駐波超聲對浮選氣泡的影響

王衛東,靳立章,涂亞楠,劉定樺,徐志強

(中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083)

隨著低階煤開采量和采煤機械化程度的增加，低階煤泥產量和灰分也不斷增加。浮選是煤泥分選應用最廣泛的技術，對低階煤泥進行浮選加工，有利于低階煤的高效清潔利用[1-4]。低階煤的變質程度低，表面具有較強的親水性，很難通過常規的浮選手段進行有效地回收[5-6]。現有的低階煤煤泥浮選，主要通過藥劑調節[7-8]、浮選調漿[9-11]、表面改性[12-13]、超聲浮選[14-15]等方法調控，提高其可浮性。其中，作為一種結合了多種調控的超聲浮選方法，對提高浮選過程的選擇性、浮選效率以及浮選效果具有很強的現實意義[16]。

超聲浮選是一種將物理調節法和化學調節法相結合的浮選方式，對提高煤泥浮選的選擇性和浮選效率效果顯著[16]。?ZKAN等[17]的研究表明超聲波預處理可使浮選氣泡穩定性增強，浮選速率提高，浮選回收率增加，藥劑用量減少。康文澤等[18-19]的研究表明超聲波預處理使煤泥接觸角、疏水性及礦漿pH增加，潤濕熱減少，超聲浮選的精煤產率、浮選速率、浮選完善度較處理前有明顯提高。毛玉強等[20]在低階煤浮選中引入超聲波提高了精煤回收率，降低了精礦灰分，強化了低階煤的浮選回收。ZHEN Kunkun等[21]研究表明經超聲場的浮選攪拌后產生的油滴較小，尤其超聲功率較高時。油滴粒徑的減小導致了相同柴油用量下油滴總表面積的增加，提高了柴油的利用效率，有利于低階煤的浮選。普遍認為，超聲浮選通過超聲空化產生的清洗、侵蝕和乳化作用改變了煤泥表面的物理化學性質，促進了浮選藥劑的乳化，從而提高了浮選速率及浮選效果[22]。此外，超聲作用于浮選過程，對浮選氣泡產生的影響也得到了關注。CHEN Yuran等[23-24]研究了駐波聲場對浮選氣泡的影響，發現煤顆粒被大氣泡聚集和吸引。微浮選試驗表明，無論有無超聲處理的試驗，最終最大回收率相似，但超聲聚集作用提高了回收速率。MAO Yuqiang等[25]研究了擴散場對浮選氣泡的影響。結果表明:超聲使泡沫區的泡沫層厚度變薄，球形氣泡的聚集更有利于浮選。JIN Lizhang等[26]研究了不同頻率駐波超聲對浮選氣泡的影響，結果表明，100 kHz的超聲場中聚集體和小氣泡的數量最多，該條件下得到了最高的精煤產率、可燃體回收率和浮選完善指標。駐波超聲促進了氣泡與煤粒的聚集，提高了浮選效果。

可見，駐波超聲作用于浮選過程中時，不但改變了煤泥表面的物理化學性質，也影響了浮選氣泡的行為，2種作用均對浮選結果產生了影響。駐波超聲作用的浮選氣泡行為對浮選結果的影響較為顯著，但相關的機理研究較少。筆者以低階煤為研究對象，在駐波超聲同步柱選裝置中進行了柱選試驗。在氣泡觀察裝置中，探究了駐波聲場中的微泡生成過程、氣泡聚集過程和上述過程對浮選選擇性的影響。最后，探討了駐波超聲對浮選氣泡以及柱選結果的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗煤樣

試驗煤樣為大同礦區四臺選煤廠低階煤煤泥，灰分為34.29%，水分2.12%。煤樣粒度分析結果見文獻[27]，屬于高灰細粒煤。表1為煤樣的工業分析和元素分析結果。

表1 煤樣工業分析與元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coal sample

1.2 試驗裝置

氣泡觀察裝置如圖1所示，包括照明裝置、觀察裝置(亞克力制品)、圓形換能器(100 kHz)、超聲波發生器(KMD-D2)、高速攝像系統(Q1M 高速攝像系統)。

圖1 氣泡觀察裝置Fig.1 Bubble observation device

柱選裝置如圖2所示，在觀察裝置的基礎上，添加了充氣孔及氣泡發生器，柱選裝置不需要照明及高速攝像系統。

圖2 超聲柱選裝置Fig.2 Ultrasonic flotation column

1.3 試驗方法

(1)超聲柱選試驗方法:稱取75 g煤樣并潤濕，攪拌2 min 后加入捕收劑(煤油)500 g/t，再攪拌1 min后加入起泡劑(仲辛醇)100 g/t，再攪拌30 s制成浮選礦漿(質量濃度50 g/L)。將浮選礦漿轉移至柱選裝置中，同時開啟超聲波發生器和充氣閥門，泡沫收集5 min。

(2)氣泡觀察方法:觀察室內充滿清水，從下方通入空氣，觀察室中超聲場與柱選一致(100 kHz)，待充氣穩定后，開啟超聲波發生器和高速攝像系統，記錄超聲場中的氣泡變化情況。微泡產生過程不通入空氣。

(3)熱解石墨片和云母片:去掉表層后，通過雙面膠粘取中間層固定在底板上，在柱選裝置中超聲處理5 min。

2 結果與討論

2.1 駐波超聲柱選試驗結果

駐波超聲柱選試驗結果見表2。由表2可知，與常規柱選相比，駐波超聲柱選的精煤產率、可燃體回收率和浮選完善指標分別達到了21.93%，30.52%和23.77%，柱選結果均得到了提高。精煤灰分為11.13%，比常規柱選低1.07%。

表2 浮選結果Table 2 Flotation results %

本次100 kHz駐波超聲柱選試驗與駐波超聲浮選[27]的區別在于煤樣的潤濕、攪拌和加藥過程沒有超聲參與，僅在分選過程中加入駐波超聲。駐波超聲作用于礦漿與氣泡的碰撞區。在碰撞區，氣泡礦化上浮成為浮選泡沫，該過程在一個較短的時間內完成。因此，在本試驗中，駐波超聲對煤顆粒的清洗作用和對浮選藥劑的乳化作用有限。駐波超聲對浮選氣泡的強化作用較為突出。

2.2 駐波聲場中的氣泡行為

圖3為加入駐波聲場后氣泡觀察裝置中的氣泡聚集過程，即在800 ms內駐波聲場中氣泡聚集體的形成及分布過程。氣泡聚集體在未加超聲時未出現，400 ms時的分布狀態已經較為明顯，至800 ms時的分布狀態已完全穩定且清晰。無超聲時，氣泡在整個觀察裝置內均勻分散;當加入駐波超聲時，氣泡有規律地聚集，形成不同形狀和大小的氣泡聚集體;趨于穩定后，氣泡聚集體更明顯，以條紋狀聚集態分布在整個駐波聲場中。與擴散聲場對浮選過程的攪拌、乳化和減小氣泡尺寸等作用[22]相比，上述氣泡聚集現象是駐波聲場最明顯的特性[28]。

圖3 氣泡聚集過程Fig.3 Bubble aggregation process

圖4為氣泡觀察裝置中一個氣泡聚集體的形成過程。在間隔25 ms、共75 ms的過程中，駐波聲場中的氣泡由松散態到聚集態，形成“包裹團”或“鏈狀”的氣泡聚集體。在聚集體的形成過程中，聚集時間較短，氣泡在聲場驅動下的運動行為能夠促進煤顆粒和氣泡的碰撞[29]，使礦化過程更易發生。

圖4 氣泡聚集體的形成過程Fig.4 Formation process of bubble aggregates

氣泡聚集體的生成原理即駐波使氣泡在波的疊加處聚集。在聲場作用下的氣泡會發生體積脈動。如果聲壓梯度不為0，它可以與氣泡振蕩耦合，從而在氣泡上產生一個驅動力，即Bjerknes力。Bjerknes力是非流動液體中氣泡運動的最有力的驅動力。由于聲場的作用，小于共振尺寸的氣泡沿聲壓梯度上升，而大于共振尺寸的氣泡沿聲壓梯度方向移動。因此，在駐波聲場中，前者在波腹處聚集，后者在波節處聚集[30]。

如圖5所示，在觀察氣泡聚集體的形成過程中加入試驗煤樣，形成了有“包裹團”和“鏈狀”的煤-氣泡聚集體。該試驗結果表明，駐波聲場中的氣泡聚集過程對礦化氣泡同樣產生作用。“鏈狀”的煤-氣泡聚集體，將礦化氣泡連接在一起，而“包裹團”的存在，可能將礦漿包裹在其中導致選擇性較差[31]。圖中也可以看出，“包裹團”的數量少于“鏈狀”的煤-泡聚集體數量。因此，駐波聲場中生成了煤-氣泡聚集體，得到了較好的柱選結果。

圖5 煤-氣泡聚集體Fig.5 Coal-bubble aggregates

2.3 駐波聲場中微泡的產生及其作用

如圖6所示，在靜水中加入駐波聲場10 s，產生了可見的微米級氣泡(小于300 μm)。這些微泡泡可以附著在氣泡聚集體上，如圖7所示。駐波聲場在浮選過程中的作用除了提供能量和促進氣泡聚集外，還有生成微泡的作用。在駐波聲場中，微泡的產生與超聲空化及氣體析出有關。聲場中的聲波在液體中傳播時改變了液體內部靜壓，形成了負壓區和正壓區。液體中的空腔結構在負壓區生長，在正壓區壓縮，反復的正負壓生長過程導致該結構破裂為更小的氣泡，破裂過程同時產生能量和微射流，這種現象被稱為超聲空化[32-33]。聲波在液體中的傳播也會導致溶解在液體中氣體析出形成微泡[34-35]。駐波超聲產生的聲場驅動力能夠促進氣泡礦化，該氣泡為微泡時礦化過程更易發生[29]。

圖6 微泡產生過程Fig.6 Generation process of microbubble

圖7 附著微泡的氣泡聚集體Fig.7 Aggregation of bubbles with microbubble

2.4 駐波聲場中微泡附著的選擇性

如圖8所示，將表面粗糙度相近的熱解石墨片(平均粗糙度為388 pm)和云母片(平均粗糙度為240.7 pm)在柱選裝置中超聲5 min后，熱解石墨表面附著大量微泡和少部分大氣泡。大氣泡的周圍存在氣泡“消失”區域，因此可以判斷，大氣泡是由微泡聚集兼并[36]產生，大氣泡上同樣附著部分微泡，這與圖7試驗結果一致。云母片超聲5 min未見明顯變化。

圖8 駐波超聲處理后的樣品表面Fig.8 Sample surface with ultrasonic treatment

駐波聲場中產生的微泡有選擇性地附著在疏水表面，進一步提高其疏水性，同時，距離相近的微泡易發生兼并行為，生成較大的氣泡。當微泡作為“介質”參與煤-泡聚集體的形成過程時，該聚集過程具有了一定選擇性。相比于單個氣泡，煤-泡聚集體能浮出更多精煤。因此，與常規柱選相比，駐波超聲柱選的精煤產率、可燃體回收率和浮選完善指標均有所提高。

3 結 論

(1)駐波超聲加入柱選后，可以強化低階煤煤泥柱選效果。精煤產率、可燃體回收率和浮選完善指標分別達到了21.93%,30.52%和23.77%，均高于常規柱選；精煤灰分為11.13%，比常規柱選低1.07%。

(2)進入駐波聲場的氣泡有規律地聚集，形成不同形狀和大小的聚集體，在趨于穩定后，聚集體以條紋狀聚集態分布在整個駐波聲場中。與擴散聲場對浮選過程的攪拌、乳化和減小氣泡尺寸等作用相比，氣泡聚集是駐波聲場最明顯的特性。

(3)駐波聲場在整個柱選過程中的作用為提供能量、促進聚集和產生微泡。聲場驅動力提供了能量，促進了煤顆粒與氣泡之間的碰撞。在聲驅動力的作用下，氣泡以條紋狀聚集態分布在整個駐波聲場中。微泡作為煤顆粒和大氣泡之間的“介質”，可在很短的時間內促進其聚并，形成煤-泡聚集體，且該過程具有一定選擇性。這些煤-氣泡聚集體在浮選過程中進入泡沫層，最終成為浮選精煤。提高了精煤產率、可燃體回收率和浮選完善指標，降低了精煤灰分。