泡沫分离技术综述论文

泡沫浮选分离技术--曹肖烁

摘要：综述了泡沫浮选技术的定义、分类以及原理，介绍了泡沫浮选分离技术中使用的试剂（捕收剂、起泡剂、活化剂、无机调整剂、有机调整剂）、浮选机械等因素对分离效果的影响，并介绍了泡沫浮选分离技术的应用，指出了泡沫浮选分离技术的发展前景。

一.泡沫浮选的定义与分类

泡沫浮选是以气泡分离介质来浓集表面活性物质的一种新型分离技术，主要特点是利用气泡的气-液界面，分离被水润湿性不同的物料。疏水的物料随气泡漂浮到水面上，形成含某种成分很高的泡沫层；而被水润湿的物料，沉于水中，因而可以把它们分开[1]。人们通常把凡是利用气体在溶液中鼓泡，以达到分离或浓缩目的的这类方法总称为泡沫浮选分离技术，简称泡沫浮选技术。

根据被分离物质的不同，它可以分为两类：一类是本身具有表面活性物质的分离以及各种天然或合成表面活性剂的分离，例如医药生物工程中蛋白质、酶、病毒的分离；另一类是本身为非表面活性剂，但可以通过配合或其它方法使其具有表面活性，这类体系的分离被广泛地用于工业污水中各种金属离子如铜、锌、铁、汞、银等的分离回收。

根据被分离物质的溶解性，泡沫分离也可以分为不溶物的浮选和溶解物的浮选两大类。矿物浮选在不溶物浮选中最重要，也是最成熟的。表面活性剂在固体颗粒的表面形成半胶束单分子吸附层，且呈亲水基向里憎水基向外的状态，从而降低固体表面的润湿性，表现出疏水性吸附至气泡界面的倾向，使浮选得以进行。离子浮选是溶解物浮选的一类。其过程和前述过程十分相似，所不同的是表面活性剂并非吸附在被浮选物的表面。气泡形成时气液界面有表面活性剂吸附层，被浮选的离子通过静电吸引被束缚在气泡的界面上而随气泡上升。分子浮选是溶解物浮选的另一类别，是将少量溶解的分子如点白纸、醇等有机物从水中分离的过程。被分离物被气泡气液界面表面活性剂半胶束单分子层增溶富集而随气泡上升，得以浮选[2]。

二.泡沫浮选的原理

（一）润湿性与可浮性

润湿性：

浮选分离的重要特点是一部分亲水性的物料被水润湿浸入水中，而疏水性的物料则留在界面。矿粒从空气中落入水中，要经过以下四个阶段。

如果矿物的亲水性强，能充分满足上面三个公式的条件，就能浸入水中，这通常是人们希望脉石矿物应具备的条件；但如果矿物的疏水性强，它的表面能只能满足式1-1的条件；而不能满足式1-2的条件，它能很好地浮在水面上这是最好的表层浮选；如果它能满足式1-2而不能满足式1-3的条件它虽然大部分沉在水面下但不会全部沉下去这仍然符合表层浮选的要求。所以对于固相沉下去最重要的条件就是式1-3。

可浮性：

矿粒能否附带着在气泡上，取决于附着前后，体系自由能变化的多少。

附着前后按单位附着面积计算体系自由能变化为：

（σgl为气-液单位界面的界面自由能，θ为接触角）它的大小表示附着的难易程度。在气-液界面能不变时，它的值取决于（1-cosθ）的值，其值越大，附着越容易也越牢固。所以人们把∆W称为可浮性指标或黏附功。

θ=0°，cosθ=1，∆W=0时，不能发生黏附和浮游；

θ=180°，cosθ=0，∆W=1时，附着最容易，浮游也最容易。

（二）浮选的三相

浮选的气相：

浮选的气相一般是指空气。空气的质量约为同体积水的八百分之一，所以空气泡在水中有良好的浮力，可将附着在它上面的矿粒带到矿浆表面。空气中各种气体作为填充介质，对浮选的影响不大。然而不同气体的化学性质，对浮选的影响是多方面的。在一般情况下，氧对浮选的影响最大。实验证明，新鲜的硫化矿物，初步吸附氧以后，表面由亲水变为疏水。但硫化矿物与氧作用时间较长，表面就会被氧化变成亲水的氧化物。二氧化碳、二氧化硫溶于水中会生成相应的酸。碳酸对于黄铁矿、毒砂等矿物有活化作用。亚硫酸则对黄铁矿有抑制作用。空气中的氮，化学性质不活泼，故在浮选理论研究中，为了避免氧气和其他气体的影响，常用高纯度的氮气代替空气。氮气也可以节约硫化钠和硫酸锌用量。氮气对矿物的可浮性也有影响，例如用氮气调整含钛、锆矿物质的矿浆，钛的矿物受到抑制，而锆的矿物仍然可保持其可浮性。

浮选的液相：

浮选的液相，一般是稀的水溶液。其主要成分是水，还含有少量的矿物成分和浮选药剂。由于水分子是偶极子，它在某些电场中，可以产生定向排列，对于大部分矿物有润湿能力，对于许多矿物和药剂，有很强的溶解能力。

天然水中，常含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Mn4+、、、Cl-等离子，使一些药剂与它们发生无用之反应。工业用水常按钙、镁离子含量来计算硬度，并把非碳酸盐的钙、镁量计为永久硬度，而碳酸钙镁的量计为暂时硬度(因为钙镁的酸式碳酸盐煮沸后，其钙镁变成固体碳酸盐沉淀，水质会变软)。对硬度的规定可能有不同的标准，一般规定1度是：1L水中硬度盐的含量与10mgCaO或7.19mgMgO相当。水的软硬等级按其总硬度的数量划分：硬度8以下为软水，8~12为中硬水，12~18为相当硬的水，18~30为硬水，>30为很硬的水。硬水中的Ca2+、Mg2+等离子对用脂肪类做浮选剂是有害的，所以硬度过高对浮选有害。

浮选的固相：

浮选的固相是所要分离的矿物。矿物的亲水性和可浮性，与矿物的组成和晶

格类型有关。

矿物的不均匀性，可分为物理和化学两个方面：物理方面矿物由于生成前后环境的温度、压力条件不同，使晶粒的形状、大小、结晶与否、晶粒的缺陷、镶嵌(如石英镶嵌在赤铁矿鲕状体中)关系都不同，矿粒中也可能产生空隙、裂缝、错位等等。经破碎、磨矿后，矿粒表面状态更是多种多样。因而进入浮选的矿粒表面，大都不能保持原有的晶形，表面凹凸不平，出现不同的边、棱、角。位于边、棱、角上的原子，显示出的残留键力，各向千差万别，亲水性各有不同。化学方面天然矿物的化学计量，并不像化学分子量那样标准，常出现种种偏差。金属离子过量和非金属离子空位呈电正性缺陷。而非金属离子过量和金属离子空位，则呈电负性缺陷。电正性缺陷点是电子引力的中心，而电负性缺陷点则是电子斥力的中心。它们都会改变矿物的表面性质。比如方铅矿存在铅金属空位以后，使方铅矿半导体的电状态改变。使空穴附近的硫离子，对电子有较强的吸引力，拉动附近铅的电子云，附近Pb2+更显阳性，对黄药有更大的作用力。

（三）浮选的三相界面

气-液界面：

气-液界面附近的液体分子，由于下面受到液体分子的引力较大，上面受到的气体分子引力较小，结果产生表面张力。表面张力是作用在液体表面单位长度上的力。试验证明表面张力低的溶质，在水中有降低表面张力的作用，则此溶质在界面上浓度将比在水溶液内部的平均浓度要高。反之，溶质的表面张力高，与水所成溶液的表面张力也高，则溶质在界面上的浓度，比其在水内部(叫体相)的平均浓度要低。这种溶质浓度在表面高低的变化关系，称为吸附。

固-液界面：

矿物在空气中或水中，都容易被氧化。研究表明：氧与硫化矿物作用过程分