无烟煤颗粒对浮选体系中气泡运动及兼并行为的影响

李志朋，孟 涛

(1.中煤科工集团沈阳设计研究院，辽宁 沈阳 110015；2.和舰科技(苏州)有限公司，江苏 苏州 215025)

浮选过程是一个复杂的物理化学过程，其主要利用有用矿物与脉石矿物表面性质的差异，通过气泡将疏水性矿物富集，从而达到有用矿物与脉石矿物分离的目的。目前，浮选仍是微细粒矿物分选的最主要的途径，对于低品质煤提质，减少污染物的排放有着重大的意义[1-3]。浮选气泡的稳定产生是浮选过程有效发生的前提条件，其兼并行为决定了气泡尺寸和稳定性，从而影响气泡矿化几率，对生产合格产品有着巨大的影响。而固体矿物颗粒与气泡之间的相互影响关系着整个浮选过程的顺利进行。

固体颗粒在气泡表面的黏附及其在气泡结构内的夹杂是影响气泡稳定性的重要因素，固体颗粒对气泡兼并有很大的影响。马亮[4]采用电解浮选法，以油酸钠作为捕收剂，对不同粒级的白钨矿、方解石和萤石的浮选行为进行了研究。利用高速摄影仪对不同试验条件下的气泡性质及其与颗粒的相互作用进行了探索，研究结果表明：随着矿浆浓度的增大，气泡群的尺寸也随之增大。梁永忠[5]以不同粒级的滑石为研究对象，探究了其对浮选泡沫稳定性的影响，研究结果表明浮选体系中细粒滑石的泡沫稳定性远远高于粗粒滑石。张世杰[6]自主搭建了矿物颗粒与浮选气泡碰撞黏附的研究系统，发现颗粒与气泡发生碰撞接触的各个方向中，在中心位置处下落黏附效率最大，颗粒下落位置越偏离气泡中心，黏附效率越低。朱丽[7]认为上升气泡与固体颗粒存在的气液界面间的聚拢与固体颗粒的粒度、颗粒与气液界面接触时间及颗粒在水中停留时间有关。固体颗粒粒度越小，与气液界面接触时间越长，在水中停留时间越短，越容易与上升气泡在气液界面聚拢。目前相关学者初步探索了颗粒碰撞方向、密度[8-9]、形状和粗糙度[10-11]等因素对浮选体系中气泡运动及兼并行为的影响，但大部分都停留在理论推导层面，试验研究较少。为此，试验以煤炭浮选为切入点，探究了无烟煤颗粒对煤炭浮选过程中气泡兼并行为的影响。

1 试验部分

1.1 试验仪器设备

试验用主要仪器设备见表1。

表1 试验仪器设备

1.2 试验样品

试验采用的样品来自河南永城矿区进入浮选系统前的煤泥水。将煤泥水澄清后，底部沉淀经抽滤、烘干后备用。对煤样进行工业分析，结果见表2。

表2 煤样工业分析结果

将预处理后的煤样经研磨机研磨后进行了湿法筛分，分别得到<0.074 mm(200目)、<0.037 mm(400目)、<0.01 mm(1 250目)三个粒级的样品。将筛分后的煤样经超声分散后利用激光粒度分析仪进行粒度分析，获得样品的粒度特征数据，结果见表3。

表3 煤样粒度分析结果

1.3 试验方法及步骤

气泡兼并行为的观测主要采用单气泡兼并行为观测系统来实现。系统组成如图1所示。其中气泡发生槽由有机玻璃制成，透光性良好，外部尺寸为10 cm×10 cm×50 cm。通过微量注射泵向气泡发生槽通入体积可控的空气，在气泡发生槽中产生可观测的均一稳定的气泡。高速摄像装置主要用于录制试验视频，为图像分析软件提供视频素材。

1—高速摄像装置；2—气泡发生槽；3—光源；4—微量注射器

试验步骤如下：

(1)打开光源和微量注射器，调节注射速度(即气泡体积)，直至气泡发生槽内能产生间断稳定的气泡。最终确定注射速度为0.3 mL/min。

(2)打开高速摄像装置，设定拍摄速度为1 000帧/s，调整镜头高度及焦距准备拍摄。

(3)采用i-SPEED3 suite将拍摄到的视频图像转换为连续单帧的图片文件，再采用Image-Pro Plus 7.0软件对图片进行处理，得到所需的气泡参数，包括气泡挣脱直径、气泡纵横比、气泡瞬时速度等，最终数据以Excel表格形式导出，进行数据分析。

2 试验结果与分析

2.1 无烟煤颗粒对浮选体系气液界面表面张力的影响

利用K100界面张力仪来测量不同无烟煤颗粒粒度和浓度下的溶液表面张力，测试结果如图2所示。

如图2所示，颗粒质量百分比在0.01%～0.05%浓度区间内，随着颗粒浓度的逐渐增加，溶液的表面张力首先出现急剧下降，之后下降速率变缓；在0.01～0.074 mm粒级区间内，随着颗粒粒度的逐渐增大，表面张力整体变化较小。出现以上趋势的原因为，溶液中的固体颗粒会稳定在气液界面上，因为颗粒之间的静电斥力导致气液界面表面张力降低，也即气液界面的表面能降低[12-13]。

图2 无烟煤颗粒的浓度和粒度对溶液表面张力的影响

2.2 无烟煤颗粒对浮选体系中气泡挣脱尺寸的影响

利用单气泡兼并行为观测系统探究无烟煤颗粒粒度和浓度对溶液中气泡挣脱尺寸的影响。测试结果如图3所示。

图3 无烟煤颗粒浓度和粒度对气泡挣脱直径的影响

由图3可知：在颗粒质量百分比在0.01 %～0.03%浓度区间内，随着无烟煤颗粒浓度持续增加，气泡挣脱直径呈急剧下降趋势，变化较大；在0.01～0.074 mm粒级区间内，随着无烟煤颗粒粒度的逐渐增大，气泡挣脱直径整体在3.26～3.325 mm之间变化，变化较小。出现这种趋势主要原因是，随着颗粒进入溶液体系内，压缩了气泡与液相接触周边的当量半径，液相会更多地与固体颗粒表面及毛细管接触，从而会延缓三相周边的扩大，从而导致形成直径比较小的气泡，气泡形成时间明显降低[14-15]。

2.3 无烟煤颗粒对气泡纵横比及运动速度的影响

选取粒度为<0.01 mm的无烟煤颗粒、颗粒质量百分比为0.01%的溶液来探究气泡形态和运动速度随颗粒浓度及粒度的变化，对气泡纵横比和运动速度进行分析，测试结果如图4所示。

由图4可知：随着观测时间的逐渐延长，三种不同浓度的颗粒悬浮液中气泡纵横比整体稳定在一定区间内(2.8～3.4)；在区间内对比可知，高浓度颗粒悬浮液中气泡纵横比明显比低颗粒浓度悬浮液中的大；在无烟煤颗粒质量百分比为0.03%时，气泡纵横比达到极值，整体接近3.5。

随着观测时间的逐渐延长，三种不同粒度颗粒的悬浮液中气泡纵横比整体开始稳定在一定区间内。由图4可直观地看到粒度越大，气泡纵横比就越大，且三种粒度颗粒的悬浮液中气泡纵横比差距较大，其中当粒度为<0.074 mm时，气泡纵横比最大能达到3.9。

图4 无烟煤颗粒浓度和粒度对气泡形态的影响

图5为无烟煤颗粒浓度和粒度对气泡运动速度的影响。由图5可知：在无烟煤颗粒悬浮液中，气泡的运动速度随着颗粒粒度和浓度的增加而减小。当颗粒质量百分比为0.03%时，气泡上升末速在22～25 cm/s之间；当颗粒质量百分比为0.01%时，气泡上升末速在25～30 cm/s之间，二者差距明显。当颗粒粒度为<0.01 mm时，气泡上升末速变化区间为24～30 cm/s；当颗粒粒度<0.074 mm时，气泡上升末速变化区间为18～22.5 cm/s，二者差距较大。

图5 无烟煤颗粒浓度和粒度对气泡运动速度的影响

2.4 无烟煤颗粒对气泡兼并行为的影响

通过对比不同颗粒条件下气泡与液面的兼并时间，分析了颗粒对气泡兼并行为的影响。图6为无烟煤颗粒浓度和粒度对气泡在液面处运动速度的影响。

由图6可知：无烟煤颗粒的存在降低了溶液中气泡的上升末速，并且随着无烟煤颗粒浓度的增加及粒度的增大，气泡上升末速整体有减小的倾向，从而减少气泡稳定在液面上的时间及气泡在液面的弹跳次数。并且从图6可以看出，气泡会在液面处经过反复几次的碰撞，之后运动速度逐渐减小，最终稳定在液面处。在图6中可以明显地看到气泡运动速度不断变化，宏观表现为气泡运动的方向变化。速度为正值时，说明气泡在向着液面方向运动，速度为负值说明气泡在与液面碰撞后，由于相互作用力而向背离液面方向运动。出现这种现象的原因是随着溶液中颗粒的加入，减小了气泡上升末速，而气泡动能在一次次与液面的碰撞后逐渐被耗散，初动能又相对减小，因此宏观表现为气泡在液面碰撞弹跳次数减少，气泡动能耗散时间加快。其中当无烟煤颗粒质量百分比为0.01%、0.03%时，气泡与液面碰撞次数分别为4次与3次，对比明显。

为了得到气泡的兼并时间，将高速摄像机的拍摄速度调为100帧/s，每组统计20个气泡在液面处的兼并时间，设置0.01%、0.02%、0.03%三个浓度梯度及<0.074、<0.037、<0.01 mm三个粒度梯度，得到同一粒度不同浓度的三种溶液体系下的气泡兼并时间，测试结果如图7所示。

图7 三种溶液体系下气泡兼并时间曲线

由图7可知：在相同粒度的前提下随着颗粒浓度的升高，气泡兼并时间显著增大；在相同浓度的前提下，随着颗粒粒度的减小，气泡兼并时间差值在0.5～1 s之间，整体变化较小。在三相体系中，固体颗粒对气泡兼并过程的影响可分为正反两个方面：一方面，气液界面上和溶液中的颗粒在一定程度上降低了气泡在溶液中的运动速度及在液面的反弹速度，整体缩短了碰撞时间；气泡上和气液界面上的固体颗粒会在与气泡碰撞后在气泡上运动，该过程发生的界面滑移会带来额外的液膜脱落动力，从而缩短液膜排液时间；同时气液界面上的颗粒在一定程度上减少了气泡在液面上的滑移距离，加快了气泡稳定在液面上的时间，整体上缩短了气泡与液面的碰撞时间。相反的是，气液界面上的固体颗粒减缓了界面上的扰动，减小了液面扰动对气泡兼并的影响，从而延长气泡兼并时间[16]。

总体上，随着颗粒浓度的升高及颗粒粒度的减小，浮选体系中的气泡兼并时间越长代表着气泡的稳定性越好，实际的浮选过程中气泡会进行多次兼并后破裂，气泡的稳定性增强有助于小气泡多次兼并形成更稳固的尺寸较大的气泡，从而增强浮选泡沫的稳定性，形成稳定的浮选泡沫层，进而直接影响到浮选结果。

3 结论

(1)随着无烟煤颗粒浓度的增加，溶液的表面张力及气泡挣脱直径逐渐下降，并逐渐变缓；随着颗粒粒度的增加，二者变化趋势不明显。

(2)气泡纵横比随颗粒浓度的增大而增大；随着煤粒粒度的增加，气泡纵横比明显增大，且粒度对气泡纵横比的影响比浓度要大。

(3)在无烟煤颗粒悬浮液中，气泡的运动速度随颗粒粒度和浓度的增加而减小。

(4)随着溶液中颗粒的加入，减小了气泡上升末速及动能，因此气泡与液面碰撞弹跳次数减少，减小了能量耗散所需时间。

(5)随着颗粒浓度的升高，气泡兼并时间有显著增大；随着颗粒粒度的减小，气泡兼并时间整体变化较小。