46固体废弃物浮选

浮选也称泡沫浮选（是一种湿法分选），是指在气、液、固三相体系中，按照固体废物表面物理化学性质的差异，实现各种细粒分离的复杂物理化学过程。浮选实质是在固体废物与水调制的料浆中，加入浮选药剂，并通入空气形成无数细小气泡，疏水的固体废物粘附在气泡上（借助于气泡的浮力，上浮至液面成为泡沫层，把液面上泡沫刮出，形成泡沫产物），亲水的固体废物留在水中（料浆内），从而实现二者的分离。4.6浮选4.6.1浮选的基本原理固体废物表面分为亲水性的和疏水性的，它们与水分子作用的程度不同，也可说被水润湿的程度不同，即润湿性不同。亲水性物质颗粒表面与水分子的作用在一定范围内，作用力超过水分子之间的作用力，因此亲水性颗粒表面吸附的水分子量大而密集，水化膜厚而难破裂；与此相反，疏水性物质颗粒表面与水分子的作用力比较弱，其表面吸附的水分子少而稀疏，其水化膜薄而易破裂。亲水性和疏水性只是定性表示物质的润湿性，物质润湿性可用气－液－固三相的接触角θ来定量表示（见图4.27）。若物质表面极亲水，气相不能排开液相，接触角为0°；反之，若物质表面极疏水，气相完全排开液相，则接触角为180°。但实际情况是，物质的接触角还未发现有超过180°的，所以各种物质的接触角都在0°～180°之间。接触角θ的大小决定于气泡、矿物表面和三相界面张力的平衡状态。空气θθθθθθ液气图4.27固体表面的润湿角在固体废物与水调制的料浆中，细粒表面的湿润特性是不同的，引起物质颗粒表面润湿性差异的本质是其表面的极性和不饱和键的性质，这些性质的差异一方面决定于组成物料颗粒元素的性质；另一方面决定于物料的内部结构。从浮选角度看，关键是在于其内部键的性质与强弱。物料破裂以后，有的表面呈现一定亲水性，有的表面呈现一定的疏水性，主要决定于表面键的性质。表面是强的离子键或共价键，具有强的亲水性；表面是弱的分子键，具有较强的疏水性。当疏水性颗粒与气泡发生碰撞时，气泡易于排开其表面薄且易破裂的水化膜，使废物颗粒黏附在气泡的表面，从而随着气泡的上浮而上浮至料浆表面，形成泡沫层，最后刮出回收；亲水性的颗粒表面与气泡碰撞时，颗粒表面的水化膜厚而难破裂，气泡很难附着到颗粒表面，因此保留在料浆中，进行适当处理，从而实现了不同性质颗粒的分离。利用欲分离的物料颗粒天然可浮性差异进行分选，分选效率会很低，往往需要投入浮选药剂，人为改变物质颗粒的可浮性。正确地选择、使用浮选药剂是调整物质颗粒可浮性的主要外因条件。根据在浮选过程中的作用不同，浮选药剂分为捕收剂、气泡剂和调整剂三大类。4.6.2浮选药剂⑴捕收剂捕收剂的主要作用是增强欲浮的废物颗粒表面疏水性，增加可浮性，增大其向气泡附着的可能性。效果较好的捕收剂应具备：①捕收作用强，活性高；②选择性高，最好是专一性强；③易溶于水，无毒、无臭、成分稳定，不易变质；④价格低廉，来源广泛。常用的捕收剂主要有异极性捕收剂和非极性油类捕收剂两类。异极性捕收剂的分子结构中含有极性基和非极性基两种基团。一般的，极性基具有很强的亲水性，非极性基具有很强的疏水性。捕收剂与废物颗粒表面作用的基本原理：向料浆中投入捕收剂，经搅拌后，捕收剂活泼的极性基能与废物表面发生作用而吸附于废物表面，满足废物表面未饱和的性能，非极性基则具有石蜡或烃类那样的疏水性，朝外排水而造成废物表面的“人为可浮性”。典型的异极性捕收剂有黄药、油酸等，图4.28所示为黄药分子与固体颗粒表面作用示意图。颗粒黄药分子黄药分子非极性基极性基图4.28黄药分子与固体颗粒表面作用示意图从煤矸石中回收黄铁矿时，常用黄药作捕收剂。黄药是工业上的名称，学名是烃基二硫代碳酸盐，通式为：ROCSSMe，其中R为烃基，Me为碱金属离子。烃链越长，捕收能力越强，但烃链过长，药剂的溶解性下降，捕收效果下降。常用的黄药烃链中含碳数为2～5个。凡是能与黄药反应生成难溶解盐化合物的废物颗粒都可用黄药作为捕收剂，如含Hg、Au、Bi、Cu、Pb、Co、Ni等的废物，它们与黄药生成的化合物的溶度积小于10－10，都可用黄药作为捕收剂。黄药捕收含铜化合物的反应式为：222()ROCSSNaCuSROCSSCuNaS非极性油类捕收剂主要包括脂肪烷烃CnH2n+2、脂环烃CnH2n和芳香烃三类。这类捕收剂因难溶于水，不能解离为离子而得名。常用的非极性油类捕收剂有煤油、柴油、燃料油、重油、变压器油等。目前，单独使用非极性油类捕收剂的，只是一些天然可浮性很好的非极性废物颗粒，如粉煤灰中回收未燃尽碳、废石墨等。⑵起泡剂起泡剂是一种表面活性物质，主要作用在水-气界面上使其界面张力降低，促使空气在料浆中弥散，形成小气泡，防止气泡兼并，增大分选界面，提高气泡与颗粒的粘附和上浮过程中的稳定性，以保证气泡上浮形成泡沫层。起泡剂在气泡表面的吸附形式如图4.29所示。起泡剂气泡气泡气泡气泡图4.29起泡剂在气泡表面的吸附常用的起泡剂有松油、松醇油、脂肪醇等。起泡剂与捕收剂之间的相互作用如图4.30所示。非表面活性起泡剂捕收剂表面活性起泡剂气泡气泡图4.30起泡剂与捕收剂的相互作用⑶调整剂调整剂的主要作用是调整捕收剂的作用及介质条件。其中促进欲浮废物颗粒与捕收剂作用的称为活化剂，一般为无机盐，如硫化钠、硫酸铜等；抑制非欲浮颗粒可浮性的称为抑制剂，常用的抑制剂有无机盐（水玻璃）和有机物（淀粉、丹宁等）；调整介质pH的称为pH调整剂，主要为酸、碱类；促使料浆中欲浮细粒联合变成较大团粒，以减小细泥对浮选的不利影响，改善和提高浮选效果，这样的调节剂称为絮凝剂，多为石灰、明矾、聚丙烯酰胺等；促使料浆中非欲浮细粒成分散状态的药剂称为分散剂，常用的分散剂为水玻璃和各类聚磷酸盐等。目前的浮选设备可包括浮选机和浮选柱。浮选机根据充气方式，可以分为机械搅拌式浮选机和非机械搅拌式浮选机。浮选柱包括传统浮选柱和新型浮选柱。4.6.3浮选设备⑴浮选机我国使用最多的是一种带辐射叶轮的空气自吸式机械搅拌浮选机。该浮选机由两个槽子构成一个机组，第一个槽子带有进浆管，为抽吸槽或称吸入槽，第二个没有进浆管的槽子，为自流槽或称直流槽。主轴的下端装有叶轮，上端为皮带轮，在电机的传动下，皮带轮带动下端叶轮高速旋转。叶轮上方装有盖板和空气筒（或称竖管），此空气筒上开有孔，用以安装进料管、返回管或作料浆循环之用，其孔的大小可以调节。闸门用来控制和调节槽内料浆水平面。12345678910111213141512空气吸入槽直流槽(a)(b)给料1－叶轮；2－盖板；3－受浆箱；4－进浆管；5－循环孔；6－槽子；7－套管；8－轴；9－皮带轮；10－进气管；11－槽间隔板；12－调节循环量的闸门；13－闸门；14－闸门；15－稳流板图4.31空气吸式机械搅拌浮选机及其吸气装置构造1－叶轮；2－盖板；15－稳流板图吸气装置构造浮选机工作时，料浆由进浆管送入盖板的中心处，叶轮的高速旋转产生离心力将料浆甩出，此时在中心处形成一定的负压，外界的空气便经过进气管被吸入，与料浆混合后一起被叶轮甩出。在叶轮的强烈搅拌下，料浆与空气得到充分的混合，同时气流被破碎成细小的气泡，欲选废物颗粒与细小气泡碰撞黏附后，随着气泡浮升至料浆表面形成泡沫层，最后由刮泡机刮出回收。气泡在浮选机内的运动示意图②新型浮选柱针对传统浮选柱的缺点，新型浮选柱主要是在充气器结构和功能上进行了深入广泛的研究，目前已用于工业生产，比如静态浮选柱、微泡浮选柱和旋流浮选柱等。静态浮选柱，如图4.33所示，主要是在柱中充填了波纹板，形成众多孔道，当空气通过众多孔道时被粉碎成气泡。两层波纹板在堆放时呈直角相交，同一层中相邻两块板的波纹又是交叉的，这样可使浆料和空气混合物均匀地分布在整个断面上，延长了废物颗粒和气泡的停留时间。12345627789101112放大图1－精矿；2－清水流量计；3－搅拌槽进料；4－搅拌器；5－泵；6－接矿浆液面控制器；7－压力表；8－压缩空气；9－减压器；10－流量计；11－阀；12－尾矿图4.33静态浮选柱结构上升的气泡被强制地与废物颗粒接触，增加了矿化概率。顶部给入的淋洗水顺着孔道向下流，不断带走杂质，尾矿从底部阀门排出。波纹板料浆由上部柱高2/3处给入，泡沫层厚度0.6～0.8m，与柱高和直径无关。淋洗水加入泡沫中间，水量按断面计算时约20cm3/（cm2•min）123456789101112131415161－洗涤水分配器；2－泡沫溜槽；3－泡沫产品；4－洗涤水入口；5－给矿入口；6－压力传感器；7－环形矿浆管；8－起泡剂添加管；9－连接砂泵出口管道；10－微泡发生器；11－环形空气管；12－尾矿；13－控制阀；14－放矿阀；15－连接砂泵吸入管道；16－检修孔图4.34微泡浮选柱结构微泡浮选机主要是采用了新型的微泡发生器。这种多孔管微泡发生器是在压力管道上设一微孔材质的喉管，喉管通过密封的套管同压缩空气相连，当料浆快速经过喉管时，压缩空气经过套管从多孔材质的喉管的壁进入料浆，形成微泡，并立即被流动的料浆带走。微泡浮选柱的高度与直径比值由所需的浮选时间而定。FCMC型旋流微泡浮选柱在1992年投入工业应用以来已形成直径1m、1.5m、2m、3m的系列规格。该浮选柱包括浮选段、旋流段和气泡发生器三部分。1324567扫选区（旋流段）捕集区浮选段泡沫区图4.35旋流微泡浮选柱的结构和原理1－搅拌；2－精煤；3－喷水；4－入料；5－空气；6－气泡发生器；7－尾矿浮选段又分为捕集区（或称矿化区）和泡沫区（或称精选区）。在浮选段顶部设有冲水装置和泡沫料浆收集槽。给料管位于柱顶约1/3处，最终尾矿从旋流器的底流口排出。气泡发生器上设有空气入管和起泡剂添加管。气泡发生器利用循环料浆加压喷射的同时吸入空气与起泡剂，进行混合和粉碎气泡，并通过压力降低释放、析出大量微泡，然后沿切线方向进入旋流段。气泡发生器在产生合适气泡的同时，也为旋流段提供旋流力场。含气、固、液三相的循环料浆沿切线高速进入旋流段后，在离心力作用下做旋流运动，气泡和已矿化的气固絮团向旋流中心运动，并迅速进入浮选段。气泡与从上部给入的料浆反向运动、碰撞并矿化实现分选。旋流段的作用是对在浮选段未分选的废物颗粒进行扫选，以提高回收率。4.6.3浮选工艺浮选工艺过程包括调浆、调药、调泡三个程序。调浆就是在浮选前对料浆的浓度进行调节，它是浮选过程的一个重要工序。料浆浓度是指料浆中固体废物与液体（水）的质量之比，常用液固比或固体含量百分数来表示。一般浮选密度较大、粒度较粗的废物颗粒，往往用较浓的料浆；反之浮选密度较小的废物颗粒，可用较稀的料浆。浮选的料浆浓度必须适合浮选工艺要求。调药为浮选过程药剂的调整，包括提高药效、合理添加、混合用药、料浆中药剂浓度调节与控制等。对一些水溶性小或不溶的药剂，提高药剂浓度可采用配成悬浮液或乳浊液、皂化、乳化等措施。药剂合理添加主要是为了保证料浆中药剂的最佳浓度，一般先加调整剂，再加捕收剂，最后加起泡剂。所加药剂的种类和数量，应根据欲选废物颗粒的性质通过试验确定。调泡为浮选气泡的调节。气泡主要是供疏水颗粒附着，并在料浆表面形成三相泡沫层，不与气泡附着的亲水颗粒则留在料浆中。因此，气泡的大小、数量和稳定性对浮选具有重要影响。气泡越小，数量越多，气泡在料浆中分布越均匀，料浆的冲气程度越好，为欲浮颗粒提供的气液界面越充分，浮选效果越好。对机械搅拌式浮选机，当料浆中有适量起泡剂存在时，大多数气泡直径介于0.4～0.8mm，最小0.05mm，最大1.5mm，平均0.9mm左右。正浮选：将有用物质浮入泡沫产品，而无用或回收经济价值不大的物质仍留在料浆中，这种浮选法称为正浮选，该浮选方法应用较多；反浮选：将无用物质浮入泡沫层中，将有用物质留在料浆中的浮选法称为反浮选。当固体废物中含有两种或两种以上的有用物质需要浮选时，通常可采用优先浮选或混合浮选方法。优先浮选：将固体废物中有用物质依次浮出，成为单一物质产品的浮选方法。混合浮选：将固体废物中有用物质共同浮出为混合物，然后再把混合物中有用物质依次分离的方法。浮选是固体废物资源化的一种重要技术。我国已经应用于从粉煤灰中回收炭，从煤矸石中