《选煤技术》“浮选胶体界面化学与过程强化”特约专栏

来源：选煤技术

浮选是低品质矿及煤分选提质的有效手段，其中微细粒浮选难题突出，而纳米气泡则是解决该难题的重要途径，但关于纳米气泡浮选过程强化的诸多基础科学问题仍未解决。为促进微细粒纳米气泡浮选过程强化技术的开发，重点围绕浮选过程中纳米气泡的界面选择性成核动力学、界面纳米气泡超常稳定性机理及纳米气泡强化颗粒-气泡捕获效率微观作用机制等三个关键科学问题，介绍了笔者团队在纳米气泡浮选过程强化方向的最新研究进展。

行业视野: 加工
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纳米气泡浮选过程强化研究进展

作者(Author)：邢耀文, 杨海昌, 桂夏辉, 曹亦俊

摘要：浮选是低品质矿及煤分选提质的有效手段，其中微细粒浮选难题突出，而纳米气泡则是解决该难题的重要途径，但关于纳米气泡浮选过程强化的诸多基础科学问题仍未解决。为促进微细粒纳米气泡浮选过程强化技术的开发，重点围绕浮选过程中纳米气泡的界面选择性成核动力学、界面纳米气泡超常稳定性机理及纳米气泡强化颗粒-气泡捕获效率微观作用机制等三个关键科学问题，介绍了笔者团队在纳米气泡浮选过程强化方向的最新研究进展。研究结果表明：纳米气泡的选择性成核是纳米气泡浮选过程强化的关键，而纳米气泡的稳定性则是纳米气泡浮选过程强化的前提；纳米气泡浮选过程强化的机制主要包括促进颗粒絮团与缩短诱导时间，其内在作用机制来自纳米气泡长程疏水引力与边界滑移的协同作用。笔者团队的研究阐明了纳米气泡固-液界面选择性成核的能量作用机制，提出了基于界面高密度气层自动补偿的界面纳米气泡稳定性机理，建立了微纳力学-边界滑移协同驱动的纳米气泡强化浮选界面作用机制，进一步丰富发展了现代浮选基础理论，为开发微细粒纳米气泡浮选过程强化技术提供了一定的指导。

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2024年第04期

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浮选颗粒条栅结构表面润湿行为特性研究

作者(Author)：张锐, 于锋, 邢耀文, 桂夏辉

摘要：矿物颗粒间表面润湿性差异是浮选成功的关键，受表面化学性质与物理形貌结构的双重影响。为进一步明确表面物理形貌结构对液滴在矿物颗粒表面上润湿行为的影响，采用光刻显影技术制备了5种具有不同粗糙度系数和表面面积分数的条栅结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，并利用自制的动/静态接触角测量系统及润湿三相接触线行为测试系统对液滴在PDMS表面上的润湿行为进行了测试。动/静态接触角测试结果表明：当表面粗糙度系数相同时，固体表面面积分数增加，条栅结构表面不同润湿方向上的接触角均呈减小趋势，而当表面面积分数相同时，条栅结构表面不同润湿方向上的接触角则与固体表面粗糙度系数呈正相关；此外，各样品表面垂直于条栅结构方向的动/静态接触角均大于平行方向（即θ⊥ > θ∥），且不同润湿方向上接触角的差异随样品表面润湿性的增强而减小。动态接触角测试结果还表明：表面接触角滞后（Δθ = θa − θr）与表面面积分数呈正相关，而与表面粗糙度系数呈负相关，且前进与后退接触角的预测值与试验值基本吻合，说明动态接触角能够真实地反映固体表面润湿性；此外，在液滴滚动时，其运动行为总是周期性地发生后端接触线先从固体表面分离，而后液滴重新与固体表面发生黏附形成新的前端接触线的过程，这种运动特性在不同条栅结构表面上完全相同。润湿三相接触线行为测试结果表明：液滴在条栅结构表面优先沿着条栅结构方向润湿或去润湿，而跨越条栅结构润湿时，受表面微结构的“钉扎”作用，润湿半径远小于平行润湿方向，且三相接触线在不同条栅结构表面的移动均呈现“解钉—钉扎—再解钉—再钉扎”的一种断续周期性过程。研究结果深化了矿物颗粒表面物理形貌结构对其润湿行为特性的影响，可为后续通过表面形貌调控颗粒表面润湿性起到一定的理论支撑作用。

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2024年第04期

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浮选气泡尺寸对粗颗粒-气泡涡旋湍流脱附机制的影响

作者(Author)：史文庆, 丁世豪, 尹青临, 何琦, 曹亦俊, 桂夏辉, 邢耀文

摘要：气泡是浮选过程中不可或缺的重要角色，其尺寸对颗粒-气泡间相互作用有着显著影响，然而气泡尺寸对粗颗粒-气泡涡旋湍流脱附机制的影响尚未清晰。为此，采用自制的颗粒-气泡受限湍流脱附测试平台探索了涡旋湍流中不同气泡尺寸的气絮体上颗粒的脱附行为，并运用Image-Pro Plus图像处理软件对颗粒脱附过程的动力学参数进行了测量分析。结果表明：在确保气泡浮力的前提下，减小气泡尺寸能够显著提升粗颗粒-气泡的矿化气絮体在涡旋湍流中的稳定性；涡旋湍流中气絮体上颗粒的脱附主要表现为流体剪切、气泡振荡和颗粒离心三种脱附形式，方腔内涡旋结构的改变对气絮体上颗粒的脱附方式至关重要；区别于传统离心脱附理论，涡旋湍流驱使下颗粒并非单独在气泡表面做高速离心运动，而是与气泡一起做离心运动，且小气泡与颗粒在方腔内共同旋转时，位于气泡外缘的颗粒与气泡运动速度接近，相应气絮体稳定性高，颗粒不易发生离心脱附，而大气泡形成的气絮体中，气泡外缘的颗粒与气泡运动速度差异明显增大，颗粒相对于气泡旋转更快，从而使得颗粒所受离心力显著增强，增加了离心脱附的可能性。研究结果有望对涡旋湍流场中粗颗粒的脱附机制提供一个基本认识。

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2024年第04期

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基于不同疏水性煤模型制备的气泡与煤表面黏附机制研究

作者(Author)：朱春云, 于锋, 李明, 孙丽娟, 邢耀文, 桂夏辉

摘要：常规气泡探针研究中常采用云母、金片等作为矿物模型，难以准确反映煤样表面微纳结构与化学性质，进而难以充分反映气泡与煤表面间的黏附机制。为此，通过在二氧化硅表面旋涂沥青并进行不同时间的氧化处理，制备得到了化学性质与煤更相似且具有不同疏水性的煤模型；基于对制备得到的煤模型进行接触角测试、粗糙度测试、碰撞黏附行为的高速动态测试以及AFM气泡探针测试，明确了气泡与不同疏水性煤表面间的黏附机制。制备得到的强疏水性、中等疏水性、弱疏水性煤模型表面的静态接触角分别为95.19°，75.24°，55.23°，算术平方根粗糙度分别为0.29，0.46，0.43 nm。宏观黏附行为中，流体力和表面力共同支配气泡与煤表面的相互作用过程；高速动态测试中，流体力强于表面力导致气泡与不同疏水性煤表面间碰撞次数无明显差异；准静态环境中，在表面力驱动下气泡与强疏水性煤表面间液膜于345 ms破裂，与中等疏水性煤表面间液膜于845 ms发生破裂，与弱疏水性煤表面间液膜则并未发生破裂。气泡探针测试中，驱动速度为1 μm/s时，气泡与强疏水性煤表面在进针过程中斥力为23.08 ± 3.93 nN的位置处发生了跳入黏附，当驱动速度速度增加至10 μm/s时，气泡与煤表面间黏附发生了滞后，而驱动速度增加至30 μm/s时，黏附行为则被完全抑制；随着煤表面疏水性的降低，不同驱动速度下气泡均未发生黏附，仅在退针过程中测得引力且与驱动速度呈正相关；对于强疏水性煤表面，降低流体力有利于表面力驱动液膜薄化破裂从而促进黏附，而对于中等及弱疏水性煤表面，增加流体力则可增大颗粒与气泡远离过程中的流体倒吸引力从而有利于提高颗粒与气泡的黏附概率。

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2024年第04期

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浮选调浆水质环境对气泡粒径分布影响的研究

作者(Author)：孟庆勇, 金亮, 李军文, 杨明, 张勇, 朱宏政

摘要：为研究浮选水质对气泡粒径分布的影响，利用图像分析法测定了不同调浆水质环境下气泡粒径分布特征，研究了Ca2+浓度、Al3+浓度、pH值、水质硬度变化对气泡粒径分布的影响。研究结果表明：随着Ca2+、Al3+浓度的增加，气泡平均粒径减小，当离子浓度达到临界兼并浓度10−2 mol/L时，气泡平均粒径保持恒定；随着pH值增大，气泡平均粒径先增大后减小，在pH = 7时气泡平均粒径最大，溶液呈酸性（pH < 7）时气泡平均粒径大于溶液呈碱性（pH > 7）时的气泡平均粒径；随着水质硬度逐渐增大，气泡平均粒径逐渐减小，当水质硬度达到临界兼并浓度600 mg/L CaCO3时，气泡平均粒径不再继续减小，之后保持稳定，气泡稳定的平均粒径约为0.45 mm。研究结果为浮选调浆调控气泡尺寸、改善气泡矿化效果提供了理论和技术支撑。

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起泡剂对浮选气泡特征的影响研究

作者(Author)：庞士虎

摘要：为了研究十二胺和仲辛醇对气泡粒径及其运动特性的影响，采用图像分析法测定气泡的粒径分布，利用表面张力仪测定不同条件下的表面张力，并搭建气泡运动测试系统，通过高速摄像技术拍摄分析气泡运动状况。研究结果表明：随着十二胺和仲辛醇药剂浓度的增大，气泡粒径逐渐减小并在达到临界兼并浓度（CCC值）后趋于稳定，十二胺和仲辛醇的CCC值均为0.043 2 mmol/L；溶液的表面张力则随着药剂浓度的增大而线性减小，相同条件下十二胺溶液的表面张力低于仲辛醇溶液；在仲辛醇溶液中添加十二胺，气泡临界兼并浓度和稳定粒径均减小，溶液表面张力和吸附密度均减小；气泡上升过程中其纵横比随着药剂浓度的增加而逐渐增加并趋于稳定，相同条件下十二胺溶液中气泡纵横比大于仲辛醇溶液；在仲辛醇溶液中添加十二胺有利于提高气泡纵横比；气泡上升速度随着药剂浓度的增加而逐渐减小，相同条件下十二胺溶液中气泡上升速度小于仲辛醇溶液，在仲辛醇溶液中添加十二胺有利于降低气泡上升速度。气泡上升速度与其纵横比呈负线性相关，这种相关性与药剂种类、浓度和混合机制无关。

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高剪切调浆预处理对煤泥浮选动力学的影响研究

作者(Author)：张峰, 杨润全, 王怀法

摘要：为明确高剪切调浆预处理对煤泥浮选动力学的影响，基于对煤样的可浮性和粒度组成分析，通过改变调浆转速和调浆时间，以浮选精煤产率、灰分和浮选速率常数等作为试验指标进行了实验室单元浮选试验。结果表明：高剪切调浆可有效提高浮选速度并缩短浮选时间；适度的调浆转速和调浆时间可同步提高浮选精煤的产率和浮选过程的选择性；对于可浮性较好的细粒煤需要的调浆时间较短，对于可浮性较差的细粒煤则需适度延长调浆时间；相较于经典一级浮选动力学模型，KELSALL分速动力学模型更符合细粒煤可浮性分布的非均一性特点。研究结果对提高现有煤泥浮选工艺效果具有一定帮助。

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