浅谈浮选起泡剂的泡沫性能及在选矿中的应用

曹文学

（四川宇泰安全科技有限责任公司，四川 成都 610200）

1 泡沫浮选基本原理

由于矿物颗粒及其表面存在不同的物化性质，泡沫与不同润湿性矿物颗粒间发生差异化作用，泡沫浮选是一种可实现矿物分选的新型筛选、分离、净化技术，广泛应用于选矿领域中。 一般的矿物颗粒使用常规方法不容易分离，加入浮选药剂能够改变矿物颗粒物化性质，当矿物憎水性提高和矿物与气泡粘附功增加的情况下，矿物的浮选性大幅提升，因而获得良好的浮选性，实现了矿物的富集。 泡沫浮选采用起泡剂在一定的注气速度下形成泡沫后在浮力、表面张力等作用力下对矿物进行分离。用来评价泡沫性能的参数主要为起泡性（泡沫高度或者泡沫体积）和稳定性（泡沫半衰期和析液半衰期），为提高浮选性能，一方面通过改进加药位置或加药工艺来实现， 另一方面是改善、提高泡沫性能[1]。

2 泡沫性能及改善方法

泡沫由气相和液相二元体系构成，其中气体为分散相、液体为连续相。与其他二元分散体系类似，泡沫处于热力学不稳定条件，整体呈泡沫衰变趋势，泡沫总数减少、体积增大[2]。表面活性剂是一种既能亲水又能亲油的物质，通过降低气液间的表面张力，在一定外力作用下形成丰富的泡沫。这种泡沫与未添加表面活性剂的纯液体产生的泡沫不同，一是形成的泡沫能够相对稳定地存在，这样可以产生大量的泡沫；二是形成的泡沫具备一定的机械强度，能够携带矿物随着气流上升而上升，并且不发生显著的衰变。

人工合成起泡剂和天然起泡剂是常用的两类浮选用表面活性剂。 合成起泡剂有酸性起泡剂、碱性起泡剂、中性起泡剂等3 和类型[3]。 包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠以及相类似的烷基芳香基磺酸盐等起泡剂适用于酸性环境。碱性起泡剂的代表性物质通常为吡啶等氮苯类似物。中性起泡剂能够在酸性和碱性环境中发挥作用，其类型多样，包括既能给出质子又能接受质子的两性表面活性剂类，如烷基二甲基甜菜碱、十二烷基乙氧基磺基甜菜碱、十二烷基氨基丙酸钠等，在矿物浮选中应用广泛。 天然起泡剂包括萜烯类化合物，如松油、樟油等，其中松油是一种应用较早和广泛的浮选起泡剂。

起泡性（泡沫高度或泡沫体积）和稳定性（泡沫半衰期和析液半衰期） 是泡沫性能重要的两类评价参数。 通常评价方法有气流法、搅拌法、倾注法等。 起泡能力是指溶液在受到外界作用之后可形成泡沫的能力。 根据Gibbs 自由能理论，表面张力越低的溶液，在受到搅拌、扰动等作用后，越容易产生丰富的泡沫。一般起泡剂溶液，在常温常压条件下，可将水-空气间的表面张力由72 mN/m 降低至40 mN/m。 因此，通过加入表面活性剂实现降低溶液的表面张力、提高起泡能力[4]，从而形成丰富的浮选泡沫，为选矿的实施提供工艺条件。

稳定性用泡沫半衰期和析液半衰期两个指标评价，用来描述泡沫存在的时间。 液膜性质与气体扩散性是影响泡沫稳定性的内在因素；而在矿物浮选过程中，矿物颗粒与泡沫作用是影响泡沫稳定性的外在因素。泡沫的稳定性是浮选工艺过程中最关键的因素之一，其衰变机理影响泡沫浮选效果。 泡沫衰变主要由三种机理，即：重力排液、气泡兼并和气泡熟化。其中，重力排液是由于液膜中气、液两相受重力作用发生分离的过程。 液膜受到重力作用发生排液，一般泡沫浮选中， 塔底部的泡沫液膜厚度大于塔顶部泡沫厚度。由Laplace 方程可知， 当泡沫大小或者泡沫的半径不同时，泡沫间在毛细管力的作用下将发生气泡兼并作用。气泡熟化是由于不同直径气泡间气体通过分子扩散引起。此外，当外部扰动和高温环境，加速泡沫的衰变，引起泡沫破灭，从而导致浮选效果变差。

根据泡沫稳定性机理分析，不同类型表面活性剂性能、混合表面活性剂协同效应以及固相颗粒加入等三种方式能够提高泡沫稳定性。单一表面活性剂提高泡沫稳定性是通过改变分子链结构和官能团性质实现，例如，疏水基团直链烷烃侧基的表面活性剂空间位阻小，更容易形成致密吸附层，而支链侧基空间位阻较大；另外阴离子头基中含有磺酸基官能团，能够适用矿化度较高的情况。表面活性剂分子两端分别为非极性基团和极性基团，当表面活性剂分子在界面上吸附后，非极性基团朝气相，极性基团朝液相，可大幅度阻止气泡在自然状态下的兼并作用，使得泡沫稳定存在。混合表面活性剂使用不同类型的表面活性剂复配，由于不同表面活性剂间能够降低亲水基团离子头的电性斥力或疏水基团空间位阻效应，能够使得气液界面吸附层变致密，降低表面张力和表明活性剂的临界胶团浓度，从而发挥分子间协同增效作用，提高泡沫性能。使用阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂复配提高泡沫性能，脂肪醇、芳香醇及聚乙二醇类表面活性剂等是常用的非离子表面活性剂。在矿物浮选过程中固体颗粒可起到稳定泡沫的作用，部分疏水性的颗粒能吸附在气液界面偏向气相一端，致密液膜则进一步提高了液膜机械支撑力，泡沫稳定性提高。

3 泡沫浮选的应用

常规浮选工艺主要是在矿浆相中发泡进行浮选，主要作用机理是矿浆相中的气泡与颗粒间发生粘附作用，在浮力作用下进入泡沫相并形成精矿，剩余成为尾矿。 脱附作用是影响选矿效率主因。 脱附作用主要受矿浆相中流体动力学环境、 气泡兼并效应等影响。 当矿浆相内流体扰动作用强，粘附在泡沫上的矿物颗粒震动脱落，并且这样的扰动也增加了泡沫的衰变，使得泡沫发生兼并，降低了浮选的能力。 实践表明，矿浆相与泡沫相交界处是脱附最主要的位置。

气泡与颗粒在紊流条件下使得矿浆相浮选的回收率偏低，为提高浮选回收率，在传统浮选工艺基础上提出了泡沫相浮选工艺。该工艺采用的是泡沫相给料的方式，其分选过程为：使用药剂处理矿浆并投入泡沫层，矿物颗粒在泡沫层中自由下降时，疏水程度不同的矿物颗粒浮选效果不同。 对于强疏水性颗粒，由于与气泡的粘附力大，能够在强扰动环境下持续上浮，在塔顶部可形成精矿；中等疏水性颗粒，由于存在一定厚度的水化层，气泡与之的携带能力小，并且沉降阻力小，将以一定速度向下运动；亲水性颗粒因表面完全覆盖水化层，气泡上浮对其并未产生较强的上浮作用力，沉降的阻力最小，因而下落速度最快，在塔底部形成了尾矿。 因而，泡沫相浮选工艺避免泡沫与颗粒在底部的矿浆相中相互碰撞，发生颗粒脱附和泡沫破灭的问题，因此，泡沫相浮选效率高。当矿物品位相同时，较常规浮选工艺，泡沫相浮选方法提高Pb、Zn 回收率 9～11 个百分点[6]。 基于泡沫浮选后粒度分析，泡沫相浮选对粗粒级和细粒级均有效，例如，磁铁矿-黄铁矿混合矿的泡沫相浮选结果表明， 黄铁矿粒级0.074～0.12 mm，回收率为56%、品位为90%，而黄铁矿粒级1.5～2 mm，回收率为84%、品位为70%。 这说明不同粒级混合矿均能获得较好的分选效果，而泡沫相分选效果优于常规浮选。另外在改善浮选工艺基础上，通过使用性能良好的浮选起泡剂，可进一步提高选矿回收率。 使用不同起泡剂对铜硫铁矿选矿试验，结果表明甲基异丁基甲醇（MIBC）和丁基醚醇具有起泡性好、稳定性较高的特点，取得较为理想的选矿指标。 使用MIBC 对于磁尾选硫作业能取得较好指标[7]，且成本最低；丁基醚醇对优先浮铜效果好。

4 展望

泡沫浮选技术能够取得良好的浮选效果，但泡沫浮选过程中也存在较为严重的细泥夹带现象，通过其他方法，例如水冲洗方法能缓解该矛盾。 目前泡沫浮选效果好已经得到行业内的认可，但是泡沫选矿过程中存在的界面动态变化规律仍然未从传统的矿浆相研究转移至泡沫相研究中，特别是泡沫相中的分选机理研究较少。 因此，泡沫浮选分离还需要重点针对泡沫相中复杂界面作用机理开展攻关研究，进一步阐释和明确浮选作用，提高浮选效果。