浮选基本原理安徽理工课件

浮游选矿矿物加工工程系第一章浮选基本原理

1.1概述

浮游选矿又称浮选，从水的悬浮液中（称矿物和水的悬浮液为矿浆）浮出固体的过程。浮选是由于不同固体矿物的表面性质差异，通过它们对矿浆中液体和气体的作用不同而实现分选的。有的矿物疏水、亲气，可粘附到气泡上，进入泡沫成为精矿，另一些亲水、疏气的矿物则不和气泡粘附，留在矿浆中成为尾矿(正浮选)

现代的泡沫浮选过程一般包括以下作业：①磨矿——即先将矿石磨细，使有用矿物与其他矿物或脉石矿物解离；②调浆加药——调整矿浆浓度适合浮选要求，并加入所需的浮选药剂，以提高效率；③浮选分离——矿浆在浮选机中充气浮选，完成矿物的分选；④产品处理——浮选后的泡沫产品和尾矿产品进行脱水分离。1.2固、液、气各相性质

自然界的矿物按工业用途可分为两大类：工业矿物和能源矿物。前者多为晶体矿物，后者则为非晶体矿物。1.矿物的晶体结构

晶体化学中根据晶体内部质点和键的性质将矿物晶体分为四类：离子晶体、原子晶体（共价晶体）、分子晶体和金属晶体。

1.2.1固相的结构和性质

(1)离子晶体：离子晶体由阴离子和阳离子组成，阴、阳离子交替排列在晶格结点上，它们之间以静电引力相结合，这种结合力所形成的键称离子键。(2)原子晶体：原子晶体由原子组成，晶格结点上排列的是中性原子，靠共用电子对结合在一起，这种键称原子键或共价键，极性较强。(3)分子晶体：分子晶体的晶格中分子是结构的基本单元，分子间由极弱的范德华力（即分子间力）或分子键联接。组成晶体的分子键很弱，因此硬度较小，对水的亲和力弱。多数层状构造矿物层与层之间常以弱分子键相连。(4)金属晶体：金属晶体的结点上为金属阳离子，周围有自由运动的电子，阳离子与公有电子相互作用，结合成金属键。2.矿物的表面键能、极性与天然可浮性的关系

矿物晶格破裂时，由于暴露在表面的键型不同，矿物表面性质也就不同，其规律大致如下：①当断裂面以离子键为主，表面不饱和键具有强的静电吸引力，为强不饱和键。②当断裂面以共价键为主，表面不饱和键多为原子键。该类表面有较强静电力或偶极作用，亦为强不饱和键。③当断裂面以分子键为主，其表面不饱和键多为弱键。如矿物表面以定向力、诱导力为主，此种弱键又强于色散力为主的弱键。矿物表面键能的差异对矿物的可浮性有极大的影响。1.亲水性表面，此时的矿物可浮性差。2.疏水性表面，此时的矿物可浮性好。3.煤的组成结构与可浮性

(1)煤的基本组成煤的组成有明显的不均匀性。煤是由有机质和多种无机矿物组成的复合体，其成分随煤化程度的变化而大幅度变化。

按煤岩学的观点，煤有四种主要组分：丝炭、暗煤、镜煤和亮煤。

(2)煤的结构模型

万—克列维廉提出的煤的结构模型

煤主要是由芳香网络所组成，即是多环芳香族高分子化合物，是由大量苯核结合的芳香族化合物，由多层平面碳网组成，但也存在侧链。

⑤煤表面上的含氧官能团和无机矿物质虽使煤具有了一定亲水性，但这些部位也有较高的化学活性，捕收剂中的某些杂极性分子可以吸附在这些活性部位，从而提高整个煤粒的疏水性；⑥煤的变质程度对煤的可浮性有很大的影响。通常，中等变质程度的煤具有最好的可浮性。变质程度高和变质程度低的煤，其可浮性均有下降。变质程度低时，含氧官能团数量大，孔隙度达10%以上；变质程度高时，亲水的含氧官能团数量虽有所降低，但侧链含量也减少，而且侧链变短，使疏水程度降低，孔隙度也比中等变质程度时有所增加，因此，在两种情况下，可浮性均较差；1.2.2液相的结构和性质

浮选时液相为水，液体水的结构和性质对矿物表面性质、浮选药剂的性质及浮选过程均产生极大的影响，决定了浮选的特征。

1.水分子的结构特点水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，三个原子核构成以两个质子为底的等腰三角形，见图别。水分子则会根据矿物表面的极性不同在其表面进行不同形式的定向排列，形成不同性质的水化层或水化膜，使矿物表面的自由能发生变化。3.水的溶解能力水的溶解能力在浮选过程中具有相当重要的作用。由于水会对矿物表面的一些离子溶解，从而改变矿物表面的化学组成、界面电性及液相的化学组成，结果也改变了矿物在浮选过程中的行为。

1.2.3气相及其性质

泡沫浮选过程中，空气所形成的气泡是一种选择性的运载工具。浮选矿浆中某些颗粒能够粘附到气泡上浮出，其余则不能粘附到气泡上而留在矿浆中，从而将它们分离。浮选中的气相主要是空气，空气主要是由氧、氮、二氧化碳等组成的混合物。空气中不同成分在水中的溶解度不同，因而与矿物和水的作用也不同，对分选有不同影响。1.3.1润湿性、水化现象与可浮性

1.矿物表面的润湿性（1）润湿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。这两种不同现象表明，玻璃能被水润湿，是亲水物质；石蜡不能被水润湿，是疏水物质。1.3相界面性质与可浮性如图三种基本润湿形式(a)附着润湿；(b)铺展润湿；(c)浸没润湿

润湿：任意两种流体与固体接触后，所发生的附着、展开或浸没现象。其结果是一种流体被另一种流体从固体表面部分或全部被排挤或取代，这是一种物理过程，且是可逆的。（2）接触角

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。

当θ>90°时，σSL>σSG，矿物表面不易被水润湿，称为疏水表面；当θ<90°时，σSL<σSG，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

(3)接触角的测定接触角的测定方法有很多，如观察测量法、斜板法、光反射法、长度测量法和浸透测量法等等，1.3.2矿物的表面电性与可浮性

矿物在水溶液中受水偶极及溶质的作用，表面会带一种电荷。矿物表面电荷的存在影响溶液中离子的分布：带相反电荷的离子会被吸引到表面附近，带相同电荷的离子则被排斥而远离表面，于是矿物—水溶液界面产生电位差。这种在界面两边分布的异号电荷的两层体系称为双电层。1.矿物表面电性起源

矿物表面电性起源，归纳起来，主要有以下四种类型：①优先解离（或溶解）——离子型矿物在水中由于表面正、负离子的表面结合能及受水偶极的作用力（水化）不同而产生的向水中非等当量转移的结果，使矿物表面荷电。②优先吸附——这是矿物表面对电解质阴、阳离子不等量吸附而获得的电荷。③吸附和电离——对于难溶的氧化矿物或硅酸盐矿物表面，因吸附H+或OH-而形成酸类化合物，然后部分电离而使表面荷电，或形成羟基化表面，吸附或解离H+而荷电。

④晶格取代——粘土、云母等硅酸盐矿物是由铝氧八面体和硅氧四面体的层状晶格构成的。在铝氧八面体层片中，当Al3+被低价的Mg2+或Ca2+取代，或在硅氧四面体层片中Si4+被Al3+置换，结果会使晶格带负电。为维持电中性，矿物表面就吸附某些正离子（例如碱金属离子Na+或K+）。当矿物置于水中时，这些碱金属阳离子因水化而从表面进入溶液，故这些矿物表面荷负电。2.双电层结构及电位

矿物表面双电层结构（斯特恩修改模型）A——内层(定位离子层)；B——紧密层(Stern)；C——滑动界面；D——扩散层；ψ0——表面电位；ψδ——Stern层电位；ζ——电动电位

在双电层内层吸附的离子称为定位离子。定位离子可以在界面间实现转移。

在双电层外层吸附的离子，称为配衡离子，也称反号离子。(1)双电层中的电位

①表面电位——双电层的表面电位是指固体表面与溶液之间的电位差，又称表面总电位或电极电位，常用ψ0表示。②斯特恩电位——即紧密层与溶液之间的电位差。③电动电位——当颗粒在外力作用下移动时，双电层中的扩散层与固体表面斯特恩层之间有一个滑动界面，滑动界面上的电位和溶液内部的电位差称为电动电位，又称Zeta电位，常用ξ表示。不论矿物导电性能如何，矿物的电动电位可实际测得。常用的方法有微电泳法、电渗法和流动电位法。(2)零电点和等电点

①零电点——矿物的表面电位由定位离子活度决定，当溶液浓度很低时，就等于它的浓度。在某一定位离子浓度下，矿物表面的正电荷数恰好等于负电荷数，此时，矿物表面的净电荷为零。这时，溶液中定位离子浓度的负对数值称为该矿物的零电点（简称ZPC或PZC）。②等电点——一些表面活性电解质可在矿物表面产生特性吸附，这既可改变电动电位大小，也可改变其符号。电动电位改变符号或电动电位恰好等于零时的电解质活度负对数值称为等电点或电荷转换点（简称PZR，或IEP）。

(3)双电层的测定

双电层的测定实际上包括矿物的表面电位和电动电位。①表面电位测定：固相在水溶液中能构成一个可逆电极，它的表面电位（ψ0）可根据不同条件下定位离子的活度，用能斯特公式加以计算。②电动电位测定：电动电位对浮选过程影响很大，加上其测定容易，因而在浮选研究中具有重要的意义。现常用三种方法测定。电泳法——在给定电势梯度的外加静电场中测量电解质溶液内部悬浮带电胶体颗粒的流动性或迁移率后算出。该法所需物料少，装置完备，测试简单，是浮选研究中采用最多的。流动电位法——是通过流体流过一根毛细管或压缩的固体颗粒所构成的多孔柱形塞毛细管组时在两端产生的电位差来计算的。电渗法——是通过在外加电势作用下溶液流过一根或一组毛细管系统的数量来计算的。

如图为针铁矿的浮选特性与表面电荷的关系

针铁矿的零电点pH＝6.7，当pH<6.7时，矿物表面荷正电，采用阴离子型（负电性）捕收剂十二烷基硫酸钠时药剂大量吸附，浮选效果很好，而采用阳离子型（正电性）十二胺捕收剂时则很难吸附，几乎不能浮选。同样当pH>6.7时，矿物表面带负电，用阳离子型十二胺浮选效果很好，而用阴离子型捕收剂则基本不浮1.3.3吸附现象与可浮性

1.吸附与浮选吸附是液体（或气体）中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。对液体，当将某种溶质加入到溶液中，如果能使溶液表面能降低，表面层溶质的浓度大于溶液内部，则称该溶质为表面活性剂或表面活性物质，这种吸附称为正吸附。加入溶质后，使溶液的表面能升高，表面层溶质的浓度小于溶液内部，则称该溶质为非表面活性剂或非表面活性物质，这种吸附称为负吸附。当吸附达到平衡时，单位面积上所吸附的吸附质的摩尔数，称为在该条件下的吸附量，通常用Γ表示。2.吸附的种类

(1)按吸附的本质，可分为物理吸附和化学吸附两类:①物理吸附——凡是由范德华力（分子键力）引起的吸附都可称物理吸附。其特征是热效应小（一般仅20kJ/mol左右）、无选择性、吸附快、具有可逆性、易解吸、吸附的分子可在矿物表面形成多层等。②化学吸附——凡是由化学键力引起的吸附称化学吸附。该吸附质可在矿物表面之间发生电子转移，并在矿物表面形成难溶性化合物，但不能生成新相。其特征是热效应大（通常在84~840kJ/mol之间）、吸附牢固、不易解吸、吸附不可逆、通常只有单层吸附、吸附具有很强的选择性、吸附慢。(2)按吸附物的形态①分子吸附——溶液中被溶解的溶质以分子形式吸附到固—液、气—液等相界面上。②离子吸附——溶液中以离子形态存在的溶质离子（如捕收剂和活化剂离子）在矿物表面的吸附称离子吸附。③半胶束吸附——溶液中长烃链捕收剂浓度较高时，矿物表面吸附捕收剂非极性端，在范德华力的作用下，发生缔合作用，形成类似胶束的结构，称为半胶束吸附。④捕收剂等在矿浆中反应的产物也可在矿物表面产生吸附。(3)按吸附作用方式和性质

①交换吸附——指溶液中某种离子与矿物表面上另一种相同电荷符号的离子发生等当量交换而吸附在矿物表面。②竞争吸附——当矿浆溶液中存在多种离子时，它们在矿物表面的吸附决定于表面的活性及其在溶液中的浓度，即决定于相互竞争。③特性吸附——当矿物表面对溶液中某种组分有特殊的亲和力所产生的吸附称特性吸附。(4)按双电层中吸附的位置

①双电层内层吸附(又称定位离子吸附)——矿物表面吸附溶液中的晶格离子、晶格类质同象离子和其他双电层定位离子(例如H+和OH+)，吸附到双电层内层，吸附结果使矿物表面电位改变数值或符号，这种吸附称定位离子吸附。②双电层外层吸附——双电层外层吸附是溶液中溶质分子或电荷符号与矿物表面相反的离子在双电层外层上的吸附。3.浮选相界面吸附

①气—液界面的吸附②固—液界面的吸附③液—液界面吸附

1.4气泡矿化

浮选过程中颗粒附着于气泡上的过程称为气泡的矿化。1.4.1气泡矿化的影响因素

浮选过程可以分为四个阶段：第一为接触阶段；第二为粘着阶段；第三为升浮阶段；第四为泡沫层形成阶段，最后形成稳定泡沫层，并及时刮出。1.4.2气泡矿化形式

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