浮選基本原理安徽理工課件

浮游選礦礦物加工工程系第一章浮選基本原理

1.1概述

浮游選礦又稱浮選，從水的懸浮液中（稱礦物和水的懸浮液為礦漿）浮出固體的過(guò)程。浮選是由于不同固體礦物的表面性質(zhì)差異，通過(guò)它們對(duì)礦漿中液體和氣體的作用不同而實(shí)現(xiàn)分選的。有的礦物疏水、親氣，可粘附到氣泡上，進(jìn)入泡沫成為精礦，另一些親水、疏氣的礦物則不和氣泡粘附，留在礦漿中成為尾礦(正浮選)

現(xiàn)代的泡沫浮選過(guò)程一般包括以下作業(yè)：①磨礦——即先將礦石磨細(xì)，使有用礦物與其他礦物或脈石礦物解離；②調(diào)漿加藥——調(diào)整礦漿濃度適合浮選要求，并加入所需的浮選藥劑，以提高效率；③浮選分離——礦漿在浮選機(jī)中充氣浮選，完成礦物的分選；④產(chǎn)品處理——浮選后的泡沫產(chǎn)品和尾礦產(chǎn)品進(jìn)行脫水分離。1.2固、液、氣各相性質(zhì)

自然界的礦物按工業(yè)用途可分為兩大類：工業(yè)礦物和能源礦物。前者多為晶體礦物，后者則為非晶體礦物。1.礦物的晶體結(jié)構(gòu)

晶體化學(xué)中根據(jù)晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)和鍵的性質(zhì)將礦物晶體分為四類：離子晶體、原子晶體（共價(jià)晶體）、分子晶體和金屬晶體。

1.2.1固相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

(1)離子晶體：離子晶體由陰離子和陽(yáng)離子組成，陰、陽(yáng)離子交替排列在晶格結(jié)點(diǎn)上，它們之間以靜電引力相結(jié)合，這種結(jié)合力所形成的鍵稱離子鍵。(2)原子晶體：原子晶體由原子組成，晶格結(jié)點(diǎn)上排列的是中性原子，靠共用電子對(duì)結(jié)合在一起，這種鍵稱原子鍵或共價(jià)鍵，極性較強(qiáng)。(3)分子晶體：分子晶體的晶格中分子是結(jié)構(gòu)的基本單元，分子間由極弱的范德華力（即分子間力）或分子鍵聯(lián)接。組成晶體的分子鍵很弱，因此硬度較小，對(duì)水的親和力弱。多數(shù)層狀構(gòu)造礦物層與層之間常以弱分子鍵相連。(4)金屬晶體：金屬晶體的結(jié)點(diǎn)上為金屬陽(yáng)離子，周圍有自由運(yùn)動(dòng)的電子，陽(yáng)離子與公有電子相互作用，結(jié)合成金屬鍵。2.礦物的表面鍵能、極性與天然可浮性的關(guān)系

礦物晶格破裂時(shí)，由于暴露在表面的鍵型不同，礦物表面性質(zhì)也就不同，其規(guī)律大致如下：①當(dāng)斷裂面以離子鍵為主，表面不飽和鍵具有強(qiáng)的靜電吸引力，為強(qiáng)不飽和鍵。②當(dāng)斷裂面以共價(jià)鍵為主，表面不飽和鍵多為原子鍵。該類表面有較強(qiáng)靜電力或偶極作用，亦為強(qiáng)不飽和鍵。③當(dāng)斷裂面以分子鍵為主，其表面不飽和鍵多為弱鍵。如礦物表面以定向力、誘導(dǎo)力為主，此種弱鍵又強(qiáng)于色散力為主的弱鍵。礦物表面鍵能的差異對(duì)礦物的可浮性有極大的影響。1.親水性表面，此時(shí)的礦物可浮性差。2.疏水性表面，此時(shí)的礦物可浮性好。3.煤的組成結(jié)構(gòu)與可浮性

(1)煤的基本組成煤的組成有明顯的不均勻性。煤是由有機(jī)質(zhì)和多種無(wú)機(jī)礦物組成的復(fù)合體，其成分隨煤化程度的變化而大幅度變化。

按煤巖學(xué)的觀點(diǎn)，煤有四種主要組分：絲炭、暗煤、鏡煤和亮煤。

(2)煤的結(jié)構(gòu)模型

萬(wàn)—克列維廉提出的煤的結(jié)構(gòu)模型

煤主要是由芳香網(wǎng)絡(luò)所組成，即是多環(huán)芳香族高分子化合物，是由大量苯核結(jié)合的芳香族化合物，由多層平面碳網(wǎng)組成，但也存在側(cè)鏈。

⑤煤表面上的含氧官能團(tuán)和無(wú)機(jī)礦物質(zhì)雖使煤具有了一定親水性，但這些部位也有較高的化學(xué)活性，捕收劑中的某些雜極性分子可以吸附在這些活性部位，從而提高整個(gè)煤粒的疏水性；⑥煤的變質(zhì)程度對(duì)煤的可浮性有很大的影響。通常，中等變質(zhì)程度的煤具有最好的可浮性。變質(zhì)程度高和變質(zhì)程度低的煤，其可浮性均有下降。變質(zhì)程度低時(shí)，含氧官能團(tuán)數(shù)量大，孔隙度達(dá)10%以上；變質(zhì)程度高時(shí)，親水的含氧官能團(tuán)數(shù)量雖有所降低，但側(cè)鏈含量也減少，而且側(cè)鏈變短，使疏水程度降低，孔隙度也比中等變質(zhì)程度時(shí)有所增加，因此，在兩種情況下，可浮性均較差；1.2.2液相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

浮選時(shí)液相為水，液體水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)礦物表面性質(zhì)、浮選藥劑的性質(zhì)及浮選過(guò)程均產(chǎn)生極大的影響，決定了浮選的特征。

1.水分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成，三個(gè)原子核構(gòu)成以兩個(gè)質(zhì)子為底的等腰三角形，見(jiàn)圖別。水分子則會(huì)根據(jù)礦物表面的極性不同在其表面進(jìn)行不同形式的定向排列，形成不同性質(zhì)的水化層或水化膜，使礦物表面的自由能發(fā)生變化。3.水的溶解能力水的溶解能力在浮選過(guò)程中具有相當(dāng)重要的作用。由于水會(huì)對(duì)礦物表面的一些離子溶解，從而改變礦物表面的化學(xué)組成、界面電性及液相的化學(xué)組成，結(jié)果也改變了礦物在浮選過(guò)程中的行為。

1.2.3氣相及其性質(zhì)

泡沫浮選過(guò)程中，空氣所形成的氣泡是一種選擇性的運(yùn)載工具。浮選礦漿中某些顆粒能夠粘附到氣泡上浮出，其余則不能粘附到氣泡上而留在礦漿中，從而將它們分離。浮選中的氣相主要是空氣，空氣主要是由氧、氮、二氧化碳等組成的混合物。空氣中不同成分在水中的溶解度不同，因而與礦物和水的作用也不同，對(duì)分選有不同影響。1.3.1潤(rùn)濕性、水化現(xiàn)象與可浮性

1.礦物表面的潤(rùn)濕性（1）潤(rùn)濕現(xiàn)象潤(rùn)濕是自然界常見(jiàn)的現(xiàn)象。如往干凈的玻璃上滴一滴水，水會(huì)很快地沿玻璃表面展開(kāi)，成為平面凸鏡的形狀。但若往石蠟表面滴一滴水，水則力圖保持球形，但因重力的影響，水滴在石蠟上形成一橢圓球狀而不展開(kāi)。這兩種不同現(xiàn)象表明，玻璃能被水潤(rùn)濕，是親水物質(zhì)；石蠟不能被水潤(rùn)濕，是疏水物質(zhì)。1.3相界面性質(zhì)與可浮性如圖三種基本潤(rùn)濕形式(a)附著潤(rùn)濕；(b)鋪展?jié)櫇瘢?c)浸沒(méi)潤(rùn)濕

潤(rùn)濕：任意兩種流體與固體接觸后，所發(fā)生的附著、展開(kāi)或浸沒(méi)現(xiàn)象。其結(jié)果是一種流體被另一種流體從固體表面部分或全部被排擠或取代，這是一種物理過(guò)程，且是可逆的。（2）接觸角

在一浸于水中的礦物表面上附著一個(gè)氣泡，當(dāng)達(dá)平衡時(shí)氣泡在礦物表面形成一定的接觸周邊，稱為三相潤(rùn)濕周邊。在任意二相界面都存在著界面自由能。固—水與水—?dú)鈨蓚€(gè)界面自由能所包之角（包括水相）稱為接觸角，以θ表示。

當(dāng)θ>90°時(shí)，σSL>σSG，礦物表面不易被水潤(rùn)濕，稱為疏水表面；當(dāng)θ<90°時(shí)，σSL<σSG，礦物表面易被水潤(rùn)濕，稱為親水表面。原則上，取θ=90°為分界線，θ=0°～90°時(shí)稱親水性表面，θ=90°～180°時(shí)稱疏水性

(3)接觸角的測(cè)定接觸角的測(cè)定方法有很多，如觀察測(cè)量法、斜板法、光反射法、長(zhǎng)度測(cè)量法和浸透測(cè)量法等等，1.3.2礦物的表面電性與可浮性

礦物在水溶液中受水偶極及溶質(zhì)的作用，表面會(huì)帶一種電荷。礦物表面電荷的存在影響溶液中離子的分布：帶相反電荷的離子會(huì)被吸引到表面附近，帶相同電荷的離子則被排斥而遠(yuǎn)離表面，于是礦物—水溶液界面產(chǎn)生電位差。這種在界面兩邊分布的異號(hào)電荷的兩層體系稱為雙電層。1.礦物表面電性起源

礦物表面電性起源，歸納起來(lái)，主要有以下四種類型：①優(yōu)先解離（或溶解）——離子型礦物在水中由于表面正、負(fù)離子的表面結(jié)合能及受水偶極的作用力（水化）不同而產(chǎn)生的向水中非等當(dāng)量轉(zhuǎn)移的結(jié)果，使礦物表面荷電。②優(yōu)先吸附——這是礦物表面對(duì)電解質(zhì)陰、陽(yáng)離子不等量吸附而獲得的電荷。③吸附和電離——對(duì)于難溶的氧化礦物或硅酸鹽礦物表面，因吸附H+或OH-而形成酸類化合物，然后部分電離而使表面荷電，或形成羥基化表面，吸附或解離H+而荷電。

④晶格取代——粘土、云母等硅酸鹽礦物是由鋁氧八面體和硅氧四面體的層狀晶格構(gòu)成的。在鋁氧八面體層片中，當(dāng)Al3+被低價(jià)的Mg2+或Ca2+取代，或在硅氧四面體層片中Si4+被Al3+置換，結(jié)果會(huì)使晶格帶負(fù)電。為維持電中性，礦物表面就吸附某些正離子（例如堿金屬離子Na+或K+）。當(dāng)?shù)V物置于水中時(shí)，這些堿金屬陽(yáng)離子因水化而從表面進(jìn)入溶液，故這些礦物表面荷負(fù)電。2.雙電層結(jié)構(gòu)及電位

礦物表面雙電層結(jié)構(gòu)（斯特恩修改模型）A——內(nèi)層(定位離子層)；B——緊密層(Stern)；C——滑動(dòng)界面；D——擴(kuò)散層；ψ0——表面電位；ψδ——Stern層電位；ζ——電動(dòng)電位

在雙電層內(nèi)層吸附的離子稱為定位離子。定位離子可以在界面間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。

在雙電層外層吸附的離子，稱為配衡離子，也稱反號(hào)離子。(1)雙電層中的電位

①表面電位——雙電層的表面電位是指固體表面與溶液之間的電位差，又稱表面總電位或電極電位，常用ψ0表示。②斯特恩電位——即緊密層與溶液之間的電位差。③電動(dòng)電位——當(dāng)顆粒在外力作用下移動(dòng)時(shí)，雙電層中的擴(kuò)散層與固體表面斯特恩層之間有一個(gè)滑動(dòng)界面，滑動(dòng)界面上的電位和溶液內(nèi)部的電位差稱為電動(dòng)電位，又稱Zeta電位，常用ξ表示。不論礦物導(dǎo)電性能如何，礦物的電動(dòng)電位可實(shí)際測(cè)得。常用的方法有微電泳法、電滲法和流動(dòng)電位法。(2)零電點(diǎn)和等電點(diǎn)

①零電點(diǎn)——礦物的表面電位由定位離子活度決定，當(dāng)溶液濃度很低時(shí)，就等于它的濃度。在某一定位離子濃度下，礦物表面的正電荷數(shù)恰好等于負(fù)電荷數(shù)，此時(shí)，礦物表面的凈電荷為零。這時(shí)，溶液中定位離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值稱為該礦物的零電點(diǎn)（簡(jiǎn)稱ZPC或PZC）。②等電點(diǎn)——一些表面活性電解質(zhì)可在礦物表面產(chǎn)生特性吸附，這既可改變電動(dòng)電位大小，也可改變其符號(hào)。電動(dòng)電位改變符號(hào)或電動(dòng)電位恰好等于零時(shí)的電解質(zhì)活度負(fù)對(duì)數(shù)值稱為等電點(diǎn)或電荷轉(zhuǎn)換點(diǎn)（簡(jiǎn)稱PZR，或IEP）。

(3)雙電層的測(cè)定

雙電層的測(cè)定實(shí)際上包括礦物的表面電位和電動(dòng)電位。①表面電位測(cè)定：固相在水溶液中能構(gòu)成一個(gè)可逆電極，它的表面電位（ψ0）可根據(jù)不同條件下定位離子的活度，用能斯特公式加以計(jì)算。②電動(dòng)電位測(cè)定：電動(dòng)電位對(duì)浮選過(guò)程影響很大，加上其測(cè)定容易，因而在浮選研究中具有重要的意義?，F(xiàn)常用三種方法測(cè)定。電泳法——在給定電勢(shì)梯度的外加靜電場(chǎng)中測(cè)量電解質(zhì)溶液內(nèi)部懸浮帶電膠體顆粒的流動(dòng)性或遷移率后算出。該法所需物料少，裝置完備，測(cè)試簡(jiǎn)單，是浮選研究中采用最多的。流動(dòng)電位法——是通過(guò)流體流過(guò)一根毛細(xì)管或壓縮的固體顆粒所構(gòu)成的多孔柱形塞毛細(xì)管組時(shí)在兩端產(chǎn)生的電位差來(lái)計(jì)算的。電滲法——是通過(guò)在外加電勢(shì)作用下溶液流過(guò)一根或一組毛細(xì)管系統(tǒng)的數(shù)量來(lái)計(jì)算的。

如圖為針鐵礦的浮選特性與表面電荷的關(guān)系

針鐵礦的零電點(diǎn)pH＝6.7，當(dāng)pH<6.7時(shí)，礦物表面荷正電，采用陰離子型（負(fù)電性）捕收劑十二烷基硫酸鈉時(shí)藥劑大量吸附，浮選效果很好，而采用陽(yáng)離子型（正電性）十二胺捕收劑時(shí)則很難吸附，幾乎不能浮選。同樣當(dāng)pH>6.7時(shí)，礦物表面帶負(fù)電，用陽(yáng)離子型十二胺浮選效果很好，而用陰離子型捕收劑則基本不浮1.3.3吸附現(xiàn)象與可浮性

1.吸附與浮選吸附是液體（或氣體）中某種物質(zhì)在相界面上產(chǎn)生濃度增高或降低的現(xiàn)象。對(duì)液體，當(dāng)將某種溶質(zhì)加入到溶液中，如果能使溶液表面能降低，表面層溶質(zhì)的濃度大于溶液內(nèi)部，則稱該溶質(zhì)為表面活性劑或表面活性物質(zhì)，這種吸附稱為正吸附。加入溶質(zhì)后，使溶液的表面能升高，表面層溶質(zhì)的濃度小于溶液內(nèi)部，則稱該溶質(zhì)為非表面活性劑或非表面活性物質(zhì)，這種吸附稱為負(fù)吸附。當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，單位面積上所吸附的吸附質(zhì)的摩爾數(shù)，稱為在該條件下的吸附量，通常用Γ表示。2.吸附的種類

(1)按吸附的本質(zhì)，可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類:①物理吸附——凡是由范德華力（分子鍵力）引起的吸附都可稱物理吸附。其特征是熱效應(yīng)?。ㄒ话銉H20kJ/mol左右）、無(wú)選擇性、吸附快、具有可逆性、易解吸、吸附的分子可在礦物表面形成多層等。②化學(xué)吸附——凡是由化學(xué)鍵力引起的吸附稱化學(xué)吸附。該吸附質(zhì)可在礦物表面之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，并在礦物表面形成難溶性化合物，但不能生成新相。其特征是熱效應(yīng)大（通常在84~840kJ/mol之間）、吸附牢固、不易解吸、吸附不可逆、通常只有單層吸附、吸附具有很強(qiáng)的選擇性、吸附慢。(2)按吸附物的形態(tài)①分子吸附——溶液中被溶解的溶質(zhì)以分子形式吸附到固—液、氣—液等相界面上。②離子吸附——溶液中以離子形態(tài)存在的溶質(zhì)離子（如捕收劑和活化劑離子）在礦物表面的吸附稱離子吸附。③半膠束吸附——溶液中長(zhǎng)烴鏈捕收劑濃度較高時(shí)，礦物表面吸附捕收劑非極性端，在范德華力的作用下，發(fā)生締合作用，形成類似膠束的結(jié)構(gòu)，稱為半膠束吸附。④捕收劑等在礦漿中反應(yīng)的產(chǎn)物也可在礦物表面產(chǎn)生吸附。(3)按吸附作用方式和性質(zhì)

①交換吸附——指溶液中某種離子與礦物表面上另一種相同電荷符號(hào)的離子發(fā)生等當(dāng)量交換而吸附在礦物表面。②競(jìng)爭(zhēng)吸附——當(dāng)?shù)V漿溶液中存在多種離子時(shí)，它們?cè)诘V物表面的吸附?jīng)Q定于表面的活性及其在溶液中的濃度，即決定于相互競(jìng)爭(zhēng)。③特性吸附——當(dāng)?shù)V物表面對(duì)溶液中某種組分有特殊的親和力所產(chǎn)生的吸附稱特性吸附。(4)按雙電層中吸附的位置

①雙電層內(nèi)層吸附(又稱定位離子吸附)——礦物表面吸附溶液中的晶格離子、晶格類質(zhì)同象離子和其他雙電層定位離子(例如H+和OH+)，吸附到雙電層內(nèi)層，吸附結(jié)果使礦物表面電位改變數(shù)值或符號(hào)，這種吸附稱定位離子吸附。②雙電層外層吸附——雙電層外層吸附是溶液中溶質(zhì)分子或電荷符號(hào)與礦物表面相反的離子在雙電層外層上的吸附。3.浮選相界面吸附

①氣—液界面的吸附②固—液界面的吸附③液—液界面吸附

1.4氣泡礦化

浮選過(guò)程中顆粒附著于氣泡上的過(guò)程稱為氣泡的礦化。1.4.1氣泡礦化的影響因素

浮選過(guò)程可以分為四個(gè)階段：第一為接觸階段；第二為粘著階段；第三為升浮階段；第四為泡沫層形成階段，最后形成穩(wěn)定泡沫層，并及時(shí)刮出。1.4.2氣泡礦化形式

如圖礦化氣泡的三種形式①礦粒附著于由碰撞和攪拌切割而成的氣泡上，形成礦化氣泡，氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘附的礦粒群往往聚集于氣泡尾部，形成所謂礦化尾殼②空氣在水中由過(guò)飽和析出在顆粒的