基于气-液界面和颗粒行为调控的粉煤灰浮选泡沫稳定机理研究

Flotation is an important method to remove unburned carbon from high-carbon fly ash. However, the poor stability of fly ash flotation froth caused by particle characteristics is always a problem to remove unburned carbon efficiently. In this project, the effect of gas-liquid interface properties and particle drainage behavior in flotation froth decay process on froth stability of fly ash flotation will be studied. Focusing on a single-bubble and two adjacent bubbles, the influence of gas-liquid interface properties of frother solution on bubble initial size, bubble film thickness and adjacent bubbles coalescence time will be revealed. Combining foam drainage and stability tests with adjacent bubbles coalescence time, the project will ascertain the effect mechanism of gas-liquid interface properties of frother solution on foam stability. The evolution of bubble size and shape in foam decay process will also be analyzed. Extending liquid drainage of gas-liquid two phase foam to liquid-solid drainage of gas-liquid-solid three phase froth, the drainage behavior of fly ash particles in froth decay will be revealed, and sedimentation velocity of spherical fly ash particles in froth micro structure will also be modeled through the idealization of sedimentation space. Based on the above research, the project will reveal effect mechanism of gas-liquid interface and particle behavior on froth stability of fly ash flotation. The findings will provide evidences in support of theories of the regulation of fly ash flotation froth and the high-efficiency removal of unburned carbon, which also have a good reference for regulating flotation froth of other minerals.

浮选脱炭是处理高炭粉煤灰的重要手段，而由粉煤灰的颗粒性质所导致的泡沫稳定性问题一直是困扰浮选脱炭的难题。项目以浮选泡沫中的气泡和颗粒为对象，研究气-液界面性质和颗粒渗流行为对粉煤灰浮选泡沫稳定性的影响机理。具体内容包括：分别以单气泡和两个相邻气泡为载体，研究起泡剂溶液的气-液界面性质对气泡初始尺寸、液膜厚度和兼并时间的影响；将气泡的兼并时间与两相泡沫的衰变行为联系起来，研究气-液界面性质变化对两相泡沫稳定性及气泡群尺寸和形态演绎的影响规律；将两相泡沫中的液体渗流延伸至三相泡沫中液固分散体系的渗流，研究三相泡沫衰变过程中的颗粒渗流行为，建立和修正粉煤灰球形颗粒在泡沫微观结构内的沉降速度模型。最终揭示浮选泡沫中的气-液界面和颗粒行为对其稳定性的影响机理，为粉煤灰浮选泡沫的有效调控和高效脱炭提供关键的理论支持，同时也可以为其他矿物浮选过程中的泡沫稳定性调控问题提供借鉴。

浮选是目前粉煤灰中未燃炭脱除的主要途径，但与自然矿物的浮选相比，却存在“未燃炭难浮、泡沫稳定性差”的难题，这给传统意义上的矿物浮选带来巨大挑战。鉴于此，项目以浮选泡沫中的气泡和颗粒为对象，研究气-液界面性质和颗粒行为对粉煤灰浮选泡沫稳定性的影响机理。. 首先构建了单气泡产生及兼并行为观测系统；研究了多种起泡剂和氯化钠作用下气泡产生的微观过程以及气泡在液面处的弹跳破裂过程，定量测试了气泡与液面的碰撞兼并时间。研究表明：气泡与液面的兼并时间由弹跳时间和液膜的排液时间组成，其中液膜的排液时间一定程度上决定了兼并时间的长短；在起泡剂溶液中，Marangoni效应减缓了液膜的排液过程，使兼并时间延长，而氯化钠对兼并时间的延长作用在于减小了气泡与液面间的疏水作用力。. 测试了氯化钠与起泡剂溶液协同体系的表面张力，采用动态起泡指数（DFI）评价协同体系的起泡性能和泡沫稳定性，采用Foamscan泡沫扫描分析仪测定了协同体系的泡沫含水量。研究表明：随着氯化钠浓度增大，3种起泡剂溶液的DFI值均增大，氯化钠对PEG溶液DFI值的影响大于MIBC及仲辛醇；但在较高的起泡剂浓度条件下，氯化钠浓度的增大反而会导致泡沫的稳定性下降，此时，单位体积泡沫的含水量也相应减小，这与氯化钠对表面活性剂分子在气液界面的水化作用有关。. 研究了粉煤灰矿物组成中的典型颗粒对三相泡沫稳定性的影响，并拓展至不同可浮性的炭质颗粒对三相泡沫稳定性的影响。研究表明：疏水性颗粒粘附在气泡的表面，增大了气泡液膜的机械强度：对于相同颗粒尺度的炭质颗粒，其接触角越大，则稳定泡沫的能力就越强；对于同一种类的炭质颗粒，其粒度越小，则稳定泡沫的能力越强。粉煤灰中的莫来石、石英和非晶漂珠等典型的亲水性颗粒对泡沫的稳定作用有限，而脱炭选厂循环水系统的沉降细泥（-74μm占92.53%）对浮选泡沫具有一定的支撑作用，这对粉煤灰脱炭浮选的泡沫稳定调控具有重要的启示意义。