浮選(flotation)

發展簡史

理論基礎

浮選工藝

浮選流程

浮選藥劑

特殊浮選方法

浮選機

發展趨勢

利用不同礦物的顆粒表面物理化學性質的差異，從水的懸浮體(礦漿)中浮出某種或某些礦物的選礦方法。現代所說的浮選是指泡沫浮選，其特點是利用泡沫攜帶礦粒上浮。這是一種應用最廣的選礦方法，原則上能分選各種礦物；所處理的物料粒度范圍也較寬，可從2～3mm直至10μm以下，浮選粒度的下限比任何其他分選方法都低。全世界每年經浮選處理的各種礦石約20億t。幾乎所有的有色金屬礦石都采用浮選處理；鐵金屬礦石和非金屬礦物原料，也廣泛采用浮選法進行分選。浮選過程包括：(1)將礦石磨細，使有用礦物與其他礦物解離；(2)調整礦漿濃度，使之適于浮選要求；(3)向礦漿加入浮選藥劑；(4)在浮選機中進行充氣、攪拌，使氣泡礦化，并使礦化泡沫分離。自然界存在的天然疏水性礦物較少，浮選時一般要用特定浮選藥劑調節不同礦物的疏水性或親水性，以提高分選效果。經藥物作用后，疏水性礦粒粘附于氣泡，浮至礦漿表面呈泡沫排出，通常為精礦；親水性礦粒則留在礦漿中，作為尾礦。有時欲選礦物呈親水性而留在礦漿中，脈石礦物具疏水性，呈泡沫作為尾礦排出。這種從礦漿中浮出尾礦的浮選作業稱為反浮選。

發展簡史在古代的金、銀淘洗中，即利用了礦物的天然疏水性和親水性，用鵝毛蘸油粘捕細粒金、銀，稱為鵝毛刮金。此為浮選的雛形。中國明代崇禎十年(1637年)宋應星所著《天工開物》中，在描述回收廢金箔飾物時，有“刮削火化，其金仍藏灰內。滴清油數點，伴落聚底，淘洗入爐，毫厘無恙。”和“回收朱砂時，軋碎如微塵。然后入缸，注清水澄浸。過三日夜，跌取其上浮者，傾入別缸，名日二朱。”的記載。這近似于后來的全油浮選和表層浮選。到了19世紀，由于生產發展需要大量礦物原料，能用重選方法處理的粗粒礦物資源逐漸減少，要從細粒嵌布的貧礦和重選廢棄尾礦中選出有用礦物，于是出現了浮選法。浮選的發展經歷了全油浮選、表層浮選和泡沫浮選三個階段。全油浮選是利用礦物和脈石的親油性和親水性的差別，使兩者分離的方法。1860年，英國海恩斯(W．Haynes)發現，磨碎的硫化礦石與適量的油混合后，硫化礦物顆粒與油滴形成聚合體，可用水流將脈石顆粒分出。該方法曾用于生產鋅精礦，但由于效率低，油耗量大，逐漸被淘汰。表層浮選是根據礦物潤濕性的不同進行分離的方法。1885年，美國布拉德福(H．Bradford)發現，將礦粒灑于水面上，疏水性的硫化礦粒漂浮于水面，親水性的脈石礦物則沉沒水中，可將兩者分離。該方法也曾用于生產鋅精礦，由于效率不高，也被淘汰。1906年，英國蘇爾曼(H．L.Sulman)，皮卡德(H．F．Picard)和巴洛特(J．Ballot)使用攪拌方式進行礦漿充氣分選鉛鋅礦，產生了現代泡沫浮選法。但當時的浮選是將方鉛礦和閃鋅礦同時回收，后續的冶煉很難將鉛鋅分開。后來，于1912年和1922年，先后發現重鉻酸鈉能抑制方鉛礦和氰化物能抑制閃鋅礦和黃鐵礦；1925年和1926年，又先后發明了硫化礦物的捕收劑一黃藥和黑藥。這些浮選藥劑的發現產生了能分離方鉛礦和閃鋅礦的優先浮選法，促進了泡沫浮選的發展。泡沫浮選法的出現，使以前用重選方法不能處理的細粒和共生礦得以利用。1930年至1960年間，泡沫浮選擴展應用于處理金屬氧化礦石和非金屬礦石，成為金屬礦和工業礦物加工的重要方法。除黃藥和黑藥外，脂肪酸類摘收劑得到廣泛應用，陽離子捕收劑也用于生產；出現了多種抑制劑、活化劑、分散劑和pH調整劑。浮選工藝、浮選設備和浮選過程自動控制技術也得到不斷改進和完善。

早期的浮選理論研究主要集中在硫化礦物浮選的表面化學和浮選藥劑的界面吸附方面。到20世紀30年代，對浮選藥劑的吸附機理和礦物表面的潤濕現象已有相當深的認識。1927年，美國的高登(A．M．Gaudin)提出，捕收劑與礦物作用的原理是捕收劑的吸附。1930年，美國的塔格特(A．F．Taggart)提出了捕收劑的化學反應假說。1934年，澳大利亞的沃克(I．W．Wark)等給出了表示浮選捕收劑濃度和礦漿pH值關系的臨界pH曲線。40到50年代對礦粒與氣泡相互作用的物理理論研究取得較大進展，通過高速攝影，證實了礦粒與氣泡碰撞的重要作用，并計算出浮選中礦粒與氣泡的接觸時間。60年代又提出水化膜破裂是影響浮選過程的一個重要因素。這些研究成果集中體現在1933年列賓捷爾(Ⅱ．A．PebHHⅡep)的《浮選過程的物理化學》、1953年克拉辛(B．и．KnacceH)和莫克洛烏索夫(B．A．MoKpOycoB)的《浮選導論》、1955年薩瑟蘭(K．L.Sutherland)和沃克的《浮選原理》以及1957年高登的《浮選》等著作中。

從海恩斯1860年取得全油浮選專利權到20世紀初泡沫浮選在澳大利亞開始工業應用以來，浮選無論在應用上還是在理論上都取得了巨大進展。

在應用方面：(1)實現大型化。由于原礦品位下降、市場需求增加，以及為了進一步降低成本、能耗和便于控制，浮選廠的處理量明顯增大，最大處理量已達10萬t／d。與此相適應，浮選機的規格也日益大型化，最大槽容積已達85m³。(2)開發應用新技術。為適應和促進生產的發展，浮選新技術不斷得到開發和應用，如選擇性絮凝浮選用于回收微細粒赤鐵礦；泡沫分離浮選和閃速浮選改善了粗粒礦物的浮選效果；浮選柱的應用；分支串流浮選流程在中國應用取得成效；許多新浮選藥劑得到應用；化學選礦應用范圍不斷擴大，其中包括一段離析-浮選法在中國用于處理難選氧化銅礦。計算機的應用更促進了數學模型以及磨礦和浮選回路過程自動控制的發展，現代化的選礦廠已較多地采用數學模型和計算機控制。浮選正面臨著原礦品位日益下降，入選礦物的嵌布粒度越來越細，礦物組成更為復雜，生產成本不斷提高和環境保護要求日趨嚴格的困難局面。

在理論方面：浮選技術主要是通過試驗得到不斷改進和提高，而對浮選理論的研究卻可以加深對浮選基本原理的理解，促進浮選技術進一步發展。通過對浮選體系表面化學等的研究，人們對主要礦物類型的浮選理論已有較清楚的認識，如對氧化礦物和硅酸鹽礦物浮選機理的認識，對電化學在硫化礦浮選中所起的獨特作用的認識，以及對溶液化學在微溶性鹽類礦物浮選中的作用的理解等。在許多難選礦物的浮選研究中，已開始采用科學找藥方法來制定捕收劑體系。浮選要取得更大發展，需要對浮選理論有更深入的了解，60年代以后，通過運用表面化學、膠體化學、物理化學以及數學模型和電腦模擬等原理進行的研究，在浮選理論方面取得很大進展，這些進展集中反映在《泡沫浮選50周年論文集》(1962年)、《浮選——紀念A．M．高登文集》(1976年)、《細粒選礦》(1980年)以及《泡沫浮選表面化學》(1982年)等著作中。

理論基礎用浮選方法分離固體是以氣、固、液的三相接觸為基礎的，因此，礦物表面的物理和化學特性及液相組成對浮選有很大影響。除少數情況外，無機固體均被水相完全潤濕，所以浮選的第一步，就是設法以固一氣界面部分地取代固一液界面，這要通過向液相中添加適當的浮選藥劑來實現。礦物可浮性好壞的最直觀標志就是它被水潤濕的程度。礦物的表面性質和內部性質均受其結晶鍵能的影響，而鍵能則與其晶格結構有關。固體和其外部介質的相互作用主要取決于新生固體表面斷裂鍵的類型。由范德華鍵斷裂形成的表面往往是疏水的；由共價鍵或離子鍵斷裂形成的表面則是親水的。理想礦物的結晶構造及鍵能分布比較有規律，而實際礦物則有晶格缺陷及類質同象現象存在。礦物的氧化與溶解也影響其可浮性。

礦物在水中受水和溶質的作用，其表面會發生吸附或電離，在礦-液界面生成雙電層(見礦物界面雙電層)。礦物表面的電性則直接影響浮選藥劑在礦物一水界面的吸附。吸附是浮選中不同相界面上經常發生的現象。許多浮選藥劑都能在礦物表面吸附，使礦物表面性質改變，可浮性得到調節。礦物還能吸附礦漿中的其他分子、離子。由于礦物表面性質不均勻和礦漿中的溶解物質比較復雜，礦物表面的吸附有多種類型，但就吸附本質而言，則只有物理吸附和化學吸附兩種。起泡劑吸附在液一氣界面上，能降低界面自由能、防止氣泡兼并、形成穩定的礦化泡沫層。

根據熱力學原理，可以預知浮選過程中某些變化是否發生，但難以預知變化的速度。由于在浮選機中，是以動力學條件的影響為主，不可能從熱力學角度預知浮選指標；但熱力學可以預測各種可變參數(如溫度、pH值、捕收劑濃度)的變化對浮選的影響。浮選動力學主要是研究浮選速度的規律并分析各種影響因素，以改進浮選工藝、浮選機設計以及對浮選回路采用最佳化控制等。

浮選工藝包括入選礦石的破碎、磨礦、配制礦漿(配藥、調漿)、充氣、攪拌，分選后進行選礦產品脫水。影響浮選工藝過程的因素很多，這些因素分別屬于可調節因素和不可調節因素。可調節因素主要有：磨礦細度、浮選礦漿濃度、礦漿酸堿度、浮選藥劑制度、礦漿的充氣和攪拌、浮選流程和浮選時間等。不可調節的因素主要有：礦石結構和構造、礦石的礦物組成、礦石的氧化程度和各種礦物的嵌布粒度等。此外，浮選水質和浮選礦漿溫度對分選工藝也有一定影響。礦石的礦物組成和性質對浮選結果的影響是最基本的。即使在同一礦床中，不同地段礦石的礦物組成和性質也可能不同，因此應將不同地段產出的礦石按一定比例配合并充分進行礦石混勻，以保持礦物組成和性質的穩定，必要時甚至需分別浮選。在浮選前，礦石通過破碎和磨礦使目的礦物達到基本單體解離，并使其粒度符合浮選要求。礦石經破碎和磨礦后，加水配制成礦漿。礦漿濃度與礦石性質和浮選條件有關，一般為20％～40％。浮選前向礦漿中添加浮選藥劑進行調漿，添加地點與其用途及溶解度有關。pH調整劑和抑制劑常在磨礦時加入球磨機；活化劑給入攪拌槽；捕收劑和起泡劑加到攪拌槽和浮選機內。加藥順序通常依次為pH調整劑、抑制劑、捕收劑、起泡劑；被抑制礦物再浮選時，先加活化劑，后加捕收劑和起泡劑。由于礦物表面性質的不均勻性和浮選藥劑的協同效應，混合用藥往往能取得較好效果。浮選法的分選通常在常溫下進行。但采用脂肪酸類捕收劑時，提高礦漿溫度往往能改進浮選指標，還能改進某些硫化礦物的分選效果。浮選用水不能含大量懸浮物和溶解物。采用脂肪酸類捕收劑時，應避免用硬水。利用回水可減少污染、降低水耗，但由于回水中含有浮選藥劑，使用時需對用藥制度進行調整。精礦經濃縮、過濾，有時還需經干燥后才能出廠。尾礦送尾礦庫堆存。

浮選流程浮選時礦漿流經各工序的全過程。浮選的原則流程只規定磨礦和浮選的段數、浮選回路以及各礦物浮選的順序。磨礦和浮選的段數有一段、兩段和多段之分。浮選流程主要有優先浮選流程；全部浮出各有用礦物，然后再分選混合精礦的混合浮選流程；等可浮浮選流程以及分支串流浮選流程等。

浮選藥劑能調整礦粒表面親水性和疏水性，改善泡沫穩定性和礦漿的性質，以利于浮選進行的選礦藥劑。包括捕收劑、起泡劑和調整劑三大類。捕收劑能吸附于礦粒表面，使目的礦物疏水，提高其可浮性。捕收劑有極性的和非極性的兩類，最常用的是極性捕收劑，它又分陰離子捕收劑、陽離子捕收劑和非離子捕收劑三種。起泡劑通常為異極性有機表面活性物質，有助于在礦漿中生成細小、穩定的氣泡。調整劑包括抑制劑、活化劑、pH調整劑以及分散劑和絮凝劑，用于改善礦漿分選條件，擴大礦粒可浮性的差別，使捕收劑能在目的礦粒表面上作選擇性吸附。

特殊浮選方法金屬礦物常規的泡沫浮選適宜粒度范圍通常為0．3mm～10μm。當礦物粒度大于或小于這個范圍時，即用特殊浮選方法處理。如浮選粗粒礦物，常用泡沫分離浮選、閃速浮選和重力浮選。閃速浮選用于磨礦、分級回路中，用單槽浮選機回收粗粒目的一礦物；重力浮選則是在搖床等重選設備上同時進行重選和浮選，分離重選混合精礦。浮選微細粒礦物的特殊浮選方法可分四類：(1)通過增大礦粒實現分選的有：以高分子絮凝劑使微細礦粒絮凝成團后再分選的選擇性絮凝浮選；以適宜粒度的礦粒作載體，使微細礦粒粘附其表面實現分選的載體浮選；通過強烈攪拌礦漿產生的剪切力配合捕收劑的疏水鍵合力，使微細礦粒形成絮團浮出的剪切絮凝浮選。(2)充分利用油一固界面較強的相互作用力，使微細礦粒從礦漿中轉入油相形成球團，或粘附于油滴而上浮，從而實現礦物分離的油團聚分選和液-液分選。(3)依靠產生微泡進行分選的溶氣浮選和電浮選等。(4)浮選離子的離子浮選和沉淀浮選。它們是以表面活性劑或沉淀劑，使溶液中的離子生成絡合物或沉淀，再浮選分離。

浮選機進行浮選的主要設備，通常由數槽串連組成浮選回路。礦漿的充氣和攪拌，欲選礦物向氣泡的粘附、礦化氣泡上升、形成泡沫層并被刮出和從槽底排出非泡沫產品等過程，均在其中實現。浮選機需能保證有足夠量的空氣，且空氣彌散均勻；礦漿攪拌均勻、循環充分以及形成較平穩的泡沫區。根據攪拌和充氣方式，浮選機主要有機械攪拌式浮選機，充氣攪拌式浮選機，單靠外部吹入空氣進行充氣和攪拌的充氣式浮選機，以及用降壓方式使礦漿析出微泡的氣體析出式浮選機等四類。

發展趨勢由于簡單易選的礦石日益減少，而工業生產對礦產資源的需求日益增大，浮選正面臨許多新問題，故而，浮選要運用新觀念、采用新技術、開辟新領域；根據浮選理論來設計和控制浮選過程，進一步提高浮選廠勞動生產率、降低生產成本。為此要求(1)尋求回收低品位、微細粒和分選復雜共生難選礦物的有效浮選方法；(2)開發新型高效浮選藥劑、浮選工藝、浮選設備和自動控制系統；(3)擴大浮選與水冶、火冶的聯合應用范圍；(4)將浮選擴展應用于廢料回收及各種物料的分離領域。