，上升氣泡的上半部和下半部的表面流體力學(xué)性質(zhì)和表面活性劑濃度分布情況是不同的，會(huì)受到雷諾數(shù)、馬朗格尼參數(shù)及動(dòng)力吸附層的影響。氣泡表面由于張力梯度會(huì)產(chǎn)生Marangoni 流動(dòng)，這種流動(dòng)會(huì)對(duì)吸附在氣泡表面顆粒的流動(dòng)方向和速率產(chǎn)生一定影響[34]。同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)氣泡表面活性劑吸附層濃度的非均勻分布會(huì)影響到氣泡的穩(wěn)定性、排液速率以及壽命[35]。氣泡性質(zhì)主要取決于氣泡表面動(dòng)態(tài)吸附層的性質(zhì)，因此，氣泡表面吸附層性質(zhì)的測(cè)定和分析能很好的反映三相周邊形成過程[36]。Warszyński 等[37]通過一種簡(jiǎn)易裝置來證明氣泡表面的活性劑吸附層在上升的過程中處于非平衡態(tài)，氣泡到達(dá)氣液界面時(shí)，其頂部薄化破裂的速度要快于初始態(tài)的氣泡。

大量理論研究證明，浮選過程中氣泡在浮力的作用下，氣泡尾部活性劑濃度要大于吸附平衡濃度，而氣泡上部活性劑濃度要小于吸附平衡濃度[38]。Jachimska 等[38]研究發(fā)現(xiàn)在正丁醇溶液中，氣泡自由表面距離氣泡形成點(diǎn)較遠(yuǎn)（L=39.5 cm）時(shí)，其平均壽命比位于較近（L=4 cm）形成點(diǎn)氣泡的壽命要短。同時(shí)，Krzan 和Malysa[39]研究了氣泡在起泡劑正構(gòu)醇、正丁醇、正已醇及壬醇溶液中的速度分布情況，氣泡速度分布結(jié)果如前所述。同時(shí)，在表面活性劑溶液中添加電解質(zhì)也會(huì)影響到氣泡的速度分布情況。Kowalczuk 等[40]研究表明隨著正辛醇、α-萜品醇和N-辛基-三甲基溴化銨溶液濃度的增加，氣泡在粗糙的疏水性表面上的鋪展時(shí)間逐漸增加；同時(shí)，浮選速率常數(shù)也由0.8 s-1降到了0.01 s-1。

Zawala 等[41]研究了在水溶液中氣泡尺寸、形狀及碰撞速度對(duì)其在氣-液界面聚結(jié)時(shí)間的影響。Kosior 等[42]研究發(fā)現(xiàn)低濃度的α-樟腦油和正辛醇溶液能夠縮短氣泡在疏水表的鋪展時(shí)間，而在高濃度溶液中，氣泡在固體表面的鋪展行為會(huì)被抑制。Kowalczuk 等[43]研究發(fā)現(xiàn)在己胺溶液中氣泡在云母表面的鋪展時(shí)間不僅受溶液濃度的影響，還受溶液pH 值的影響。上述氣-液界面吸附特性研究?jī)H基于單個(gè)上升氣泡的表面吸附特性，并未與復(fù)雜的浮選泡沫環(huán)境建立起相關(guān)聯(lián)系；同時(shí)，對(duì)多相浮選體系氣泡間的協(xié)調(diào)作用尚未開展相關(guān)研究。

4 氣-液界面張力及輪廓分析技術(shù)

研究氣-液界面吸附特性最常用的是氣-液界面張力測(cè)量技術(shù)，通常為威廉姆板或杜努伊環(huán)法[44]。由于浮選過程中起泡劑的用量低，并且一些大分子的氣泡劑在溶液中的彌散速度慢，故平衡界面張力及氣液界面吸附動(dòng)力學(xué)過程可通過氣液界面輪廓-張力分析法，其中氣-液界面可以通過懸垂液滴法或浸沒氣泡法形成[45]。液界面輪廓-張力分析法通過分析氣-液界面隨時(shí)間變化而變化的形狀，進(jìn)而通過楊氏-拉普拉斯方程解析出氣-液界面張力變化及吸附量變換過程[46]。

通過懸垂液滴-氣泡輪廓提取法測(cè)試甲基環(huán)己烷甲醇（MCHM）表面活性作為無捕收劑性能起泡劑的可能性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MCHM 分子比甲基異丁基甲醇（MIBC）占據(jù)更大的表面積，并且具有更高的表面活性功能[47]。起泡劑和抑制劑在氣-液界面協(xié)同吸附作用對(duì)界面張力影響的研究表明，與純的Dowfroth 200 溶液相比，Dowfroth 200和兩種不同的抑制劑（Stypress 504 和Depramin 267）混合溶液中的氣-液界面張力較低[48]。Dowfroth 250 和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）在氣-液界面的吸附動(dòng)力學(xué)研究表明：通過擴(kuò)散控制-吸附模型和動(dòng)力學(xué)控制-吸附模型擬合的結(jié)果可知，擴(kuò)散控制-吸附模型能很好地解釋SDBS 在氣-液界面的吸附動(dòng)力學(xué)；由于Dowfroth 250 在氣-液界面的吸附-彌散速率非常慢，只有動(dòng)力學(xué)控制-吸附模型可以描述其在氣-液界面的吸附動(dòng)力學(xué)過程[49]。

5 結(jié)論與展望

目前，通過現(xiàn)有先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)可以表征氣-液界面動(dòng)態(tài)吸附和氣泡表面特征。同時(shí)，現(xiàn)有分析測(cè)試系統(tǒng)可表征一種或兩種混合表面活性劑的氣-液界面吸附情況。浮選過程中，分子量大的聚合類抑制劑不會(huì)吸附在氣-液界面，但當(dāng)起泡劑已經(jīng)吸附在氣-液界面時(shí)，浮選系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生抑制劑-氣泡劑在氣-液界面的共同吸附現(xiàn)象。如何將上述共同吸附現(xiàn)象與浮選結(jié)果先關(guān)聯(lián)是未來研究的重點(diǎn)，也是基礎(chǔ)膠體和界面科學(xué)與礦業(yè)行業(yè)應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的橋梁。只有上述關(guān)聯(lián)的建立，研究人員才能選擇合理的藥劑及實(shí)現(xiàn)新藥劑的設(shè)計(jì)/合成。同時(shí)，進(jìn)一步建立氣-液界面特性與氣泡-礦物顆粒礦化過程間的關(guān)聯(lián)也至關(guān)重要。盡管單個(gè)氣泡表面特性的研究成果對(duì)礦物浮選提供了一定的理論指導(dǎo)意義，但氣-液界面性質(zhì)的改變對(duì)浮選泡沫性質(zhì)和穩(wěn)定性的影響研究同樣至關(guān)重要。此外，傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)測(cè)試泡沫性質(zhì)和穩(wěn)定性的過程中未包含顆粒粘附現(xiàn)象，故偏離情況始終存在。起泡劑類型的選擇如何影響氣泡-顆粒碰撞、氣泡-顆粒間水化薄膜薄化和破裂，以及對(duì)礦物顆粒表面去潤(rùn)濕的影響，尚未得到令人滿意的結(jié)果。因此，未來上述研究?jī)?nèi)容至關(guān)重要，因其提供了氣泡-顆粒碰撞前的氣-液界面特性信息，同時(shí)對(duì)于浮選效果優(yōu)化具有重要理論指導(dǎo)意義。