纳米气泡桥毛细作用力强化微细粒矿物浮选机制研究

The core issue of the improvement of fine particles separation process is to strengthen the interaction of mineral particles and bubbles. This project aims to reveal the strengthening mechanism of nanobubble on the flotation of fine particles to seek a control method to strengthen the flotation of fine particles with the key point of the“Nanobubble Bridging Capillary Force”. The influence of nanobubble on the interaction of the particle-particle and particle-bubble in the fine mineral flotation system is studied by the experimental research, theoretical calculation and numerical simulation. On the thermodynamic level, based on the EDLVO theory, long-range hydrophobic interaction energy calculation model is established on the basis of the “Nanobubble Bridging Capillary Force”, and the interaction mechanism of the particle-particle and particle-bubble in the fine mineral flotation system is quantitative analyzed. On the kinetics level, based on the classical particle and bubble interaction model, with the help of nonlinear fitting method and other mathematical methods, the parameter modification of the mathematical model of particle-particle coagulation, particle-bubble collision and attachment was built and optimized by sample analyzing of the nanobubble flotation system. On the micro level, molecular dynamics (MD) simulation was applied to investigate the basic mechanism of nanobubble on the interaction of mineral particle and bubble and the formation process of nanobubbles bridge. The research result will provide theoretical guidance for the improvement the separation efficiency of mineral fine particle.

提高微细粒矿物分选效率的核心问题是强化颗粒气泡之间的相互作用过程，课题以纳米气泡所产生的“纳米气泡桥毛细作用力”为切入点，深入研究纳米气泡浮选体系中矿物颗粒-颗粒、颗粒-气泡间的相互作用过程，拟在揭示纳米气泡对微细粒矿物浮选的强化机制。热力学层面以EDLVO理论为基础，基于“纳米气泡桥毛细作用力”构建长程疏水作用能的计算模型，量化解析纳米气泡浮选体系颗粒气泡间的相互作用关系；动力学层面以经典的颗粒气泡作用模型为基础，借助非线性拟合和其它数学方法，对颗粒-颗粒间的凝聚以及颗粒-气泡间的碰撞粘附模型进行参数修正和边界优化，构建纳米气泡存在下颗粒气泡间的相互作用模型；微观层面借助分子动力学模拟获取矿物颗粒气泡相互作用过程中的动力学及热力学信息，详细阐明纳米气泡桥的形成过程，并定量解析纳米气泡桥的作用效果和作用距离。研究有望为纳米气泡强化微细粒矿物资源高效回收的新技术提供理论支持。

针对微细粒矿物高效开发利用的需求，以“纳米气泡桥毛细作用力”所产生的长程疏水作用为切入点，通过试验研究、理论计算、数值模拟等多种研究手段，揭示矿物浮选体系中纳米气泡对矿物颗粒-颗粒，颗粒-气泡之间的相互作用影响机制。对比了纳米气泡制备方法（溶气加压法，电解法，机械剪切微泡法以及水力空化法），通过控制压力、电流强度、溶气量等试验条件制备微纳米气泡，在此基础上考察了不同方法所制备的纳米气泡对粗细粒以及亲疏水性矿物石墨以及石英的影响效果，试验结果表明：以水力空化作用方式，通过矿物表面气穴成核所析出的纳米气泡能够稳定作用于矿物浮选过程，微纳米气泡强化了矿物的凝聚过程，同时在动力学角度提高了矿物的浮选速率常数以及浮选回收率，与常规浮选方法相比，可使精矿的可燃回收率提高5%左右，在相同可燃回收率下，可节约捕收剂用量50%或起泡剂用量25%，浮选速率常数提高了9.41%。通过表面自由能最小化以毛细作用力为原型推导出了“纳米气泡桥毛细作用力”模型，纳米气泡桥毛细作用力与逆接触角、气液界面作用能以及颗粒粒径呈线性相关；在此基础上，热力学层面以EDLVO理论为基础，基于“纳米气泡桥毛细作用力”构建了长程疏水作用能的计算模型，量化解析了纳米气泡浮选体系颗粒间的相互作用关系。采用6种浮选动力学模型探索了纳米气泡作用下不同粒度的煤泥的浮选行为，对比了传统浮选工艺以及微纳米气泡作用下煤泥的浮选行为，结果表明：经典一阶动力学模型更适合上述两种浮选工艺，与常规浮选结果相比，微纳米气泡浮选工艺中各个粒级的理论最大可燃体回收率均有一定程度的提高，此外，其对-0.5+0.25 mm粗粒级的促进作用尤为明显，浮选速率常数从2.7034增大至 4.3342，理论最大可燃体回收率从 81.35% 增大至85.19%。最后，通过分子动力学模拟，对比了纳米气泡在亲/疏水性矿物表面的吸附过程，揭示了纳米气泡的形成条件以及其与矿物的吸附作用机制。