DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.08.003

绿泥石颗粒效应对泡沫稳定性的影响

付亚峰，印万忠，姚金，杨斌

(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳，110819)

摘要：利用改进的Hallimond管，以甲基异丁基甲醇(MIBC)为起泡剂，研究起泡剂质量浓度、绿泥石质量分数以及粒度对泡沫稳定性的影响；基于Plateau泡沫结构理论分析矿浆性质对泡沫稳定性的影响，研究泡沫稳定性对绿泥石夹带行为的影响。研究结果表明：随着MIBC质量浓度增加，液体表面张力降低，导致气泡间Plateau通道内排液速率降低，泡沫稳定性增强；绿泥石质量分数越大，颗粒粒度越小，则矿浆黏度越大，泡沫最大高度及半衰期越大，泡沫的无选择性夹带行为越显著。

关键词：绿泥石；颗粒效应；泡沫稳定性；浮选；夹带行为

中图分类号：TD923             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)08-1857-06

Study on stability of flotation foam influenced by particle effect of chlorite

FU Yafeng, YIN Wanzhong, YAO Jin, YANG Bin

(School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Abstract: The effects of foaming agent mass concentration, chlorite mass fraction and particle size on stability of flotation foam were studied by using an improved Hallimond tube, with methyl isobutyl carbinol (MIBC) as the foaming agent. Based on the theory of Plateau foam structure, influence of pulp properties on foam stability was analyzed, and effect of foam stability on entrainment rate of chlorite flotation was studied. The results show that with the increase of MIBC mass concentration, the surface tension of the liquid decreases, which leads to the decrease of foam drainage velocity and increase of foam stability. The larger the mass fraction of chlorites, the finer the particle size is, which leads to greater pulp viscosity, higher height of flotation foam layer and longer half-life of the foam, resulting in more serious non-selective entrainment of the foam.

Key words: chlorite; particle effect; foam stability; flotation; entrainment behavior

浮选是利用不同矿物颗粒表面物理化学性质的差异，将目的矿物选择性黏附于气泡表面，进而使之与脉石矿物分离的选矿方法。在该工艺中，气泡既是矿物与捕收剂作用后的选择性吸附界面，也是携带疏水性矿物颗粒上浮并最终聚集成矿化泡沫层的载体，因此，泡沫的稳定程度对浮选精矿指标有重要影响。目前，人们针对浮选过程中泡沫稳定性的研究主要集中在液相性质对泡沫稳定性的影响，如溶液表面张力^[1-6]、液相黏度^[7-8]、浮选溶液的化学环境^[9-11]及液相温度、气压、pH^[12-13]等，而有关矿物的颗粒效应(即液相中微细粒固体颗粒物的存在对液相物化性质的改变)对泡沫稳定性的影响研究较少。鉴于此，本文作者以MIBC(甲基异丁基甲醇)为起泡剂，探索易泥化矿物绿泥石在浮选过程中的颗粒效应对浮选泡沫稳定性的影响，并研究泡沫稳定性对绿泥石无选择性夹带行为的影响规律；基于Plateau泡沫结构理论分析矿浆性质对泡沫稳定性的影响机理，为浮选过程中泡沫的稳定性调控提供参考依据。

1  试验

1.1  试验样品及试剂

试验所用绿泥石取自辽宁鞍山地区。矿石经人工砸碎，手选高纯度、高结晶度的矿块，通过陶瓷球磨机磨矿并筛分。经化学多元素分析并结合X线衍射(XRD)检测发现，绿泥石单矿物纯度达到90%以上，符合单矿物浮选试验要求。将磨矿样品经标准筛湿筛制得[45，74) μm，[25，45) μm和小于25 μm这3个粒级，取其中小于25 μm粒级产品进行水析制得[10，25) μm和小于10 μm这2个粒级产品。

1.2  泡沫稳定性测试方法

浮选过程中泡沫稳定性测试装置如图1所示。由图1可知：测试装置主要由空气压缩机、气体流量计、改进的Hallimond管及铁架台组成。

图1  泡沫稳定性测试装置

Fig. 1  Equipment for testing foam stability

泡沫稳定性测试选用高度为73 cm的Hallimond管，内径为3 cm，微孔砂芯孔径为40~50 μm，试验温度为室温。每次称取2 g绿泥石矿样，加入80 mL去离子水，使用磁力搅拌器调浆2 min，再加入起泡剂MIBC调浆2 min，之后将矿浆迅速移入泡沫管内开始充气，固定充气流量为0.4 L/min。观测管内泡沫高度，当泡沫达到平衡时，记录泡沫最大高度H_max(表征起泡能力)；待泡沫高度稳定后停止充气，并记录泡沫高度衰减一半所需要的时间，即为泡沫半衰期t。每个条件下测量5次，取平均值作为试验结果。

采用JK99C型全自动表面张力仪利用吊环法测量不同质量浓度MIBC溶液的表面张力；采用旋转黏度计测量矿浆黏度，测量转速设定为200 r/min。

1.3  泡沫夹带率试验

采用图1中装置进行泡沫夹带率试验，其中Hallimond管长度为8 cm，内径为3 cm，微孔砂芯孔径为40~50 μm，充气流量仍固定为0.4 L/min，浮选完成后将所得泡沫产品与管内产品分别低温烘干并称质量，最后计算矿物回收率及夹带率。

泡沫夹带率计算方法如下：1) 称取装有去离子水的洗瓶质量m₁，再称取2 g矿样。2) 将矿样放入50 mL烧杯内，加入约45 mL去离子水，再加入起泡剂MIBC(MIBC质量浓度为50 mg/L)，经磁力搅拌器搅拌2 min，使矿样分散均匀后迅速将其移入泡沫管内，添加去离子水定容至50 mL。3) 开始充气浮选。用已称取质量m₃的玻璃皿接取泡沫产品，每隔10 s补加水1次使矿浆液面保持恒定，浮选3 min。4) 浮选完成后的洗瓶质量记为m₂，接取泡沫产品的玻璃皿质量记为m₄，将泡沫产品烘干后的玻璃皿质量记为m₅。浮选过程中的泡沫水回收率R_w、矿物回收率R_s及泡沫夹带率e_g可分别通过下列方程式计算：

              (1)

              (2)

                (3)

2  结果与讨论

2.1  起泡剂质量浓度对泡沫稳定性的影响

试验以MIBC为起泡剂，在改进的Hallimond管中测量泡沫最大高度H_max和泡沫半衰期t随起泡剂质量浓度变化关系。MIBC质量浓度对泡沫稳定性的影响如图2所示。从图2可以看出：随着起泡剂质量浓度增大，溶液中泡沫量显著增加，泡沫最大高度逐渐增大；矿浆中起泡剂质量浓度对泡沫半衰期影响较大，随着MIBC质量浓度增加，矿浆体系中泡沫半衰期亦逐渐增加。在MIBC质量浓度从12.5 mg/L增加到175 mg/L的过程中，泡沫最大高度从0.8 cm增加到7.6 cm，泡沫半衰期从2.01 s增加到7.47 s。

图2  MIBC质量浓度对泡沫稳定性的影响

Fig. 2  Effects of MIBC mass concentrations on foam stability

2.2  绿泥石颗粒粒度对泡沫稳定性的影响

为了考察绿泥石粒度对泡沫稳定性的影响，进行不同粒度绿泥石的影响试验。每次矿样添加质量固定为2 g，MIBC质量浓度为50 mg/L，试验结果如图3所示。

图3  绿泥石粒度对泡沫稳定性的影响

Fig. 3  Effects of particle sizes of chlorite on foam stability

从图3可以看出：在固定绿泥石质量分数及起泡剂质量浓度的条件下，绿泥石粒度对泡沫稳定性影响较大；随着绿泥石粒度降低，泡沫最大高度及泡沫半衰期均显著增加。当绿泥石粒度从[45，74) μm减小到10 μm以下时，泡沫最大高度从4.2 cm增加到6.3 cm，泡沫半衰期从2.24 s增加到7.06 s。

2.3  绿泥石质量分数对泡沫稳定性的影响

为了研究绿泥石质量分数对泡沫稳定性的影响，选取粒径小于10 μm的绿泥石进行试验，其中MIBC质量浓度为50 mg/L，试验结果如图4所示。

图4  绿泥石质量分数对泡沫稳定性的影响

Fig. 4  Effects of chlorite mass fractions on foam stability

由图4可知：绿泥石质量分数对泡沫稳定性影响较大。随着绿泥石质量分数增加，泡沫稳定性越来越强。当矿浆质量分数由0.625%增加到3.125%时，泡沫最大高度由3.3 cm增加到6.8 cm，泡沫半衰期由2.94 s增加到 7.46 s。

3  机理分析

3.1  液体表面张力对泡沫稳定性的影响

针对泡沫稳定存在时的气泡结构模型，比利时物理学家Plateau从几何拓扑的角度，阐明了泡沫结构的平衡条件，提出了Plateau泡沫结构平衡法则，其结构要素包括液膜、Plateau边界和节点。泡沫物理学研究表明^[14]，液膜中含水量极少，泡沫中绝大部分液体赋存于Plateau边界和节点处。Plateau边界流体微元受力示意图如图5所示(其中，x为Plateau边界流体微元长度)。

图5  Plateau边界流体微元受力示意图

Fig. 5  Diagram of Plateau boundary fluid element under stress

图5中流体微元所受到的作用力如下。

1) 重力：

                  (4)

式中：G为流体微元重力；ρ为矿浆密度；g为重力加速度。

2) 毛细管力：

                 (5)

式中：F_c为毛细管力；P_L为通道内的液体压力。

3) 矿浆黏滞力；

               (6)

式中：μ为矿浆粘度；u为流体微元的平均速度；A为Plateau通道的横截面积；f为与Plateau边界形状有关的参数。由Laplace方程^[15]可知：

               (7)

式中：P_g为气泡内的压力；γ为液体表面张力；r_p为Plateau边界的曲率半径。Plateau通道横截面示意图如图6所示。假设曲率半径r_p和Plateau通道横截面的外接三角形边长相等，通过计算可得到Plateau通道横截面积为

              (8)

图6  Plateau通道横截面示意图

Fig. 6  Schematic diagram of cross section of Plateau boundary

将式(7)和(8)代入式(5)，可以得到毛细管力F_c计算公式为

              (9)

当泡沫稳定存在时，流体微元受力近似平衡，此时3种作用力存在如下关系：

   (10)

因此，可以得到Plateau边界内流体微元的平均流速计算式如下：

         (11)

依据上述流体微元的平均流速表达式可以分析泡沫排液过程的快慢程度，从而得知泡沫的稳定程度。由式(11)可知：液体表面张力γ越小，流体微元平均流动速度u越小，表明泡沫Plateau通道内排液速度越缓慢，因此，泡沫层越稳定；矿浆黏度μ越大，流体微元平均流速u越小，此时泡沫排液速度越缓慢，泡沫稳定性越强。

在此基础上，测量不同MIBC起泡剂质量浓度下溶液的表面张力，结果如图7所示。由图7可知：随着MIBC质量浓度增加，液体表面张力逐渐降低，依据流体微元平均流速公式可知，此时流体微元平均流速降低，泡沫排液速度趋缓，从而泡沫最大高度和泡沫半衰期增加，泡沫稳定性增强。但当MIBC质量浓度超过250 mg/L后，液体表面张力基本保持稳定。

图7  MIBC质量浓度对表面张力的影响

Fig. 7  Effects of MIBC mass concentrations on surface tension

3.2  矿浆黏度及绿泥石粒度对泡沫稳定性的影响

为了进一步研究绿泥石的颗粒效应对泡沫稳定性的影响，通过试验分析在相同质量分数(绿泥石质量分数为2%)下绿泥石粒度对矿浆黏度的影响，并研究细粒绿泥石(粒径小于10 μm)质量分数对矿浆黏度的影响，测试结果分别如图8和图9所示。

由图8可知：绿泥石粒度对矿浆黏度影响较大。在相同矿浆质量分数下，绿泥石粒度越细，矿浆黏度越大。当绿泥石粒径为[45，74) μm时，矿浆黏度为2.23 mPa·s；当绿泥石粒径小于10 μm时，矿浆黏度增至5.85 mPa·s。从图9可以看出：绿泥石质量分数对矿浆黏度也有较大影响。绿泥石质量分数越大,矿浆分数越高，则矿浆黏度越大。当绿泥石质量分数从1.0%增加到3.5%时，矿浆黏度增加较缓慢；当绿泥石质量分数从3.5%增加到5%时，矿浆黏度急剧增加，从6.37 mPa·s增大到11.03 mPa·s。

图8  绿泥石粒度对矿浆黏度的影响

Fig. 8  Effect of chlorite granularity on viscosity of slurry

图9  绿泥石质量分数对矿浆黏度的影响

Fig. 9  Effects of chlorite mass fractions on viscosity of slurry

结合Plateau边界中流体微元平均流速公式可知，流体微元平均流速与矿浆黏度呈反比例关系，因此，当绿泥石颗粒粒度变细时，矿浆黏度增大，Plateau通道中流体微元平均流速变缓，泡沫稳定性增加(见图3)；而当绿泥石质量分数增加(见图4)，矿浆黏度增大，因此，泡沫稳定性亦增强。

3.3  绿泥石粒度对夹带行为的影响

浮选过程中的夹带现象是指一些层状结构硅酸盐矿物由于颗粒硬度小，在磨矿过程中极易发生过磨而出现泥化，由于其颗粒粒度小、比表面积大、表面能高等性质，在浮选过程中易被气泡之间水相的无选择性夹带进入泡沫层而成为精矿产品，降低精矿质量^[16]。浮选过程中泥化矿物的泡沫夹带现象显著，它不依赖于气泡与颗粒之间的矿化过程，但却始终存在于浮选过程中，进而影响最终的分选指标。为了进一步研究颗粒粒度对泡沫夹带行为的影响，进行绿泥石粒度对其回收率及夹带率的影响试验，试验中固定起泡剂MIBC质量浓度为50 mg/L，绿泥石添加量为2 g，试验结果如图10所示。

由图10可知：绿泥石粒度对矿物回收率及夹带率均有影响。随着颗粒粒度减小，绿泥石回收率逐渐增大，从[45，74) μm粒级时的12.91%增加到小于10 μm粒级时的22.43%；而水回收率略有上升，仅从30.15%增加到32%；泡沫夹带率增加显著，从[45，74) μm粒级时的夹带率0.428增大到小于10 μm粒级时的夹带率0.699，增幅近63.32%。结合图3及图8试验结果可知：当矿浆浓度相同时，绿泥石颗粒粒度越细，矿浆黏度越大，从而导致泡沫Plateau通道内排液速度变慢，泡沫最大高度及泡沫半衰期增大，泡沫稳定性增强，致使被气泡无选择性夹带成为泡沫产品的绿泥石上浮量增加，夹带率增大。

图10  绿泥石粒度对浮选回收率及夹带率的影响

Fig. 10  Effects of chlorite particle sizes on the recovery rate and entrainment rate of flotation

3.4  矿浆质量分数对夹带行为的影响

由于矿浆质量分数对泡沫稳定性有显著影响，为了进一步研究矿浆质量分数对绿泥石夹带行为的影响，进行绿泥石质量分数对其回收率及夹带率的影响试验，试验中固定MIBC质量浓度为50 mg/L，绿泥石粒径小于10 μm粒级，试验结果如图11所示。

由图11可知：绿泥石质量分数对矿物回收率有较大影响，但夹带率却基本稳定。随着矿浆质量分数增大，绿泥石回收率及水回收率均显著增加，当矿浆质量分数从0.63%增大到3.75%时，绿泥石回收率从15.41%增加到25.91%，水回收率从22.23%增大到36.68%，而夹带率则稳定在0.7左右。结合图4及图9可知：随着绿泥石质量分数增加，矿浆黏度增大，泡沫排液速度变缓，泡沫稳定性增加，因而绿泥石回收率及水回收率均增加。但由于二者增加幅度基本相同，故夹带率基本保持稳定。

图11  矿浆质量分数对浮选回收率及夹带率的影响

Fig. 11  Effects of pulp mass fractions on recovery rate and entrainment rate

4  结论

1) 液体表面张力越小，矿浆黏度越大，流体微元的平均流速就越小，泡沫排液越缓慢，泡沫越稳定。

2) 绿泥石的颗粒效应对泡沫稳定性有较大影响；颗粒粒度越小，矿浆质量分数越大，则矿浆黏度越大，Plateau通道内排液越缓慢，泡沫稳定性越强。

3) 绿泥石颗粒粒度越细，矿浆质量分数越大，泡沫稳定性越强，因此，泡沫无选择性夹带行为越显著，绿泥石回收率及水回收率均增大，但矿浆质量分数对绿泥石夹带率影响不大。

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(编辑  伍锦花)

收稿日期：2017-08-09；修回日期：2017-09-28

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51504053)(Project(51504053) supported by the National Natural Foundation of China)

通信作者：杨斌，博士研究生，从事微细粒矿物的高效分选技术研究；E-mail：1985934119@qq.com