浮选的基本原理

浮选的基本原理第四节煤泥可浮性的评定第一节浮选的依据第二节气泡的矿化过程第三节影响煤泥可浮性的主要因素第一节浮选的依据煤泥浮选是依据煤和矸石表明润湿性的差异进行分选的，其实质是疏水的煤粒粘附在气泡上，亲水的矸石颗粒滞留在煤浆中，从而实线彼此分离。一、矿物表面的润湿现象润湿现象：当三相接触时，液相在固相表面展开，排斥气相而占据固相表面的现象。润湿是自然界常见的现象。如往干净的玻璃上滴一滴水，水会很快地沿玻璃表面展开，成为平面凸镜的形状。但若往石蜡表面滴一滴水，水则力图保持球形，但因重力的影响，水滴在石蜡上形成一椭圆球状而不展开。人们把易被水润湿的表面称为亲水表面，把不易被水润湿的表面称为疏水表面，相应的矿物分别称为亲水矿物和疏水矿物。在一浸于水中的矿物表面上附着一个气泡，当达平衡时气泡在矿物表面形成一定的接触周边，称为三相润湿周边。在任意二相界面都存在着界面自由能。固—水与水—气两个界面自由能所包之角（包括水相）称为接触角，以θ表示。如上图，当达到平衡时（润湿周边不动），作用于润湿周边上的三个表面张力在水平方向的分力必为零。于是其平衡状态方程为：σSG=σSL+σLGcosθcosθ=(σSG-σSL)/σLG式中，σSG、σSL和σLG分别为固—气、固—液和液—气界面自由能。上式表明了平衡接触角与三个相界面之间表面张力的关系，平衡接触角是三个相界面张力的函数。接触角的大小不仅与矿物表面性质有关，而且与液相、气相的界面性质有关。凡能引起任何两相界面张力改变的因素都可能影响矿物表面的润湿性。当θ90°时，σSLσSG，矿物表面不易被水润湿，称为疏水表面；当θ90°时，σSLσSG，矿物表面易被水润湿，称为亲水表面。原则上，取θ=90°为分界线，θ=0°～90°时称亲水性表面，θ=90°～180°时称疏水性二、矿物表面和水的作用矿物表面和水的相互作用的结果是矿物被水化，这种水化作用的产生是由于水分子本身的性质决定的。而某一种矿物表面水化作用的强弱，则取决于矿物本身的性质。水化层示意图当水中出现带电颗粒时，在电场作用下，颗粒周围便立即生成极性水分子包围层，这就是水化层。矿物表面是亲水还是疏水，取决于其表面分子与水分子相互作用强度，即水化作用的强弱。三、煤的表面性质煤是一种由复杂的有机质和多种无机矿物组成的具有一定热值非均相的固体可燃矿物。煤中有机质的主体是三维空间聚合物结构，其模型如下图。煤的结构模型煤的疏水性与其组成和结构有一定的关系，如下。1、煤的主体是芳香核，结构对称，化学性质不活泼，具有疏水性。因此煤的主要表面是疏水的。2、在芳香核的碳网上，有各种侧链和含氧官能团，它们构成了煤的少部分极性表面，使煤的某些部位具有亲水性。3、面网间的断口也是亲水的。4、煤的结构中混入一定数量的矿物杂质，多数矿物杂质具有一定的极性，使煤部分表面具有亲水性。5、煤表面上的含氧官能团和矿物杂质虽然亲水，但有些极性表面也具有较高的化学活性，能与杂极性的浮选剂分子产生吸附，非极性基向外，使煤粒表面的极性区转化为非极性区，即亲水区转化为疏水区。6、煤的变质程度对疏水性的影响很大。第二节气泡的矿化过程浮选过程中，矿粒有选择性地附着于气泡上的过程称为气泡的矿化。如图矿化气泡的三种形式①矿粒附着于由碰撞和搅拌切割而成的气泡上，形成矿化气泡，气泡运动时，粘附的矿粒群往往聚集于气泡尾部，形成所谓矿化尾壳②空气在水中由过饱和析出在颗粒的疏水性表面，增长和兼并，析出颗粒—微泡联合体③由若干微小气泡和许多细小颗粒构成气絮团1、煤粒与气泡的碰撞附着煤粒与气泡的碰撞附着与浮选机中流体的流动状态、气泡和颗粒的大小及二者的相对运动轨迹等有关。粗粒与气泡附着有碰撞、水化层减薄、水化层破裂和接触周边展开四个阶段。微细颗粒与气泡附着方式有两种：一是水化层破裂，形成三相接触周边；二是水化层不破裂，只要煤粒与气泡之间距离小到一定程度，在一些复杂因素影响下，也可以相互粘附。一、煤粒与气泡的接触方式2、湍流中颗粒所受到的脱落力引起颗粒脱离气泡的脱落力主要有颗粒在煤浆中所受到的重力、涡流引起的离心力、流体的剪切力、颗粒间的冲击力和气泡滑行过程中的惯性力。气体在液体中的溶解度与压强成正比，若煤浆的压强突然减小，气体的溶解度也随之下降，于是气体在煤浆中呈过饱和状态，它们就以微泡形式析离出来。二、析出微泡与煤粒附着1、微泡的析出过程微泡析出取决于以下三个因素：一是煤浆中初始的空气溶解度；二是煤浆降压程度；三是是否具有疏水性较强的固液界面。2、微泡有利于矿化（1）加快一般尺寸气泡与煤粒粘附的速度。（2）微泡在疏水性良好的煤粒表面析出，增加了固、液、气三相接触周边的总长度，提高了煤粒与气泡粘附的牢固性。（3）几十个甚至上百个微泡有选择性地在粗粒煤表面生成，增加了它们的上浮能力，这必然导致低灰分的粗粒煤的浮选速度提高。（4）加快了微细煤粒的浮选速度。3、矿化泡沫层矿化泡沫层是气泡、夹水层、煤粒形成的三相泡沫。矿化气泡浮至浮选机液面聚集为矿化泡沫层（简称泡沫层）。浮选过程分为四个阶段：第一阶段为碰撞阶段，悬浮在煤浆中的煤粒与气泡接近并进行碰撞；第二阶段为附着阶段，煤粒与气泡碰撞后，疏水颗粒与气泡之间的水化层变薄、破裂，实现煤粒与气泡的附着，或者通过微泡析出，实现煤粒与气泡的附着；第三阶段为升浮阶段，由矿化气泡形成的煤粒气泡联合体在浮力作用下，上升到液面；第四阶段为泡沫层形成阶段，升浮到液面的泡沫形成较稳定的泡沫层。4、浮选过程第三节影响煤泥可浮性的主要因素煤泥的可浮性是指通过浮选提高煤粉（泥）质量的难易程度。一、各种煤岩成分的浮选性质。从煤岩的组成上看，煤可分为镜煤、亮煤、暗煤和丝煤。镜煤和亮煤的可浮性好，暗煤可浮性居中，丝煤的可浮性最差。二、煤的变质程度。按煤的变质程度把煤分为褐煤、烟煤和无烟煤。随着煤变质程度的加深，性质不活泼的部分不断增加，即碳含量相对增加，氢氧等官能团支链随着煤分子排列的规则化增强而减少，即氢含量相对减少，使煤的表面疏水性递增，煤的可浮性变好。但是，中等变质程度的煤表面疏水性最高。原因是当煤变质程度进一步增高至无烟煤阶段，官能团支链显著减少，芳香核环缩合程度增高，相应的煤核结构单元的尺寸减小，而网面间距增大。因为煤核层面为疏水，而网面断口为亲水，所以无烟煤的表面疏水性低于中等变质程度的烟煤。三、煤表面的氧化程度。煤表面发生氧化后，增加了煤表面的亲水性，使煤泥可浮性降低。四、矿物杂质和嵌布特性。1、矿物杂质煤中矿物杂质分为粘土矿物、氧化物和氢氧化合物矿物、硫化物矿物、碳酸盐矿物、石膏和其他矿物。煤中矿物杂质是煤的组成部分，它们不仅影响煤的发热量，而且影响煤的表面化学性质。按矿物杂质对浮选效果产生的影响，将它们归类如下：（1)易泥化的矿物杂质（2）硫化物（3)受碳化程度影响的矿物杂质（4）可溶性矿物杂质（5）非极性矿物杂质2、嵌布特性当煤中极性杂质呈粗粒嵌布时，易于与煤分离，对煤的可浮性影响不大；当煤中极性杂质呈微细粒嵌布时，将降低煤的可浮性。五、煤泥粒度组成不同粒级的煤泥有不同的浮选速度，它们的综合作用也反映在煤泥的可浮性上。经理论和实践证明：大颗粒的浮选速度比小颗粒的浮选速度慢得多。第四节煤泥可浮性的评定采用灰分符号要求条件下的浮选精煤可燃体回收率作为评定煤炭可浮性的指标。Ej=rj（100-Aj）/(100-Ar）式中Ej——浮选精煤可燃体回收率，%；rj——浮选精煤产率，%；Aj——浮选精煤灰分，%；Ar——浮选入料灰分，%。可浮性等级极易浮易浮中等可浮难浮极难浮Ej≥90.180.1-90.060.1-80.040.1-60.0≤40.0煤泥可浮性等级