浮选基本原理(安徽理工)

(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，
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2. 矿物表面的水化作用
（1）水化膜（层）的形成 润湿是水分子（偶极）对矿物表面的吸附 所形成的水化作用。水分子是极性分子，矿 物表面的不饱和键能也具有不同程度的极性。 因此，极性的水分子会在极性矿物表面吸附， 并在矿物表面形成水化膜。水化膜中的水分 子是定向、密集排列的，它们与普通水分子 的随机、稀疏排列不同。
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浮选槽内完成浮选的过程
图1-1-2浮选槽内的浮选过程
F—入料；K—泡沫精矿； T—尾矿；○—空气；•—矿粒
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1.2 固、液、气各相性质
1.2.1 固相的结构和性质


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。
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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。
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当θ >90°时，σ SL>σ SG，矿物表面不易 被水润湿，称为疏水表面； 当θ <90°时，σ SL<σ SG，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
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水化膜示意图
(a) 疏水性矿物(如辉钼矿)，表面呈弱键， 水化膜薄； (b) 亲水性矿物(如石英)，表面呈强键，水 化膜厚

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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。
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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
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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。
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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。
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(3) 煤的可浮性 煤是多环芳香族化合物，各基本单元和周围侧链及 官能团随变质程度不同有很大变化，因此 ，煤具有 如下性质： ① 组成不同，各组分实际无法分离，浮选好坏与各组 分含量和性质有很大的关系； ② 煤的主体是多苯芳香核，芳香核的化学性质不活泼， 具有疏水性。因此，煤的主要表面是疏水的； ③ 在芳香核的碳网上，有数量不等的侧链，在氧化过 程中很容易生成含氧官能团, 使煤的某些部位具有 亲水性； ④ 煤的结构中还含有一定数量的矿物质，多数矿物质 具有一定极性，因而使煤部分表面具有亲水性；
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（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。
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平衡状态（杨氏Young） 方程
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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；
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1.3 相界面性质与可浮性
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。
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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。
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(2) 煤的结构模型 万—克列维廉提出的煤的结构模型
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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。
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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。
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如图矿物表面润湿现象
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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
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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。
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自然界中天然可浮性好的矿物较少。 具有分子键的晶体，如石蜡、硫磺具有良好 的天然可浮性； 片状或层状结构的晶体，如石墨、滑石则具 有中等天然可浮性； 其他多数矿物都具有强的亲水性，其天然可 浮性较差。大多数硫化矿、氧化矿、硅酸盐矿 等都具有强的亲水性。 要实现各类矿物的浮选主要是依靠人为地改 变矿物的可浮性。要人为的改变可浮性，最有 效的方法是浮选药剂在不同矿物表面的吸附。 从而造成矿物表面的“人为可浮性” 。
如上图，当达到平衡时（润湿周边不动），作用 于 润湿周边上的三个表面张力在水平方向的分力 必为零。于是其平衡状态方程为 ： σ SG=σ SL+σ LGcosθ cosθ =(σ SG-σ SL)/σ LG 式中，σ SG、σ SL和σ LG分别为固—气、固— 液和液—气界面自由能。 上式表明了平衡接触角与三个相界面之间表面 张力的关系，平衡接触角是三个相界面张力的函 数。接触角的大小不仅与矿物表面性质有关，而 且与液相、气相的界面性质有关。凡能引起任何 两相界面张力改变的因素都可能影响矿物表面的 润湿性。
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浮游选矿
安徽理工大学 矿物加工工程系
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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)
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2.水分子对矿物表面的作用 矿物破裂后，其断裂面上具有不饱和键。 将断裂面置于真空中，则得不到任何补偿； 如置于空气中，虽可得到部分补偿，但由于 氧、氮分子密度很低，不具有极性，所得到 的补偿极小 ；如果将断裂面置于水中，则矿 物表面的不饱和键与水偶极子发生作用，得 到部分补偿。 矿物由于构成其晶格结构的不同，当矿物 破裂后，其断裂面上希望得到补偿的不饱和 键特性不同，因而矿物表面的极性也有差
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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(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。