高等选矿学大作业2

1.什么叫界面分选？试论述微细矿粒体系中几种典型表面力形式及其作用机制。

答：（1）界面分选的概念一切基于颗粒界面性质的天然差异或人工差异，直接或间接利用相界面实现颗粒分选的工艺过程均称为界面分选。

界面分选具有明确的科学含义。

它的命名反映并揭示了这些工艺过程的共同理论基础及过程的实质，因此，比“浮选”一词具有更高的概括性及更广的覆盖面。

界面分选主要包括下列单元作业：a 颗粒界面性质的调节，例如润湿性、表面电性、吸附特性的调节。

b 利用颗粒的粒间作用的变化，调节并控制颗粒体系的分散及聚团状态。

c 通过适当的物理场的作用在相界面(例如气／液界面，液(油相)／液(水)界面)实现颗粒分选。

界面分选的主要对象首先是细粒嵌布，微细粒嵌布，乃至胶态分散的各种矿产资源及二次资源，其次可用于答种水处理过程，在材料工业反化学工业中也可以找到恰当的使用领域。

其中，表面活性剂主要被用在颗粒界面性质的调节环节上，使与表面活性剂(又称捕收剂或絮凝剂)键合后形成的表面活性组分具有吸附于气—液界面上的能力。

这个能力的大小主要决定于各被分离组分的表面活性差异和与表面活性剂键合能力的差异。

（2）典型表面力形式与作用机制当矿粒接近到一定距离时（约100 nm以内），矿粒与矿粒间的表面力开始作用。

对于微细矿粒体系，表面力的作用成为支配整个体系行为的主导因素。

微细矿粒体系中表面力主要有：静电作用力、范德华力、溶剂化膜作用力、疏水作用力和位阻作用力。

①静电排斥作用颗粒表面大都带电。

在水中或其他液相中，带电颗粒周围形成反号荷电离子的扩散分布，通常称为双电层。

扩散层的最大扩散距离可达100 nm。

当两个同质颗粒的扩散层互相靠拢并接触时，扩散层中的同号离子因浓集而产生静电排斥作用，以抵抗颗粒的进一步靠拢。

对球形颗粒，静电排斥能U B的近似表达式为：当χa≫1时，U B=aεψδ22ln⁡[1+exp−χℎ]χ=(8Πe2nz2kTε)1/2当χa≪1时，U B=aεψδ2Hexp⁡(−χℎ)其中：ϵ——介质的介电常数；ψδ——颗粒的表面电位(距离表面δ处的电位)；n——离子浓度(单位体积的离子数)；k——Boltzmann常数；z——离子电荷数；a——颗粒半径；h——粒间最短距离；H——颗粒中心间距。

②Van der Wals(分子)作用原子或分子间的分子吸引力与颗粒间距的7次方成反比，衰减很快，作用距离是非常短的。

但分子作用力有加和性，含有大量原子（或分子）的颗粒与颗粒之间的总作用力是颗粒中的各个原子（或分子）与另一颗粒中的各个原子（或分子）间的所有作用力的总和，故颗粒间的分子作用力不仅可观，而且作用距离较大。

对于球形颗粒，分子作用能U A的表达式为：U A=−Aa 12ℎ式中，A为Hamaker常数（物质在真空中的A值通常在10-14~10-12erg范围内波动）。

对于位于水中的颗粒，其Hamaker常数可由下式计算：A131=A11+A33−2A13=A11−A332式中：A131——颗粒在水中的Hamaker常数；A11，A33——颗粒及水在真空中的Hamaker常数；A13——颗粒与水在真空中的Hamaker常数。

③颗粒表面吸附层的相互作用力当颗粒表面有吸附层时，两颗粒靠近到吸附层互相接触时，便产生穿插效应或位阻效应。

穿插效应：如吸附层结构疏松或未达到一个单分子层的饱和吸附量时，吸附层接触可能导致吸附物的互相穿插，使穿插部分吸附物的浓度大增。

当介质与吸附物的作用强于吸附物之间的作用时，为了排除穿插区的介质，必然引起体系自由能的增加，颗粒间出现排斥作用；反之，当介质与吸附物的作用弱于吸附物之间的作用时，穿插导致体系自由能的减少，颗粒间出现吸引作用，疏水作用就属于这种情况。

位阻效应：当吸附达到饱和或者吸附层相当致密时，吸附层的接触引起吸附物之间的相互挤压、变形。

吸附物在层间的自由排列及运动受到进一步限制。

换言之，排列混乱度降低，熵值减小（△S为负值）。

如果忽略吸附物与分散介质之间的作用，可不考虑焓变，则体系自由能△G＝－T△S增大，这就是排斥作用产生的热力学原因。

位阻效应而产生的粒间作用势能:U ST=4Πa2 L−ℎ2[ln⁡(2L)kT]④溶剂化膜（水化膜）作用颗粒表面总有溶剂化膜存在，在水中颗粒表面的水化膜的结构因表面的润湿性不同而异。

当两颗粒靠近到水化膜互相接触时，便产生溶剂化膜（水化膜）作用。

溶剂化膜（水化膜）作用能可用如下的通式表示：U solv=Kl exp(−ℎl )式中，l为与溶剂化膜厚度的衰减程度有关的特征长度，K为与溶剂化膜中液体分子的有序程度有关的系数。

对于亲水表面K>0，U solv为正，表示相互排斥；对于疏水表面K<0，U solv为负，表示相互吸引。

⑤疏水作用力天然疏水性或因吸附捕收剂而疏水化的颗粒在水中可产生强烈吸引作用。

根据疏水作用理论，当疏水颗粒（分子或粗分散体）进入水中时，发生如下分过程：a.颗粒排开水分子而占据一定的空间，断开水分子之间的键合，需要付出一定的能量，即△H1>0；b.颗粒表面通过色散效应，与周围的水分子作用，从而使表面的水键合能得到一点补偿，此时释放能量，△H2<0；c.颗粒周围的水分子因失掉在一定方向上与其他水分子进行氢键键合的可能，而与疏水表面的色散效应的补偿过小，因此能级反而提高，迫使界面水分子增大彼此间的氢键缔合度，使界面水结构发生扭曲变形。

氢键缔合度增大是负焓变过程，即△H3<0。

d.水结构变化明显提高周围水的有序性。

这是一个负熵过程，即△S<0。

一般认为，△H1与△H2＋△H3在数值上接近，但是符号相反，基本上互相抵消。

疏水作用表现为颗粒间吸引聚团，实质上是介质对颗粒的排斥。

疏水作用的作用距离可达25~40 nm，是典型的长程力。

疏水作用力的经验表达式为：F HI=−Ca exp(−ℎℎ0 )疏水作用势能U HI可用下式表示：U HI=−2.51×10−3aK1ℎ0exp⁡(−ℎℎ0 )当颗粒表面吸附有表面活性剂，而吸附层开始接触时，需要考虑向外伸的碳氢链的穿插缔合效应而引起的势能变化。

⑥颗粒间的高分子桥连作用高分子桥连是一种不同于上述各种粒间作用的颗粒连结方式，其作用特点是：a.高分子是一种长度极大的弹性链状分子，例如聚丙烯酸胺，其分子的伸直长度可达3.3μm；b.高分子的单个官能团与颗粒作用虽较弱，但由于往往是多个官能团同时与一个颗粒作用，故高分子整体吸附强度可能很大；c.由于高分子长度远大于一般长程力的作用范围。

它可以在粒间距离较大、能垒较高时同时在多个颗粒上吸附，从而实现颗粒间的连结，即所谓跨越桥连作用。

颗粒的总作用势能U T：U T=U B+U A+U solv+U st2.试简述泡沫浮选的过程，分析并讨论颗粒与气泡的相互作用机理及其动力学行为。

答：（1）泡沫浮选的过程①充分搅拌使矿浆处于湍流状态，以保证矿粒悬浮并以一定动能运动；②悬浮矿粒与浮选药剂作用，目的矿粒表面的选择性疏水化；③矿浆中气泡产生弥撒；④矿粒与气泡的接触；⑤疏水矿粒在气泡上的粘附，矿化气泡的形成；⑥矿化气泡的浮升，精矿泡沫层的形成与排出。

（2）机理分析浮选过程中颗粒与气泡的相互作用表现为颗粒附着于气泡上，即气泡矿化。

在强迫对流或机械搅拌系统中，气泡的尺寸由剪切应力确定，这些应力既影响气泡离开形成点的气泡尺寸，也影响在流场中静止的最大的气泡尺寸。

矿粒与气泡的碰撞与粘附可从物理和化学两方面进行机理分析：2.1物理机理物理机理包括感应时间、动接触角、动量等因素。

1)感应时间是指矿粒突破气泡的水层而相互接触这段时间。

克拉辛认为，颗粒愈大，所需感应时间愈长，感应时间过长则较难浮。

爱格列斯曾以此评判药剂作用及可浮性；2)动接触角是指在惯性冲击作用下，气泡弹性变形，矿粒回跳并粘附所形成的角度。

菲力波夫曾求出不同粒度矿粒所需的动接触角：200微米的矿粒为0.7°，而1微米的需1.7°，并且推断细泥难浮的原因是由于所需动接触角较大；3)动量机理是克拉辛首倡，他认为粗粒动量大，容易突破水化膜而粘附，细粒动量小不易突破水化膜，故粘附概率也小。

2.2化学机理化学机理包括吸附速率，矿粒表面寿命，表面能、溶解度、吸附罩盖度等因素。

1）吸附速率：指药剂向矿粒吸附的速率，药剂从溶液中扩散到表面，并且和表面发生反应，如果表面反应是决定速率的过程，则粒度没有影响，由此推论，粗细粒一样易浮。

如药剂扩散是决定速率的过程，则Q S =D C−C′1rQ S =D C−C′1T式中Q/S为单位面积的吸附速率，D为扩散系数，C为吸附剂在溶液中的浓度，C′为吸附剂在矿粒表面的浓度，r为矿粒半径，T为边界层厚度。

在搅拌条件下，估计T值界于20至40微米。

比此值小的矿粒，则吸附速率Q/S增快，这点目前需要进一步研究；2)矿粒表面寿命：高登认为，粗粒在破碎磨细过程中有“自护作用”，暴露寿命较短；而细粒表面暴露时间较长，因而细粒表面被污染罩盖氧化等的机会较多。

但有人认为在磨矿分级循环中，粗细粒表面寿命不会有很大差别；3)表面能：粗细粒总表面能大小不一样。

细粒表面能大，水化度增加。

对药剂失去选择吸附作用磨细过程中，应力集中，裂缝、位错、棱角等高能地区增多，对药剂的吸附量增加；4)溶解度：粒度愈小，溶解度愈大，关系式为：RTln S r∞=2σS−L V式中R为气体常数，T为绝对温度，r为矿粒半径，S r指半径为r的细粒溶解度，S∞为无穷大颗粒（即体相）的溶解度，σS−L为单位面积中固液界面自由能，V为摩尔体积。

对此式的估算表明，只有0.1微米矿粒的溶解度才比较明显地增加，而0.5~10微米的矿粒的溶解度基本相同；e）吸附罩盖度：克来门曾试验测定各种粒度的赤铁矿被油酸罩盖度与浮选回收率关系。

在同一表面罩盖度条件下，粗粒(60~40，40~20微米）比微粒(10~0微米）的回收率高得多。

但安妥内（1975年）试验铜离子对闪锌矿的活化时，认为同一表面罩盖度条件下，粒度对回收率影响不显著，这方面还需继续研究。

（3）动力学行为矿粒与气泡粘着是复杂的动力学过程。

两者相互接近至一定距离，进而在外力和表面力作用下，矿粒—气泡之间的水化层减薄、破裂，最终形成三相接触周边而粘着。

固着在气泡上的矿粒是不稳定的，当由矿粒自身惯性力和液流粘滞力等造成的脱落力大子附着力时，粘着的矿粒会从气泡上脱落。

大多数分选过程是在湍流或局部湍流中进行的。

充分利用湍流特性的分选过程便是浮选。

在工业机械搅拌浮选机中，矿浆运动的雷诺数Re＝106~107，处于发育的湍流状态。

湍流的主要作用为：a.实现矿粒在矿浆中的悬浮；b.实现充气并使空气均匀弥散为小于2mm的气泡；c.搅拌充气矿浆，以保证药剂的分散和混和及矿粒与气泡的碰撞；另一方面，湍流又是破坏矿粒--气泡联合体的主要因素。