无机盐对气液两相泡沫特性的影响研究

李洪强，张文，田承涛，翁孝卿，郝好稳，李东郎，赵李欣然

（1.武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉 430074；2.湖北三宁化工股份有限公司，湖北 枝江 443206)

因地质条件（如盐湖附近、海洋附近的矿山浮选）或选矿过程中废水的回用，导致浮选溶液中不可避免的存在一定浓度的无机盐。无机盐在泡沫浮选中产生的一系列影响主要体现在以下四个方面：（1）无机盐对泡沫稳定性的影响：Marrucci Nicodemo[1]以及Prince[2-3]等的研究均表明，无机盐的加入可阻止气泡间的相互兼并，并降低气泡尺寸，提高泡沫的稳定性。Vincent S.J.Craig 等人进一步深入研究，确定了不同离子种类及组合的无机盐对降低气泡兼并速率的影响规律，并认为一定量的无机盐离子吸附在气液界面会减小气泡间的长程吸引力[4-5]。（2）无机盐对矿物颗粒与气泡间相互作用的影响：无机盐中反荷离子的吸附会压缩矿物颗粒表面的双电层厚度，颗粒与气泡碰撞过程中排斥力减小，颗粒-气泡间的液膜排液速度增加[6-7]。（3）无机盐对颗粒间相互作用影响：相关研究主要集中在粉煤灰、煤泥、石墨的浮选，如张志军[8]测定煤泥颗粒在不同浓度无机盐电解质溶液中的粒度分布结果表明，高价金属阳离子可以更大程度地降低煤泥颗粒表面电性，进而减少颗粒间的静电斥力，降低颗粒表面的水化膜厚度，提高颗粒间碰撞几率，使其易发生凝聚。（4）无机盐对表面活性剂的影响：与表面活性剂反粒子相同电荷的无机盐可以提高表面活性剂溶液的表面活性、降低溶液的表面张力。加入无机盐会使得水化膜破坏，压缩了表面活性剂的离子基团周围的扩散双电层，屏蔽了离子基团相互间的静电排斥力，有利于溶液表面层和胶束中的表面活性剂分子紧密排列，更易形成胶束。在浮选过程中，当水化膜稳定受到破坏时，捕收剂离子更容易穿过水化膜到达矿物表面完成吸附过程，颗粒疏水性得到改善。

目前，对于无机盐在浮选过程中对于气泡的稳定性、表面活性剂活性的影响已取得一定成果，但对于浮选过程中无机盐对于泡沫的微观结构、排液性能等泡沫特征参数的影响还不够深入。泡沫排液是一个复杂的物理化学流体力学过程，同时受多种因素影响，目前为止，这些因素还没有完全被研究清楚[9]。浮选泡沫的排液过程会对精矿水的回收率造成极大地影响，大量研究表明泡沫精矿的水回收率与亲水脉石的夹带回收率呈线性关系[10-13]，并符合方程式Rg=e×Rw[14]，其中，Rg：亲水脉石矿物的夹带回收率，%；e：脉石的夹带率，或夹带因子；Rw：泡沫精矿的水回收率，%。

因此系统研究无机盐对泡沫排液性能影响对了解浮选过程中泡沫夹带现象具有重要意义。明确各种价态的三种阴离子(Cl-、ClO3-、SO42-)和三种阳离子(Na+、Mg2+、Al3+)对泡沫特征的影响。本文采用自制的泡沫性能测试系统，研究五种无机盐（分别是NaCl、NaClO3、AlCl3、Na2SO4、MgSO4）对两相泡沫的静压强、泡沫层高度以及泡沫含液率、表观溢流流速等数据的影响规律。为浮选中控制脉石的泡沫夹带提供理论指导。

1 实验试剂、仪器和方法

1.1 实验试剂与仪器

本实验所用无机盐NaCl、NaClO3、Na2SO4、MgSO4、AlCl3，均为分析纯，起泡剂为MIBC，工业纯，泡沫性能测试装置为实验室自制。由1个2 L 的Φ150 mm 的玻璃搅拌槽通过1 个锥型过渡件与Φ50 mm 的玻璃柱相连（玻璃柱可以防止泡沫牢牢粘在内壁干扰检测）。以氮气作为气源，通过砂芯（P30）进入搅拌槽底部并产生气泡。在氮气源打开，并将气体流量调至给定值情况下打开搅拌装置（转速定在300 r/min），将在实验室内配置好的MIBC 溶液（用于两相泡沫研究）、注入试验装置，泡沫可以循环，通过溶液/矿浆的添加量来调节泡沫层的厚度，确保泡沫层厚度稳定为290 mm。通过该装置测定两相泡沫的静压强、气泡直径、表观溢流流速，研究两相泡沫的含液率、排液性能及夹带行为。

1.2 浮选泡沫特征研究方法

以5×10-4mol/L 的MIBC 溶液为矿浆，利用自制的泡沫性能测试系统测定气液两相泡沫的静压强、气泡几何平均直径、泡沫层顶部（即距液面0.29 m 处，下同）的溢流流量，研究两相泡沫的含液率、排液性能及夹带行为。

泡沫中单个气泡的尺寸大小由拍照法来确定。试验过程中，当泡沫柱达到平衡状态时，利用可上下自由移动的佳能550 D数码相机拍摄靠近玻璃壁的气泡。为了消除玻璃柱圆壁造成的图像扭曲，利用一个套在玻璃柱外的视窗来纠正，该视窗由有机玻璃制成，从上部的注水口向里面灌满水，该视窗可以自由上下移动，并用烧瓶夹将其固定在玻璃柱的一定高度处。同时，在拍照时需要在视窗两侧各给一个侧方位的光源，且光源也能和视窗、相机一同移动。泡沫大小的测定工作在专业图像分析软件Image-Pro Plus Version 6.0上进行。

泡沫性能测试系统中压强探测管与数字压强计通过塑料软管与缓冲瓶连通，依据连通器原理，气管内压强处处相同，可测定压强探测管出口处的压强。测定时，将压强探测管伸入某一泡沫层高度处，打开气泵，并调节大小，使气体刚好能冒出探测管管口，压强计示数即为此处的静压强。

1.3 泡沫特性相关参数计算方法

1.3.1 泡沫含液率εl 的计算

液面上高度h 处泡沫的含液率εl 通过该处泡沫的静压强来计算。规定液面为0 m 高度处，距液面0.29 m 处为泡沫柱顶部位置。设泡沫高度h 处的压强为P，无穷小厚度（Δh）的泡沫层所产生的无穷小压强为ΔP，则h+Δh 处的压强为P-ΔP。由于，式中，P 为静压强，Pa；Δh 为无穷小的泡沫层厚度，m；ρf为泡沫层的密度，kg/m3；g 为重力加速度，9.83 m/s2。因此，忽略空气的重量，则式中，ρw 为水的密度，kg/m3；εl为液面上高度h处泡沫的含液率。

规定P 的方向向下，h 的方向向上，则含液率公式[15]为：，即泡沫某高度处的含液率可通过对该处的静压强求导而得。

1.3.2 泡沫层顶部表观溢流流速Jlmax 的计算

本实验将泡沫层最大高度控制在0.29 m 处，并对该处的溢流量进行测定（截取5 s 内从泡沫槽流出溶液，并测量体积，便可计算出泡沫层顶部溢流量。）该流量除以泡沫柱的横截面积，便可计算出泡沫层顶部的溢流流速Jlmax。，即为泡沫柱的水回收率。

1.3.3 表观净液速Jl的计算

泡沫的表观净液速Jl的计算式[15]为：式中，Jl 为泡沫表观净液速，m/s；Je 为因氮气夹带作用而产生的泡沫表观夹带液速，m/s；Jd表示因泡沫排液作用而产生的表观排液速度，m/s。

1.3.4 泡沫表观夹带液速Je 的计算

Je 为因氮气夹带作用而产生的泡沫表观夹带液速，m/s，Je的计算式[15]为：式中，Jg 为某泡沫高度处的表观气体流速，m/s，其计算式[15]为式中，V 氮气为充气量，L/h；S为泡沫柱的横截面积，m2。

1.3.5 表观排液速率Jd的计算

目前，计算泡沫表观排液速率Jd的方法有2种：其一，依据液相中气泡的上升末速度来计算；其二，依据泡沫中气泡的几何平均半径及含液率来计算，本文采用后者。

泡沫表观排液速率的计算公式[16]为：式中，Jd 为泡沫表观排液速率，m/s；rb为各泡沫层高度处气泡的几何平均半径，m；μ 为液体的粘度，取水在25 ℃下的运动粘度值0.8949×10-3Pa.s；m 为与表面活性剂种类及浓度有关的无量纲参数，通过实验测定并计算出Jlmax可反算出m 的大小；n 为与表面活性剂种类及浓度有关的无量纲参数，对气泡间无相对滑动的刚性泡沫n 取值1.9，对气泡间相对滑动较大的柔性泡沫n 取值2.1，而本实验所用起泡剂MIBC 产生的泡沫含液率很高，泡沫中气泡间相对滑动大，为典型的柔性泡沫，因此n 取值2.1[16]。

2 结果与讨论

2.1 无机盐对气泡直径的影响

当气体通过位于泡沫柱底部的砂芯形成气泡，在气泡不断上浮的过程中，伴随着气泡碰撞兼并，并逐渐长大。图1 为五种无机盐对泡沫层气泡大小的影响。

图1 不同泡沫高度下无机盐浓度对气泡大小的影响Fig.1 The effect of inorganic salt type and comcentration on bubble oliameter under different foam heights

从图1 可知，NaCl、Na2SO4、MgSO4及AlCl3这四种无机盐显著减小各泡沫层高度下的气泡直径。以图1-e 中的AlCl3为例，未添加AlCl3时，0 m、0.08 m、0.17 m高度处的气泡直径分别为0.79 mm、0.85 mm、0.87 mm；添加0.05 mol/L的AlCl3 后，气泡直径迅速减小到0.61 mm、0.63 mm、0.68 mm；继续增大AlCl3的浓度，气泡直径减小的幅度变小，当浓度达到0.3 mol/L 时，这三个高度处的气泡直径分别为0.55 mm、0.59 mm、0.60 mm。对比这四种无机盐，我们还可以发现一个规律，各种盐的有效作用浓度（即气泡尺寸的减小开始变缓处的无机盐浓度）很不一样，NaCl 的有效作用浓度可能超过0.5 mol/L，Na2SO4的有效作用浓度大约在0.2 mol/L，MgSO4的有效作用浓度显然在0.1 mol/L，AlCl3的有效作用浓度最低，为0.05 mol/L。在近年来，很多研究结果也表明，无机盐稳定气泡的作用浓度在0.1 mol/L 或更高[17]，本文的研究结果也证实了这一点。NaClO3的添加对气泡直径无影响，见图1-a。

2.2 无机盐对泡沫含液率的影响

部分无机盐的加入会明显增大各泡沫层高度处的含液率，结果见图2。

图2 不同泡沫高度下无机盐浓度对泡沫含液率的影响Fig.2 Effect of inorganic salt type and concentration on foam liquid holdup at different foam heights

与无机盐对气泡直径影响的规律一致，NaCl、Na2SO4、MgSO4及AlCl3这四种无机盐的加入大幅提高了各泡沫层高度处的含液率，如图2-a、2-c、2-d、2-e；而NaClO3的加入则几乎没有影响，见图2-b，结果与文献一致[18]。几种无机盐对泡沫含液率的影响大小顺序为：AlCl3＞MgSO4＞Na2SO4≈NaCl ＞NaClO3。

2.3 无机盐对表观表观液速的影响

无机盐对泡沫层顶部表观溢流流速Jlmax 的影响见图3。

图3 无机盐浓度对泡沫柱表观溢流流速的影响Fig.3 The effect of inorganic salt type and concentration on froth apparent flooding velocity

很明显，无机盐对泡沫柱表观溢流速度影响大小顺序同样为：AlCl3＞MgSO4＞Na2SO4≈NaCl＞NaClO3。添加0.1 mol/L 的AlCl3使泡沫柱的表观溢流速度迅速增大，从空白时的1.851 mm/s 提高到3.684 mm/s；MgSO4则在0.4 mol/L 的浓度下使泡沫柱观溢流速度大幅增大到4.770 mm/s；而NaClO3的添加对泡沫柱观溢流速度几乎无影响。

利用泡沫含液率，气泡半径及泡沫柱溢流流量等参数，对高度在0.29 m 处泡沫层的表观排液速度计算，具体结果见表1。

表1 无机盐浓度对泡沫表观液速的影响Table1 Effect of inorganic salt type and concentration on foam apparent velocity

添加NaClO3 后泡沫的表观排液速度维持在11.04～ 13.19 mm/s，与未添加无机盐时基本相同。添加其他四种无机盐使计算出的泡沫表观排液速度均大幅提高，如添加0.3 mol/L 的AlCl3，泡沫表观排液速度大幅提高到19.442 mm/s。

总之，部分无机盐的加入导致泡沫的排液性能降低，增大了泡沫的含液率，提高了泡沫柱的表观溢流速度，必然提高精矿水回收速率，增大脉石的泡沫夹带，这将不利于浮选。因此降低无机盐对泡沫排液性能的影响，可有效控制脉石的泡沫夹带。

2.4 无机盐稳定泡沫的机制

近年来，对于无机盐稳定泡沫的机制，学者们提出了以下几种机理：1）降低气体溶解度；2）双电层效应；3）改变泡沫的粘度；4）吉布斯-马兰哥尼效应；5）表面张力效应等[19]。

较受认可的机制是离子的水化强烈地影响离子在气液界面的排布，离子在气液界面的富集或贫化，产生了类似吉布斯-马兰哥尼效应，改变气泡的液膜强度，从而抑制气泡的兼并，见图4。

图4 泡沫层高度为0m 处无机盐浓度对泡沫/溶液界面处气泡直径的影响Fig.4 Effect of inorganic salt type and concentration on bubble diameter at foam height as 0 m.

特定离子是否有效影响气泡兼并遵循离子对效应[20]，即α+α-、β+β-离子组合能有效稳定泡沫，而α+β-及β-α+离子组合则对泡沫稳定性无影响。离子属于α 或β，与其在气液界面处的分配系数有关。依据图4 的实验结果，可以判定实验所使用的离子属于α 或β 离子，并总结于表2。研究结果与Craig V S J 等的研究结果一致[20]。

表2 无机盐离子对规则Table 2 Inorganic salt ion pair rules

3 结 论

研究了五种无机盐对泡沫特征的影响，NaCl、Na2SO4、MgSO4 及AlCl3 这四种无机盐显著减小各泡沫层高度处的气泡直径，降低了泡沫的排液性能，明显增大泡沫的含液率以及泡沫柱表观溢流速度，在一定程度上易导致泡沫夹带现象产生；NaClO3的添加对泡沫特征无影响；几种无机盐对泡沫特征影响大小顺序为：AlCl3 ＞MgSO4 ＞Na2SO4 ≈NaCl ＞NaClO3。无机盐能否抑制泡沫的兼并可采用离子对规则判定。