黄铁矿浮选过程中气泡-颗粒相互作用研究

发布时间：2020-06-26 23:57

【摘要】：颗粒-气泡间液膜薄化破裂过程是颗粒-气泡粘附的关键过程。诱导时间表示在浮选过程中,将颗粒粘附在气泡上所需的液膜薄化破裂时间。目前,诱导时间的测量主要使用Glemobtsky方法,该方法主要针对静态颗粒床层,但是在浮选过程中,所有的颗粒都处于运动状态,因此使用Glemobtsky方法进行的诱导时间测量并不能完全代表浮选中的颗粒-气泡粘附相互作用。同时,由于存在大量气泡和颗粒,很难采用高速摄像头确定浮选槽中的颗粒-气泡粘附过程的临界接触时间。因此,采用基本的浮选模型成为研究颗粒-气泡在浮选中临界接触时间的重要手段。此外,疏水力作为颗粒-气泡粘附过程的重要驱动力,其来源和大小仍不明确,尽管采用原子力显微镜(AFM)等手段能够对疏水力和液膜薄化过程进行测量,但是在待测颗粒高度非规则的条件下,颗粒-气泡相互作用过程中疏水力的测定是非常困难的。碰撞后气泡和黄铁矿颗粒之间的粘附相互作用模型可以为浮选过程中颗粒-气泡矿化过程提供新的理论视角。论文首先通过对黄铁矿纯矿物样品进行微浮选试验,得到了不同化学条件下黄铁矿的浮选回收率和浮选时间的关系,并用经典一阶动力学模型:R=R_∞??1-exp(-kt)??对不同条件下浮选回收率与时间的变化关系和浮选速率常数进行了拟合,结果表明,经典一阶动力学模型能够很好的拟合黄铁矿在黄药溶液中的浮选动力学(R~20.99)。基于CCD高速动态相机测量了气泡图像,利用图像分析软件(Image-Pro Plus 6.0,Media Cybernetics)对气泡图像进行分析,得到了Finch-Dobby模型中的关键参数:气泡大小和气泡上升速度。利用Finch-Dobby模型给出了颗粒-气泡表面在不同流态下(势流,中间流和斯托克斯流)的相互作用以及浮选回收速率常数和浮选概率的函数关系,给出了流动和非流动气泡表面的临界接触时间计算通式。试验结果表明,气泡的雷诺数为80.16,适用于势流模型,对于流动气泡和非流动气泡表面,浮选速率和临界接触时间的函数关系均为指数衰减关系(R~2=0.9999)。结合浮选速率试验结果,可以计算得到颗粒-气泡间的临界接触时间。流动气泡表面的临界接触时间趋向于低于非流动气泡表面的临界接触时间,而当颗粒粒度越小,颗粒的沉降速度V_s越小,流动气泡和非流动气泡的结果相接近。基于颗粒-气泡的碰撞效率,考虑了颗粒粒度对浮选概率的影响(碰撞半径),推导了颗粒-气泡不同流态下相互作用的一阶速率常数方程:=kβπ(U_b+BV_s)N_1 N _2P/N_1。该模型可以结合经典Finch-Dobby模型对不同流态下的气泡-颗粒相互作用以及流动和非流动气泡表面的临界接触时间进行计算,计算结果表明,浮选速率和临界接触时间的函数关系为指数衰减关系(R~2=0.9999)。结合浮选速率试验结果,可以得到颗粒-气泡间的临界接触时间。对于经典Finch-Dobby模型,浮选概率与颗粒粒度无关,而基于颗粒-气泡碰撞效率的一阶速率方程加入了颗粒粒度对浮选概率的影响。试验结果表明,在试验粒度范围内(从-75+38μm到-212+150μm),随着颗粒粒度的增加,新模型的结果接近于Finch-Dobby模型。通过CCD高速动态相机,探索了颗粒在移动气泡表面的滑移过程及其影响因素。通过CCD高速动态相机研究了不同初始碰撞角,矿浆pH值、捕收剂用量和颗粒粒度下黄铁矿颗粒在气泡表面滑动的滑动过程,并记录了滑动时间,探索了溶液化学环境对黄铁矿颗粒在气泡表面滑动过程的影响。试验结果表明,初始碰撞角、pH值、黄药浓度和颗粒粒度均显著影响黄铁矿颗粒在气泡表面的滑动过程,滑动时间可以采用下式估计:t_(sl)=β_1(p H)~(β2)(C_P _(AX))~(β3)(D _P)~(β4),其中β1,β2,β_3和β_4系数是碰撞角θ_r的函数。当碰撞角θ_r在0~o和90~o之间时,系数β_2和β_4为正值,而系数β_3为负值,表明滑动时间与矿浆pH和D_p呈正相关关系,而与黄药浓度呈负相关关系。实验和计算的滑动时间取得了很好的一致性,平均相对误差为2.18%。该关联式具有很强的非线性,可用于较大范围的滑动时间预测,便于更好地理解黄铁矿颗粒在滑动相互作用过程中与气泡的粘附相互作用。基于Glemobtsky方法的诱导时间试验,综合运用Yoon理论和Stefan-Reynolds模型研究了气泡和黄铁矿颗粒间的液膜薄化过程,提出了黄铁矿——黄药体系疏水力常数(K_(132))的计算方法。应用四阶Runge-Kutta方法,求解了Stefan-Reynolds模型,得到了不同给定疏水力常数下水化膜薄化过程的时空演化规律,并结合Yoon理论确定的临界水化膜厚度(h_(cr))和试验确定的诱导时间确定了气泡与颗粒相互作用过程的关键参数——疏水力常数(K_(132))。探索了溶液化学条件对黄铁矿-气泡间水化膜薄化过程的影响,水化膜薄化过程中的关键参数如诱导时间,疏水力常数,能垒和临界水化膜厚度(h_(cr))可以采用下式估计:Y=β_1(Co nc.)~(β2)(p H)~(β3),并采用系数消去法定量分析了溶液化学条件对水化膜薄化过程的影响,结果表明,溶液酸碱度是最显著的变量(b(β_3=0)≥0.98)。黄铁矿颗粒-气泡在黄药溶液中的水化膜薄化过程既取决于静电双层力,也取决于疏水力,液膜和胶体力对气泡-颗粒间的吸附作用具有重要的影响。探索了通过改变浮选溶液化学环境改善煤炭浮选脱硫的可行性。探索了抑制剂对煤炭-黄铁矿浮选体系中的改善效果,试验结果表明,在黄药捕收剂下,淀粉抑制剂对黄铁矿和煤的抑制作用具有明显的差异,且该差异随着黄药浓度的增加而增加。采用紫外可见光谱和zeta电位分析了黄药在煤样和黄铁矿表面的吸附特性,采用溶液消耗法确定了黄药在黄铁矿/煤颗粒表面的吸附密度,结果表明,黄药在煤表面的吸附量远低于在黄铁矿表面的吸附量,同时,黄药在黄铁矿表面的吸附量随溶液pH的增加而减少,而黄药在煤表面的吸附量几乎与溶液pH无关,此外,黄铁矿样品的超声波脱泥处理有利于大量减少黄药在浮选过程中的药剂消耗。通过XPS对煤样的官能团进行分析,确定了两种煤样的亲水性系数HA,结果表明,在淀粉抑制剂存在条件下,煤表面亲水性差异对黄铁矿浮选结果无明显影响。黄铁矿在煤中浮选过程相应参数如临界接触时间,粘附概率,临界碰撞角,浮选回收率和浮选速率常数可以采用下式估计:Y=β_1(Co nc.)~(β2)(p H)~(β3)(H A)~(β4)(D _p)~(β5),并对溶液化学条件对黄铁矿在煤中浮选行为的影响进行了显著性分析,结果表明:在抑制剂存在的条件下,溶液酸碱度和粒度是黄铁矿在煤中的浮选过程最显著的变量,而煤样表面的亲疏水性对黄铁矿在煤中浮选行为没有显著影响。该论文有图86幅,表31个,参考文献202篇。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD923;TD951
【图文】：

技术路线图,颗粒,气泡,浮选溶液化学

铁矿颗粒-气泡间的碰撞粘附过程研究。通过黄铁矿颗粒-气泡的微浮选试选速率常数（k），并结合 Finch-Dobby 理论/基于碰撞效率的一阶速率方颗粒进入泡沫产品的总概率（P）和浮选速率常数（k）之间关系，拟合矿颗粒-气泡间的临界接触时间。铁矿颗粒在气泡表面的滑移过程研究。通过 CCD 高速动态相机，在不同研究黄铁矿颗粒在气泡表面的滑移过程特性。铁矿颗粒-气泡间的水化膜薄化过程研究。在黄铁矿颗粒-气泡间诱导时间础上，通过 Yoon 理论及 Stefan-Reynolds 水化膜时空演化方程，拟合粒-气泡间水化膜薄化过程的关键参数-疏水力常数（K132）。过改变浮选溶液化学环境改善煤炭浮选脱硫的可行性研究。通过 XPS, SE XRD, Uv-Visible spectrum，zeta potential 等手段对不同煤阶的表面特性，探索通过改变浮选溶液化学环境改善煤炭浮选脱硫的可行性。术路线（Technical Route）

示意图,颗粒,示意图,颗粒流体

而颗粒的惯性和重力共同作用将颗粒颗粒流体流线并朝向气泡的上表面移动。颗粒接近气泡的示意图如图2-1 所示。x 和 y 方向的运动方程是** **=S +xk x xdvu vdt（2-1）( )** * **=S + yk p y ydvu u udt（2-2）其中左边项是惯性项。Sk是斯托克斯数，由下式给出21S9ρρ = p pk bl bdRed（2-3）图 2-1 颗粒接近气泡的示意图。x、y 和 r 坐标是无量纲的；在气泡表面 r2=x2+y2=lFigure 2-1 Illustration of a particle approaching a gas bubble. x, y and r coordinates aredimensionless; at the bubble surface r2=x2+y2=l式中，vx，y*和 ux，y*分别是颗粒和液相的速度（x 或 y 方向的分速度），up*是颗粒的沉降末速，所有这些参数都是通过除以气泡上升速度，ub，得到的无量纲参数。t*是乘以（ub/db）得到的无量纲时间。假设 Stokes 方程成立

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