文章编号：1004-0609(2015)08-2276-08
起泡剂MIBC和BK-201的浮选泡沫特性
曾 培，欧乐明，冯其明，李洪强，张福亚
(中南大学 资源加工与生物工程学院，长沙 410083)
摘 要：选用非极性基结构不同的起泡剂MIBC和BK-201，利用自制的泡沫性能测试系统，在两相泡沫体系下，测定两相泡沫不同高度处的气泡直径、静压强、表观溢流速度，研究起泡剂对泡沫特征及夹带的影响。结果表明：增加起泡剂浓度，气泡的兼并行为受到抑制，气泡直径逐渐减小；当MIBC浓度超过75 mg/L、BK-201浓度超过150 mg/L时，兼并行为受到显著抑制，气泡直径基本保持不变。在相同的浓度下，相比MIBC，BK-201产生的泡沫气泡直径大、含液率低、水回收速率低。因而，微细粒脉石在BK-201所形成泡沫中夹带更弱，浮选选择性更好。
关键词：起泡剂；泡沫柱；两相泡沫；泡沫特征；泡沫夹带
中图分类号：TD923 文献标志码：A
Froth characteristic of MIBC and BK-201 frothers
ZENG Pei, OU Le-ming, FENG Qi-ming, LI Hong-qiang, ZHANG Fu-ya
(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: By using self-designed foam property testing system, two nonpolar base structure frothers, MIBC and BK-201 were chosen to study the influences of frothers on the foam characteristic and entrainment by measuring the bubble diameter, static pressure and apparent flooding velocity in the two-phase foam. The results show that bubble merger degree reduces and air bubble diameter decreases with increasing frothers concentration. When the concentrations of MIBC and BK-201 are more than 75 and 150 mg/L, respectively, the air bubble diameter basically remains unchanged because the merger behavior is dramatically depressed. Under the same concentration, BK-201 generates larger diameter bubble, lower liquid holdup and lower water recovery compared with MIBC. As a result, the foam entrainment of fine gangue is weaker and the selectivity of flotation is better when BK-201 is used.
Key words: frother; froth column; two-phase foam; froth characteristic; froth entrainment
在微细粒矿物浮选过程中，亲水的脉石矿物机械夹带进入精矿中，导致精矿品位降低，成为微细粒矿物浮选过程中的一大难题[1-2]。机械夹带常分为以下几种方式：矿泥罩盖、颗粒连生、泡沫夹带以及夹杂[3]。其中，泡沫夹带指的是亲水的脉石矿物随浮选精矿泡沫中气泡平台区及液膜间的水上浮进入精矿槽。实际矿物浮选中，普遍存在泡沫夹带现象。在隐晶质石墨矿浮选中，脉石矿物的泡沫夹带大幅降低浮选的选择性[4]，在Au-Cu硫化矿[5]、微细粒闪锌矿[6]、碱金属矿石[7]的浮选中，脉石矿物的泡沫夹带同样显著降低精矿的品位。
大量研究表明，亲水脉石的泡沫夹带量与泡沫精矿中水的回收率呈线性关系[8]。LIVSHITS等[9]和JOWETT[10]是最早研究泡沫夹带的学者，结果表明脉石泡沫夹带回收率与精矿水回收率呈正比例关系，所以泡沫水回收率直接影响夹带程度。MELO等[11]认为脉石矿物的无选择性机械夹带与精矿中水的回收率密切相关。
等[12]通过研究天青石矿的浮选及夹带行为发现，增加捕收剂用量、缩短浮选时间可以减小夹带作用，提高浮选选择性。卢毅屏等[13]研究表明，矿物颗粒越细，矿浆浓度越大，泡沫水量越多，脉石的夹带越严重。
泡沫特性对脉石矿物的泡沫夹带影响显著[14]。泡沫特性包括气泡大小、泡沫含液率和泡沫均一性等。试验表明，影响泡沫特性的因素很多，包括起泡剂的种类及用量，颗粒尺寸及形状，捕收剂种类及用量等[15]。脉石回收率与泡沫特征的一般原则如下：泡沫中水含量越高，脉石夹带越严重。
目前，对泡沫夹带的研究工作已取得一定成果，但对于浮选过程中泡沫的微观结构及其特性对夹带行为的影响还缺乏细致研究。因此，本文作者利用泡沫性能测试系统(泡沫柱)，测定了气泡的直径、泡沫的静压强、泡沫柱表观溢流速度，通过多项式拟合确定压强与高度的关系表达式，计算出不同高度层泡沫的含液率。研究两相体系下不同非极性基结构的醇类起泡剂的泡沫特征，为实际矿石浮选时控制脉石矿物的泡沫夹带和提高精矿品位提供理论参考。
1 实验
1.1 试验装置
泡沫柱工作系统。将半径为150 mm的2.0 L搅拌槽通过一个锥型的过渡件与直径为50 mm的玻璃柱相连。下部的搅拌槽由有机玻璃制成，而上部的泡沫柱子由普通石英玻璃制成，可以防止泡沫牢牢粘在内壁干扰检测。利用氮气作为气源，氮气通过砂芯进入搅拌槽底部而产生气泡，通过矿浆循环装置使溢流泡沫重新进入泡沫柱实现循环工作。
1.2 试验方法
1.2.1 表面张力测定
本实验中选取了两种烃链结构的醇类起泡剂。一种为带支链的醇类起泡剂甲基异丁基甲醇，即MIBC；另一种为八碳的高级脂肪醇及有机含氧化合物BK-201，脂肪醇含量超过60%，其疏水碳链较MIBC更长[16]。当气泡集合在一起形成泡沫，其结构随着时间延长发生演变和变形，并产生排液作用[17]。
图1 泡沫性能测试系统示意图
Fig. 1 Schematic diagram of laboratory equipment arrangement (Unit: mm)
起泡剂溶液表面张力的测定采用法国GBX公司生产的MiniLab ILMS表面张力综合测试系统。使用Wilhlmy铂吊片法测定不同起泡剂在不同浓度下的表面张力，每次固定待测溶液体积为30 mL，于玻璃器皿中配置不同浓度的MIBC、BK-201水溶液，重复测量3次取平均值。
1.2.2 泡沫性能测试
利用泡沫性能测试系统，测定两相泡沫的静压强、气泡直径、泡沫柱溢流流量，研究MIBC和BK-201在不同浓度下的泡沫特性，对比两种起泡剂的夹带特性。
静压强测定。将压强探测管伸入某一泡沫层高度处，打开气泵，并调节大小，使气体刚好能平稳地冒出探测管管口，读取压强计示数。依据连通器原理，气管内各处压强相同，从而测定的压强即为此高度处的静压强。
气泡直径的测定。用可上下自由移动的佳能550D数码相机拍摄靠近玻璃壁上的气泡，通过专业图像分析软件Image-Pro Plus Version 6.0处理气泡照片，测量出气泡的尺寸。
泡沫柱溢流流量。用量筒测量出单位时间内泡沫柱顶部的溢流水体积，即可求得泡沫层顶部的溢流流量。
为便于考察起泡剂的浓度对泡沫特征的影响，试验过程中将泡沫层的厚度固定为0.29 m，充气量固定在190 L/h。
1.3 两相泡沫含液率的计算方法
含液率εl是通过泡沫某处的静压强计算而来，静压强与某处的泡沫含液率计算公式推导如下：对于一个厚度为Δh的泡沫层，在高度h处受到的压强为p，则h+Δh处受到的压强为p-Δp，Δp源于厚度为Δh的泡沫层受重力作用而产生的压强，即
(1)
(2)
忽略气泡中空气的质量，则
(3)
式中：
为泡沫层密度；ε1为含液率；
为水密度。
规定h的方向向上为正，则：
(4)
图2 泡沫柱内部泡沫层受力分析
Fig. 2 Force analysis of foam layer in foam column
即某泡沫高度处的含液率可以通过对该处的静压强求导而得出。
2 结果与讨论
2.1 起泡剂对溶液表面张力的影响
测定了MIBC、BK-201对溶液表面张力的影响，其结果如图3所示。
从图3可知，BK-201的表面活性高于MIBC的。根据降低溶液表面张力能力的大小，可以明显地观察出这两种起泡剂性质差异：1) MIBC降低溶液表面张力的能力较弱，且随着其浓度的增大，表面张力变化很小；2) 随着起泡剂BK-201浓度的增大，溶液表面张力显著下降。BK-201中脂肪醇含有较长的支链疏水基团，分子中的粘结力低，更能降低水的表面张力[18]。
2.2 起泡剂对泡沫特性的影响
2.2.1 起泡剂对气泡直径的影响
起泡剂的浓度对气泡直径有很大的影响。随着BK-201和MIBC浓度的提高，溶液表面张力降低(见图3)，气泡的液膜强度提高，液相中气泡间的兼并速率降低，从而有效控制了气泡直径的增大[19]。CHO等[20]的研究表明，每种起泡剂存在一个临界兼并浓度(cc)，当起泡剂的浓度低于cc时，气泡直径随起泡剂浓度的增加而减小；当起泡剂浓度超过cc时，气泡间的兼并将很难发生，继续增加起泡剂浓度，气泡直径保持不变[21]。图4所示为BK-201浓度对气泡直径的影响。图5所示为MIBC浓度对气泡直径的影响。由图4和5可知，BK-201的临界兼并浓度为150 mg/L，MIBC的临界兼并浓度是75 mg/L。
图3 MIBC与BK-201浓度对溶液表面张力的影响
Fig. 3 Effect of MIBC and BK-201 concentrations on solution surface tension
图4 不同泡沫高度下BK-201浓度对气泡直径的影响
Pig. 4 Effect of BK-201 concentration on bubble diameter under different foam heights
图5 不同泡沫高度下MIBC浓度对气泡直径的影响
Pig. 5 Effect of MIBC concentration on bubble diameter under different foam heights
在泡沫随着上升的气流而向上运动过程中，泡沫层中自发进行了两个过程：1) 奥斯特瓦尔德陈化(Ostwald ripening)，即泡沫中气泡直径差异产生曲面压力差，导致气体从高拉普拉斯压力的小气泡中扩散到低拉普拉斯压力的大气泡中，大气泡持续变大而小气泡逐渐减小直至消失；2) 气泡的兼并，即气泡液膜、泡沫平台区及顶点处的液体因重力作用而排液，导致气泡膜逐渐变薄，当气泡间液膜的含液率低于临界含液率时，受到外力作用，气泡膜便发生破裂，两个小气泡兼并为一个大气泡。以上两个过程导致气泡的平均直径随停留时间的延长而增大，因而，随着高度的提高，泡沫停留时间延长，泡沫中气泡群平均直径逐渐增大。当BK-201浓度为37 mg/L时，气泡直径从高处0 m处的0.93 mm增大到高度0.08 m处的1.00 mm；高度0.17m处，气泡直径进一步增大到1.08 mm，当到达最高点0.29 m处时，气泡直径为1.16 mm。
BK-201非极性基的结构与MIBC的不同，BK-201的表面活性强于MIBC的，其所形成的泡沫特征也很不一样。可以直观地对比75 mg/L下，MIBC和BK-201在高度h=0 m的泡沫照片，两种起泡剂产生泡沫的气泡直径大小如图6所示。
与BK-201相比，MIBC所形成的气泡直径更小，在相同的药剂浓度75 mg/L下，在泡沫层高度为0 m处，MIBC的气泡直径为0.757 mm，而BK-201的气泡直径为0.913 mm。在其他各泡沫层高度下，MIBC的气泡直径也明显小于BK-201的气泡直径。气泡直径越小，气泡大小就会越均匀，气泡会更加紧密的堆积在一起，阻碍泡沫的排液，从而使泡沫含液率更 高[15]。
2.2.2 起泡剂对泡沫含液率的影响
1) BK-201浓度对泡沫含液率的影响
利用数字式微压计测定各高度处泡沫的静压强，对压强曲线进行二阶多项式拟合y=A+B1h+B2h2。式中：A、B1、B2均为参数。对拟合的曲线一阶求导，便可得到泡沫含液率与泡沫高度的关系函数。
以BK-201为起泡剂，研究其浓度对泡沫含液率的影响。泡沫静压强随浓度的变化规律如图7所示。
由图7可知，随着BK-201浓度的提高，泡沫的静压强逐步增大，表明泡沫含液率与BK-201的浓度呈正相关关系。
图6 高度为0时MIBC与BK-201气泡直径的比较
Fig. 6 Comparison of bubble diameter of MIBC and BK-201 at height of 0
图7 不同BK-201浓度下泡沫高度与泡沫静压强的关系
Fig. 7 Relationship between foam static pressure and foam height at different BK-201 concentrations
表1所列为不同起泡剂浓度下泡沫静压强与泡沫层高度的多项式拟合结果相关性系数是指实际曲线与该二次曲线模型的相关性，能代表静压强与泡沫层高度之间的变化规律。对压强与泡沫层高度多项式一阶求导，其结果见表2，得到的含液率(
)随泡沫层高度的变化如式(5)所示：
(5)
式中：a为0 m高度处(泡沫/溶液界面处)的泡沫含液率；b的大小与泡沫的排液性能有关，b的绝对值越大，随高度的上升泡沫含液率下降得越快。将含液率随泡沫层高度变化的函数作图，得到泡沫含液率随泡沫层高度变化的曲线图，如图8所示。
表1 使用BK-201起泡剂时泡沫静压强与泡沫层高度的多项式拟合结果
Table 1 Polynomial fitting results of foam static pressure and height using BK-201 as frother
图8 不同BK-201浓度时泡沫高度对泡沫含液率的影响
Fig. 8 Effect of foam height on foam liquid holdup at different BK-201 concentrations
表2 使用BK-201起泡剂时泡沫含液率与泡沫层高度关系线性拟合结果
Table 2 Linear fitting results of relationship between foam liquid holdup and height using BK-201 as frother
由图8及表2可知，泡沫的含液率随起泡剂浓度增大而增大，在泡沫/液体界面处，BK-201的浓度分别为37、75、112、150和300 mg/L时，泡沫的含液率为含液率函数的截距，分别为0.400、0.413、0.427、0.434和0.434。起泡剂浓度的提高，泡沫含液率的降低幅度(斜率的绝对值)减缓，从1.073逐渐降低到0.763。相应地，泡沫顶部的含液率分别降低到0.100、0.1005、0.1823、0.1952及0.2204。
2) MIBC浓度对泡沫含液率的影响
当起泡剂为MIBC时，测定各泡沫层高度下的静压强，得到含液率随MIBC浓度的变化规律。含液率与泡沫层高度关系拟合结果见表3和图9。
表3 泡沫含液率与泡沫层高度关系拟合结果(MIBC)
Table 3 Relationship between foam liquid holdup and height of linear fitting (MIBC)
图9 不同MIBC浓度下泡沫高度对泡沫含液率的影响
Fig. 9 Effect of foam height on foam liquid holdup at different MIBC concentrations
与BK-201类似，MIBC泡沫的含液率随起泡剂浓度增大而增大。当MIBC的浓度从37 mg/L增大到94 mg/L时，泡沫高度0 m处，泡沫的含液率从0.489增大到0.588； MIBC的泡沫含液率函数斜率的绝对值却逐渐增大，从0.993逐渐增大到1.262，相应地，泡沫顶部的含液率差别变小，仅从0.211增大到0.250。
3) BK-201和MIBC含液率的对比
图10所示为起泡剂浓度均为75 mg/L时两种起泡剂产生的泡沫含液率的对比。很明显地，BK-201所产生的气泡含液率显著低于MIBC的。泡沫高度0 m处，两种起泡剂泡沫的含液率分别为0.44和0.57；在泡沫层顶部，含液率分别为0.10和0.22。
图10 起泡剂MIBC与BK-201浓度为75 mg/L时泡沫高度对泡沫含液率的影响对比
Fig. 10 Comparison of effect of foam height on foam liquid holdup at MIBC and BK-201 frothers of 75 mg/L
2.3 起泡剂对泡沫夹带的影响
对于微细粒脉石矿物，质量小，可假定在泡沫层中脉石与液体无相对运动。因而，脉石在泡沫层中的质量分数w与矿浆中一致，脉石的夹带回收速率Rg(t)符合式(6)：
(6)
式中：Rg(t)为脉石的夹带回收速率；
为泡沫层顶部的表观溢流流速，即泡沫柱的水回收速率。本实验中所使用泡沫柱的最大高度hmax为0.29m，0.29m处的净表观溢流流速即为；
为泡沫层顶部的表观气流速度；εmax为泡沫层顶部的含液率。
图11所示为起泡剂对泡沫表观溢流速度的影响。由图11可知，试验浓度范围，在相同的浓度下，BK-201产生泡沫的表观溢流速度要低于MIBC的，即使用BK-201时，泡沫柱的水回收速率小于MIBC的。当固体质量分数固定时，决定脉石的夹带回收速率Rg(t)。因而，使用BK-201时，脉石的泡沫夹带更弱。
图11 起泡剂浓度对泡沫表观溢流速度的影响
Fig. 11 Effect of frothers on floth apparent flooding velocity
3 结论
1) 在同一浓度下，表面活性更强的起泡剂BK-201所产生的气泡直径明显大于MIBC的。起泡剂BK-201的气泡临界兼并浓度为150 mg/L，MIBC的气泡临界兼并浓度为75 mg/L。当起泡剂浓度低于气泡临界兼并浓度时，起泡剂浓度越高，气泡的兼并速度越小，气泡直径减小；当起泡剂浓度高于临界兼并浓度时，兼并作用非常弱，气泡直径基本不变。
2) 在水-气两相体系中，泡沫的含液率随起泡剂浓度增加而增大。BK-201所产生的泡沫含液率显著 低于MIBC的，其水回收速率也低。
3) 在相同起泡剂用量条件下，微细粒脉石在BK-201所形成的泡沫中夹带更弱，浮选选择性更好。
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(编辑 龙怀中)
基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB643402)
收稿日期：2014-11-25；修订日期：2015-01-22
通信作者：欧乐明，教授，博士；电话：0731-88830913；E-mail: olm@ csu.edu.cn
