微細粒浮選技術與裝備研究進展及其發展趨勢

肖遙，韓海生，孫偉，彭建，張碧蘭

(1.中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083；2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州，423037)

我國是礦產資源大國，資源豐富[1]。自21世紀初以來，隨著經濟和技術的高速發展，我國資源消耗加劇，雖然資源總量較大，但富礦越來越缺乏[2]，人們在對細顆粒特別是微細粒氧化礦物的回收和利用上遇到了很多困難，從而導致資源浪費較大[3]，如我國的鎢資源嵌布粒度小，回收難度大[4]。另一方面，節能降耗、提高資源利用率和建設綠色礦山越來越成為新時代礦山的發展目標[5]，尾礦、廢渣和可再生資源的綜合利用越來越受到人們的關注，它們具有粒度小、氧化性高、入選礦物含泥量高等特點，這對微細顆粒浮選工藝提出了很高的要求。同時，從全球礦山企業統計的數據來看，磷酸鹽礦物、含銅礦物、含鎢礦物等大部分因為粒度小、難以回收而造成較大損失[6]。對微細粒礦物進行回收利用，無論是對緩解我國資源緊張的壓力還是實現全球經濟的可持續發展都意義重大。

本文對微細粒礦物分選的發展現狀和技術瓶頸進行分析，對近年來微細粒浮選的新技術和新方法(主要是基于增加微細粒表觀粒徑強化微細粒浮選的方法和基于減小氣泡直徑強化微細粒浮選的方法)進行總結，并重點對微細粒浮選設備進行探討，分析湍流動能耗散率和多尺度氣泡對于浮選設備強化微細粒浮選效果的影響，旨在為微細粒礦物浮選新技術與新裝備開發提供借鑒。

1 微細粒浮選效果不佳的原因

在礦物浮選過程中，礦物的粒度能夠在很大程度上影響浮選指標[7]。研究表明，泡沫浮選的最佳粒度在5～75 μm范圍內[8]。在實際浮選過程中，對粒度為15～150 μm的礦物顆粒能夠得到較好的浮選效果[9-10]。TRAHAR[8]的研究結果表明錫石、黑鎢礦、重晶石、螢石、石英等礦物的浮選粒度界限分別為3～20 μm、20～50 μm、10～30 μm、10～90 μm和9～50 μm。當粒度超出最佳范圍時，不論是硫化礦浮選還是氧化礦浮選，其指標均明顯降低。

1.1 微細粒浮選過程中顆粒與氣泡作用特性

RALSTON等[11]利用多級串聯的浮選機浮選不同粒級的銅礦，對比了各臺浮選機內不同粒級銅礦的回收率，繪制了典型的按粒度浮選的曲線(見圖1)，并指出了粗顆粒礦物和微細粒礦物回收率下降的原因[11]。GAUDIN等[12]發現微細粒的浮選效果比常規粒度的礦物顆粒的浮選效果差的原因是顆粒與氣泡的碰撞效率低，而粗顆粒在浮選過程中回收率下降的原因是脫落概率高，所以，這2種情況的礦物顆粒浮選需要滿足不同的化學條件[12]，深入了解顆粒與氣泡的碰撞行為是提高微細粒浮選效果的關鍵。

圖1 不同粒徑的銅礦在多臺浮選機中的累計回收率Fig.1 Cumulative recovery of copper ores with different particle sizes in multiple flotation machines

在流體力學中，常用量綱一Stokes數(St)來表示顆粒在流體與氣泡相遇時所受到的慣性力和黏性力的權重。

式中：RP為顆粒半徑；vb為氣泡的運動速度；ρP為顆粒密度；μ為流體的動力黏度；Rb為氣泡半徑。由于微細粒徑具有體積小、質量小等特點，其St較小，表明微細粒徑在遇到氣泡時，慣性力難以克服流體的黏性力，此時，顆粒常跟隨流體的流線在氣泡周圍產生繞流；而常規粒徑的顆粒具有較大的慣性，能夠克服黏性力脫離流線運動，這將增大顆粒與氣泡碰撞的概率[13]。HASSANZADEH等[14]在粒徑為0～100 μm、氣泡直徑為0～2 mm、粒子密度為0～10 g/cm3時，研究了顆粒與氣泡相遇時存在的各類效應，得到了如圖2所示的結果[14]。在實際的浮選條件下，浮選槽內的氣泡直徑與顆粒粒徑相比較大，當顆粒與氣泡直徑接近時，通過湍流效應發生的碰撞通常難以在浮選中發生[15]，因此，當顆粒St極小時，顆粒與氣泡的碰撞將以攔截效應為主。HASSANZADEH等[14]發現攔截效應導致顆粒氣泡碰撞的概率與因慣性效應和重力效應產生的碰撞概率相比較小，這也解釋了以慣性效應和重力效應為主的粗顆粒與氣泡碰撞概率更高的原因。

圖2 顆粒-氣泡碰撞過程區域劃分Fig.2 Classification of particle bubble collision processes

1.2 微細粒浮選過程中存在的問題

除了浮選過程中的流體力學因素之外，還有很多方面造成微細粒浮選效果不佳。從化學方面的因素來看，微細粒礦物由于體積小，其慣性小，同時，比表面積和表面能反而比常規的入選顆粒的更大，這使得微細粒的捕收劑消耗更大，且更容易受到表面性質的影響，使其表面更容易具有活性(例如容易被氧化)[12]，影響浮選的選擇性，容易造成脈石礦物和目的礦物的非選擇性團聚；同時，微細粒礦物過小的體積也會造成微細粒更容易受到離子的影響，表面溶解度增大，對浮選環境產生不利的影響。FARROKHPAY等[16]分析了微細粒難以回收的物理和化學因素，所得結果如圖3所示。

圖3 微細粒浮選過程中的物理化學特征Fig.3 Physicochemical characteristic in fine particle flotation

從式(1)可以看出，增大顆粒的粒徑或減小氣泡的直徑能夠增大St，從而從根本上提高顆粒-氣泡的碰撞效率。因此，研究者大多從增大顆粒表觀粒徑和減小氣泡直徑這2個方面入手。

2 微細粒浮選技術的應用

2.1 基于增大礦物顆粒表觀粒徑強化微細粒分選的浮選技術

選擇性絮凝浮選技術是通過在礦漿中添加高分子絮凝劑，將礦物顆粒選擇性地團聚成較大的絮團，然后通過浮選技術回收微細粒的一種方法[6]，通常需要使用分散劑、調整劑、高分子絮凝劑和常規浮選藥劑等來完成整個浮選過程。

剪切絮凝浮選技術是在浮選作業之前，通過在礦漿和捕收劑的混合流體中采用高強度攪拌，使微細粒形成絮團從而增加顆粒表觀粒徑的一種浮選技術。高強度的攪拌使能量在礦漿中傳遞到更小的湍流渦中，能夠增強捕收劑和礦物顆粒的混合作用，而捕收劑在礦物表面產生的疏水鍵合力能夠使礦物顆粒團聚[1]。

油團聚浮選技術是通過在礦漿中添加中性油，中性油被分散成疏水性的油滴，疏水的目的顆粒通過油滴橋連接起來形成油團，從而增大表觀粒徑，之后通過浮選得到目標產物的一種技術[17]。

載體浮選技術被認為是一種很好的回收微細粒的一種技術[18]。邱冠周等[19]研究了赤鐵礦載體浮選的機理，將粒度為20～30 μm的赤鐵礦作為載體，浮選粒度在0～5 μm的微細粒赤鐵礦，與常規浮選相比，回收率明顯提高。

2.2 基于減小氣泡直徑強化微細粒分選的浮選技術

細顆粒的可浮性差通常歸因于浮選過程中顆粒與氣泡的碰撞效率低，常用Ec來表示顆粒與氣泡的碰撞效率。Ec受到很多因素的影響，但顆粒粒徑與氣泡的直徑之比會顯著影響Ec[20-21]。除了增大顆粒的表觀粒徑以外，減小氣泡直徑可強化微細粒的浮選效果[22-24]。DAI等[22]對完全疏水的石英顆粒采用不同直徑氣泡進行浮選研究，考察了不同粒徑的石英顆粒與不同直徑的氣泡之間的碰撞效率Ec，結果如圖4所示。

圖4 不同粒徑的石英顆粒與不同直徑氣泡之間的碰撞效率Fig.4 Collision efficiency between quartz particles with different sizes and bubbles with different sizes

從圖4可見：對于同一直徑的石英顆粒，直徑更小的氣泡與石英顆粒的碰撞效率更高。產生微氣泡的方式有很多種，包括溶氣法、空化法和電解法等。

3 湍流作用下的微細粒礦化和微細粒浮選裝備研究進展

3.1 湍流作用下的微細粒礦化

研究表明，浮選是一個與顆粒和氣泡數量有關的過程[25-28]。顆粒被氣泡捕獲的過程中涉及的微觀過程的動力學方程由給定體積內顆粒數量的去除率描述，如下式所示：

式中：Np和Nb分別為顆粒和氣泡單位體積內的數量；Pc、Pa和Ps分別為顆粒與氣泡的碰撞概率、黏附概率和穩定概率；z為顆粒和氣泡的碰撞核心數量。設Zpb為湍流場中顆粒與氣泡的碰撞率，則有

KOH等[26-28]在慣性效應明顯時給出了Zpb的具體表達式，但要求顆粒和氣泡的直徑均大于臨界直徑。NGUYEN等[29]研究了在湍流環境下顆粒與氣泡的微觀相互作用行為，并總結了湍流對浮選中顆粒與氣泡相互作用的研究進展，指出微觀湍流對浮選的影響還處在定性研究階段，需盡快開展定量研究[30]。在低湍流耗散情況下，KOH等[26]給出的Zpb表達式如下：

式中：dp為顆粒的直徑；db為氣泡的直徑；ε為湍流動能耗散率；v為流體的運動黏度?？梢酝ㄟ^浮選過程中顆粒被氣泡捕獲的概率P來間接反映浮選速率。P的定義式為

一般地，人們習慣用脫附概率Pd來代替Ps，則式(5)可以寫成

實際上，描述顆粒-氣泡相互作用的數值模型的主要假設有很多種，每種模型都有其適用范圍和缺點。HASSANZADEH等[14]對各種模型的適用范圍和缺點進行了總結。YOON等[31]假定碰撞在氣泡的整個上半表面上均勻分布，并忽略粒子的慣性效應后建立了碰撞概率和黏附概率模型。并對脫附概率模型進行了研究，上述模型在理論分析和實際研究中均被證實具有指導作用[25-28,32]。曹亦俊等[32]對上述各類模型進行了總結，得出不同流態下礦粒的捕獲概率公式，如表1所示。表1中：ub為氣泡的速度；dpmax=2Rpmax，為發生碰撞時顆粒的最大直徑；

表1 不同湍流條件下氣泡對礦物顆粒的捕獲概率Table 1 Trapping probability of mineral particles by bubbles under different turbulent conditions

式中：rsg為顆粒和氣泡的中心距離；g為重力加速度；θ為接觸角；Reb為氣泡雷諾數；ti為誘導時間；ρp為顆粒密度；ρf為水密度；Rp、Rb分別為顆粒半徑和氣泡半徑。

在接觸角θ=80°、氣泡密度ρb=1.29 kg/m3、顆粒密度ρp=1 500 kg/m3、水密度ρf=1 000 kg/m3、表面張力σ=0.062 N/m的條件下，曹亦俊等[32]根據表1進行計算，發現對于微細粒，高度湍流能夠有效地增加氣泡對礦物顆粒的捕獲概率。

強化微細粒浮選的有效流體動力學方法是增加流體的湍流動能耗散率，這就要求礦化時湍流動能耗散率能更高，同時，要使分離過程不受到劇烈的礦化過程影響。浮選設備只有滿足高湍流耗散率和靜態的分選環境才能最大化地強化微細粒的浮選效果。

3.2 微細粒浮選裝備的研究進展

3.2.1 以CPT浮選柱為代表的常規浮選柱

CPT浮選柱由加拿大CPT公司發明。該浮選柱采用逆流礦化原理使礦物得到分離和回收，是最典型的常規浮選柱之一。CPT浮選柱的結構示意圖如圖5所示[33]。浮選柱從中上部給礦，在給礦管后端布置礦漿分散器，保證礦漿能在柱體內均勻分布。在靠近尾礦口的下部布置Slamjet氣體分散器，氣泡從下往上運動，與礦漿運動方向相反，從而實現逆流礦化。Slamjet氣體分散器能夠將氣泡分散成微氣泡，對微細粒的浮選有一定的強化效果。

圖5 CPT浮選柱結構示意圖[33]Fig.5 Schematic diagram of CPT flotation column structure[33]

以CPT浮選柱為代表的常規浮選柱內最為核心的部件是位于浮選柱底部的發泡裝置。對浮選柱而言，根據發泡方式和安裝方式不同，可以將發泡器分為內部發泡器和外部發泡器[34-39]。

3.2.2 充填介質浮選柱

充填介質浮選柱相比于常規的浮選柱有相同點也有許多不同點。相同點是礦漿和氣泡的運動方向均是逆向運動，即“逆流礦化”，并且同樣是在靜態的流場環境下進行分選；不同點在于充填介質浮選柱內部沿軸向有充填介質[40-44]。充填介質浮選柱結構示意圖如圖6所示[43]。

圖6 充填介質浮選柱結構示意圖[43]Fig.6 Schematic diagram of filling medium flotation column structure[43]

充填介質浮選柱內的充填介質主要是針對常規浮選柱存在的問題而設計的。大型浮選柱存在下列2個使浮選指標降低的問題：一是浮選柱內沿軸向礦物顆?；旌蠂乐?，礦漿在大型浮選柱高徑比較小的情況下往往難以形成柱塞流；二是泡沫兼并的問題，浮選柱內的氣泡在上升過程中直徑增大，導致礦物顆粒負載量減小，同時，脈石礦物的夾帶將更加嚴重；此外，大的泡沫容易干擾泡沫層的穩定性[45]。

充填介質浮選柱內的充填介質一般包括填料和篩板。翟愛峰等[41,46]對比了2種充填介質的性能，所得結果如表2所示。

表2 填料充填與篩板充填的性能比較[41,46]Table 2 Performance comparison between filler filling and sieve plate filling[41,46]

填料充填通過圓筒型的隔板將浮選柱體分隔成軸向狹窄的空間，使礦漿和氣泡在每個狹窄的單元體內形成柱塞流，明顯改善了氣泡在浮選柱中的徑向分布，有效防止了空塔型浮選柱氣泡合并嚴重返混、劇烈、不穩定等操作故障，提高了浮選柱的運行穩定性，但工業應用結果表明，填料填充效率高，成本也高，安裝維護工作量大[41]。

篩板充填中的篩板由簡單的穿孔板組成，這些板上的孔可以起到打破垂直混合流的效果。在浮選柱內填充篩板可以防止礦漿沿柱軸方向快速流出并形成近似的栓塞流，從而改善分選效果。T·C.埃塞爾等[45]指出，用填充篩板能提高浮選柱指標，防止礦漿軸向混合，減少泡沫破裂“翻花”現象或防止大氣泡的形成。充填篩板可提高浮選柱指標的穩定性，并消除諸如隨柱體高度增大而迅速形成的不正常的大氣泡和紊流現象。

劉炯天等[47]針對上述2種充填方式進一步提出了混合充填式浮選柱。該種充填形式結合了2種充填方式的優點，進一步減小了紊流和返混的現象并增強了礦化泡沫的穩定性，從而提高了總體的分選效率。

相比于常規的浮選柱，充填介質浮選柱能提高對微細粒浮選的效果，但充填介質浮選柱并沒有克服微細粒浮選過程中浮選時間過長的問題，這也導致浮選柱的柱體高度相比于傳統浮選柱的柱體高度并沒有降低，沒有克服實際生產中因柱體過高導致的操作不便問題。

3.2.3 Jameson浮選柱

JAMESON[48]研制的Jameson浮選柱備受青睞，其獨特的礦化方式和較小的柱高克服了當時浮選柱柱體過高所產生的問題。Jameson浮選柱在澳大利亞應用非常廣泛，許多研究者基于Jameson浮選柱進行了大量研究[49-54]。Jameson浮選柱結構示意圖如圖7所示[55]。

圖7 Jameson浮選柱結構示意圖[55]Fig.7 Schematic diagram of Jameson flotation column structure[55]

HARBORT等[49]的研究表明，Jameson浮選柱與其他浮選設備有較大區別，基于機械浮選槽、常規浮選柱和非常規浮選柱、氣動浮選裝置等設備的假設不一定能夠用在Jameson浮選柱上。HARBORT等[49]對比了Jameson浮選柱和國外常見的浮選設備的一些基本參數，如表3所示。

表3 Jameson浮選柱與其他浮選柱參數對比Table 3 Comparison of parameters between Jameson flotation column and other flotation columns

根據浮選槽的“經典”基本參數如槽停留時間和表觀空氣速度來評判Jameson浮選柱可以發現，Jameson浮選柱不容易與浮選柱或機械浮選槽組合。Jameson浮選柱的特征與氣動浮選槽的特征最接近，如空氣噴射式水力旋流器與離心式浮選機都具有槽停留時間小、濃縮物產率和剪切速率高等特點，同時可以產生直徑非常小的氣泡。

TASDEMIR等[51]基于操作參數和顆粒直徑對Jameson浮選柱性能的影響進行了研究，發現改變精礦流速、降液管浸入深度、降液管內的射流長度、射流速度和液體含率對不同粒徑顆粒的回收率有很大影響。粒度增加、精礦流速增加和浸入深度減少，導致回收率增加。射流長度、射流速度和含水率的增加導致細顆粒的回收率提高，而中/粗顆粒的回收率降低。ZHU等[54]的研究表明，降液管內液體和氣體的表觀流速會對降液管產生的氣泡直徑有影響，液體表觀流速增加會使氣泡的直徑減小，而氣體的表觀流速增加反而會使氣泡的直徑增大。

Jameson浮選柱沒有采用傳統浮選柱的逆流礦化方式，采取完全的管流礦化方式將礦漿從直徑較小的給礦管給入，在管流空化引起較高湍流動能耗散率的同時，又將礦化和分離2個過程分隔，因此，能夠大大降低柱體的高度，提升微細粒的浮選效果。然而，Jameson浮選柱也有一些缺點，如礦化后完全的靜態分選導致礦漿容易短路，加上沒有布置中礦循環，Jameson浮選柱往往會導致尾礦品位高，需要反復再選才能得到較低的尾礦品位[56]。

3.2.4 旋流-靜態微泡浮選柱

旋流-靜態微泡浮選柱又稱FCSMC浮選柱[57]，將旋流分級、管流礦化和柱浮選結合起來，在鉬礦、鎢礦、金礦、石墨等礦物的浮選上都得到了廣泛應用[57-64]。旋流-靜態微泡浮選柱的結構示意圖如圖8所示[65]。

圖8 旋流-靜態微泡浮選柱結構示意圖[65]Fig.8 Schematic diagram of cyclone static microbubble flotation column structure[65]

旋流-靜態微泡浮選柱的旋流段提供了離心力場，這對浮選速率有一定影響。速度對浮選速率γ的影響可以通過Sutherland方程給出[57]：

式中：Rb為氣泡半徑；Rp為礦粒粒度半徑；v為顆粒和氣泡的相對速度；N為氣泡的數量；ti為浮選誘導時間；β為碰撞和附著效率的比值。在離心力場中沿徑向方向，氣泡向中心運動，氣泡運動速度為vb=ω2rR2b/(9μ)，礦粒向器壁運動，顆粒運動速度為vp=d2?ρω2r/(18μ)，顆粒和氣泡相向運動，可以得到v=ω2r(d2?ρ+2R2b)/(18μ)(其中，ω為礦粒及流體旋轉角速度，r為旋轉半徑，μ為礦漿黏度)。誘導時間ti由下式給出：

離心力場會產生旋轉角速度ω，且氣泡與顆粒的相對運動速度隨著ω增大而增大，從而使浮選速率提高；同時，浮選速度常數k與氣泡直徑成反比。旋流段的離心加微泡的設計能夠顯著提高浮選速率，離心力場的強度和氣泡的直徑隨著循環量的增大而分別增大和減小。

旋流-靜態微泡浮選柱雖具有旋流段高效分級、浮選的效果，柱選段仍然采用靜態分選的模式，這一結構設計對微細粒的回收是有利的。張穎等[66]對實驗室規模的旋流-靜態微泡浮選柱進行了流體力學模擬，得到浮選柱內部湍流強度和軸向速度分布，發現浮選柱內部流體在遠離旋流段一定高度后，湍流強度和軸向速度均取得穩定的較小值，實現了柱選段的靜態分選。

旋流-靜態微泡浮選柱采用管流礦化和逆流礦化相結合的方式，利用管流給入的循環礦漿和柱體下部的椎體結構實現旋流分級，在分級過程中不斷將礦化效果較差的礦物顆粒再次礦化并重新浮選，旋流分級后將難以礦化或無法礦化的礦漿作為尾礦排出。旋流-靜態微泡浮選柱的管流礦化使顆粒-氣泡高效混合，分級后的中礦循環能夠給礦化較差顆粒二次礦化的機會；旋流段的離心力場在分級的同時也提高了浮選速率，柱選段的靜態分選對微細粒的浮選有著較好的效果。在浮選柱內填充介質，可以進一步提高浮選柱內部氣體的分散效果，削弱徑向混合和軸向反混，增強靜態分選效果。

3.2.5 離心浮選設備

為克服微細粒慣性小從而難以與氣泡碰撞的不足，增大離心力是一種可取的方法。國內外研究者研制了多種離心浮選設備[67]，主要分為槽體離心和流體離心2種方式。槽體離心的浮選設備的結構示意圖如圖9所示[68]。設備通過皮帶連接浮選槽體，帶動槽體高速旋轉運動以增強微細粒受到的離心力，空氣和礦漿往往以相對垂直的方向給入并發生碰撞，礦化之后得到尾礦和泡沫產品。

圖9 槽體離心式離心浮選機結構示意圖[68]Fig.9 Schematic diagram of tank centrifugal flotation machine structure[68]

流體離心的浮選設備則以浮選旋流器為代表，浮選旋流器是在常規的水力旋流器中引入氣泡，礦漿以切線方向給入浮選旋流器，而氣泡形成于器璧內表面或和礦漿一起給入。浮選旋流器的結構示意圖如圖10所示[68]。

圖10 浮選旋流器結構示意圖[68]Fig.10 Schematic diagram of flotation cyclone structure[68]

離心浮選設備被認為是有效的浮選設備之一[67]，離心力場克服了微細粒因慣性力不足導致的顆粒-氣泡碰撞效率低的問題；同時，在離心過程中，礦漿與氣泡之間發生強剪切不僅有利于顆粒和氣泡碰撞，同時可以明顯減少脈石礦物的夾帶現象；此外，離心浮選還能大幅度減小微細粒的浮選時間，提高浮選分離的效率。但離心浮選的缺點也很明顯：一是離心過程中內部流場難以控制；二是離心浮選往往需要保證分級方向和浮選的方向一致，否則會明顯影響分選效果。

4 結論

1) 隨著資源的不斷開發利用，對粒度小、品位低、氧化性和含泥量高的礦產資源進行開發利用已成為發展趨勢，綠色節能降耗、提高資源利用率和綠色礦山的建設越來越成為新時代礦山的發展目標，尾礦、廢渣和可再生資源的綜合利用也越來越受到人們的關注，因此，必須對微細粒進行浮選。

2) 基于增加微細粒表觀粒徑強化微細粒浮選的方法和基于減小氣泡直徑強化微細粒浮選的方法均具有廣闊的應用前景。絮凝浮選和載體浮選等被成功應用，但采用這些方法時，需對不同礦物的絮凝劑或載體等的選擇和用量、前后端處理的手段進行進一步研究，并需要減少成本。在微泡浮選過程中，如何高效地產生微氣泡仍是研究熱點，同時，應解決因采用微泡浮選而造成的細顆粒夾帶和浮選速度慢等問題。

3) 需對微細粒浮選裝備進行研發。對礦化效率更高的設備的研究依然是微細粒浮選裝備研究的熱點。未來對微細粒浮選裝備的研究將繼續圍繞如何提高顆粒-氣泡的碰撞效率和形成分離段的靜態流場環境來進行。采用高效礦化和微納米氣泡、使礦化-分離分開進行、在分離段布置削弱湍流的介質等都是提高微細粒浮選效果的手段。