英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
天然疏水矿物材料浮选动力学与三相接触形成时间的关系
Przemyslaw B. Kowalczuka,lowast;, Jan Zawalab
(a.Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Geoengineering,Mining and Geology, Wybrzeze Wyspianskiego 27, 50-370 Wroclaw, Poland
b.Jerzy Haber Institute of Catalysis and Surface Chemistry PAS,Niezapominajek 8, 30-239 Krakow, Poland)
图表摘要 在萤石/水系统中，由单个气泡实验确定的tTPC (ms)的值和由浮选试验确定的动力学常数的倒数的值与溶液中pH值之间的关系。
摘 要 通过浮选和单泡浮选试验，对不同疏水度的天然疏水矿物材料，即高疏水性聚四氟乙烯、中度疏水性萤石和轻度疏水性石英的浮选动力学和气泡附着时间进行了比较。本文确定了由一阶速率常数(1/k)表示的浮选动力学与单泡试验确定的三相接触形成时间(tTPC)之间的重要关系，结果表明，浮选动力学主要取决于三相接触形成的时间，即从第一次气泡碰撞到吸附固体表面的时间。尽管浮选过程非常复杂，包括大量的子过程，但分离气泡和固体表面的液膜排水动力学是影响最终浮选结果的一个至关重要的因素。
关键词 三相接触形成；浮选；浮选速率；动力学；石英；萤石；聚四氟乙烯
1． 前言
悬浮微粒与气泡在液体介质中的相互作用是浮选的基本过程。颗粒-气泡相互作用的机制控制着浮选效率、碰撞、附着和稳定的概率。微粒-气泡附着的成功与否取决于浮选系统的许多特性，如表面电荷、微粒的疏水性、颗粒大小、粗糙度、气泡大小、温度、水化学和水动力学等。附着过程包括三个基本阶段，(i)界面液膜减薄到临界厚度，(ii)液膜从临界厚度破裂到形成三相接触(TPC -气/液/固)，(iii) TPC线的扩展。附着动力学可以用附着时间(ta)来描述，其中包括三个子过程其可以定义为:ta = td tr te ，td是界面液膜排水的时间，tr为膜破裂时间，te是TPC线的扩展时间，保证了稳定的润湿时长，td与tr之和被认为是三相接触形成()的时间，即从第一次气泡碰撞到附着于固体表面的时间。决定了颗粒-气泡附着的总动力学，这意味着影响浮选动力学，而浮选动力学与浮选效率有关。已有文献报道了浮选效率或回收率与气泡附着固体颗粒时间的关系，但对浮选动力学与气泡附着关系的研究还很有限。因此，本研究的目的是探讨在不同物化性质的水相中，具有不同疏水性的天然疏水固体，其三相接触形成时间与浮选动力学之间可能存在的关系，针对每一个在本工作系统中被研究的对象，我们简要描述了三相接触形成机制，从而进行浮选。
2. 试验原料及方法
2.1. 试验试样
使用型号为220的砂纸粗磨后，将聚四氟乙烯(PTFE，Teflonreg;)的圆盘和板分别用于浮选和单泡试验。将1毫米厚的聚四氟乙烯薄膜冲压成直径2毫米的聚四氟乙烯阀瓣。在圆盘冲压之前，用型号为220砂纸对箔片两面进行粗化处理，以保证两个圆盘表面的粗糙度相近。制备好的PTFE样品(光盘和平板)在稀释的Mucasol(购自Sigma Aldrich的市售清洗液)中清洗，然后用大量温蒸馏水冲洗。浮选试验选用Osiecznica矿石英(SiO2)和绿萤石(CaF2)，单泡试验选用天然石英和萤石光学级晶体。通过x射线粉末衍射(XRD)和x射线荧光(XRF)分析对所研究的矿物样品进行了检验，结果表明，样品纯度高(ge;98%)。Hexylamine (HexNH2, C6H15N)和alpha;-terpineol (C10H18O)分别从Merck KGaA和SigmaAldrich处购买，它们是可获得的最高纯度的材料(ge;99%)。用纯水制备了表面活性剂水溶液。表面活性剂溶液的清洗和制备采用pH = 5.8plusmn;0.2的蒸馏水，比电导率为10minus;6 S/cm。
2.2.方法
石英和萤石的浮选试验在体积200 cm3、高度36 cm、横断面0.625times;10minus;3 m2的单泡哈利蒙德管中进行，聚四氟乙烯在配有1.5 dm3的不锈钢槽的丹佛D12浮选机中浮选。在单泡哈里蒙德管浮选试验中，用粒度在100至200微米的纯石英或萤石的样品，在理想的pH值下与纯水或HexNH2水溶液混合，调节5分钟，然后转移到试管中浮选。在每个实验中，体积空气流量是恒定的，等于37 cm3/min。在丹佛浮选实验中，将直径为2毫米、厚度为1毫米的聚四氟乙烯粗圆盘与纯水或alpha;-松烯醇的水溶液一起加入浮选池，相同条件处理1分钟后浮选。在每个试验中，空气流量30 dm3/h和搅拌速度700 rpm保持不变。另外一份矿物样品被水平放置在液体表面之下，距离远远超过上升的气泡达到最终速度所需的距离，用高速摄像机(1000-1024 fps)记录了气泡运动和与固体表面的碰撞。对碰撞气泡的记录图像序列逐帧分析，确定TPC形成的时间()，即从第一次气泡碰撞到附着在固体表面的时间。在每次单个气泡测试之前，对固体样品进行仔细清洗：聚四氟乙烯使用铬酸混合物清洗然后用纯水冲洗；用丙酮、甲醇和大量纯水冲洗萤石；石英用稀释的Mucasolreg;(购自Sigma Aldrich的市售清洗液)清洗，然后再用大量纯水冲洗。在室温(22℃)下进行了单气泡和浮选试验。为了得到可靠的数据，每个实验都重复进行。
3. 结果与讨论
分别对疏水度不同的矿物材料，即疏水度高的聚四氟乙烯(水接触角theta;gt; 90°)、中度疏水的萤石（theta;=40°）、轻度疏水的石英(theta;= 23°)进行了浮选和单泡试验。以下几节将介绍浮选的结果，并通过将浮选数据与单个气泡试验进行对比，简要讨论颗粒-气泡附着的可能机理。
根据一阶动力学方程计算了浮选动力学 r = rmax times; (1 minus; eminus;kt)
其中r为回收率，rmax为最终回收率，k为一阶速率常数。在95%置信区间内得到浮选动力学的误差。
3.1.高度疏水聚四氟乙烯
聚四氟乙烯(PTFE, Teflonreg;)是高度疏水的材料，与水接触角大于90°，这意味着在没有任何表面活性剂的情况下，PTFE可以在纯水中轻易回收。事实上，其在水中浮选非常快，5秒后所有粒子都停留在液气界面。从图1和图2可以看出，浮选回收率和浮选速率与表面活性剂的浓度有很大的关系。图1为浮选试验得到的试验点。此外，公式(1)对每个实验系列(浓度)的拟合也在这里给出，k的值就是从这里计算出来的(虚线)。可见，泡沫浓度越高，浮选率越低。此外，值(通过高速摄像机记录和图像分析在单个气泡测试中测量)也随着泡沫剂量的变化而波动(图2)。图2都清楚地表明, 以一级反应速率常数的倒数的值(1 / k)所表示的浮选速度和值在增加相同的起泡剂浓度范围内时他们以类似的方式变化。和1/k的延长机制在其他地方有明确的描述。它与在粗糙的疏水表面下的空气滞留的可能性有关。简单地说，当气泡与存在界面空气的高度疏水的固体表面发生碰撞时，碰撞气泡与滞留在固体表面的空气之间的泡沫膜局部形成。在纯水中，泡沫(水)膜是不稳定的，而TPC的形成是通过连接碰撞的气泡和已经附着在固体上的微气泡(先前的去湿区)来实现的。表面活性剂分子在液/气界面上的吸附导致了较慢的排水，导致局部形成的泡沫膜的稳定性增加，从而延长了的时间。这一假设的机制得到了如下事实的支持:延长效应开始显著的泡沫浓度的阈值非常接近各自体系的临界聚结浓度(CCC)
图1：浮选回收的聚四氟乙烯作为时间的函数表示不同浓度的alpha;-terpineol。点代表实验值，虚线为根据实验值的点拟合的线条
图2：相关(毫秒)值由单一泡沫实验确定，动力学常数的倒数的值1 / k (s)由聚四氟乙烯的浮选试验的alpha;-terpineol浓度确定(基于动力学数据)
3.2.中等疏水性萤石
第二种固体是萤石。它是一种半可溶性盐，在许多应用中对其都有频繁深入的研究。各种研究结果表明，纯萤石可以被认为是亲水或疏水的矿物与水接触角分别等于或大于零。据报道，萤石的水接触角范围从0到55°，甚至90°。萤石的疏水性取决于样品的测量技术、样品制备过程、粗糙度、颜色、来源和晶体结构。Gao等研究发现，(111)和(100)两种结晶型萤石表面为疏水型，Zhang等研究发现，只有(111)两种结晶型萤石表面为中度疏水型，接触水角度为20°，而(110)和(100)两种结晶型萤石表面为亲水型。这些发现得到了分子动力学模拟和和频振动光谱的证实。结果表明，天然萤石在CaF2的疏水表面(111)优先劈裂，是理想的劈裂面，切割后得到的两个对应的面(111)总是相同的。说明萤石是天然的疏水性矿物，接触角大于零。我们的调查显示，在这项工作中研究的纯晶体萤石表现出中度疏水性，水接触角等于40°。萤石的天然疏水性表明，它具有天然的可浮性，在哈里蒙德管、肖特漏斗等小型浮选装置中，不需要任何表面活性剂，即可自由漂浮。然而，浮选反应和气泡附着与溶液的pH值密切相关(图3-4)。与高疏水性聚四氟乙烯相似，萤石的与1/k值之间也有很强的相关性。1/k与值高度相关，在相同的pH范围内变化相同(图4)。从图3和图4可以看出，和1/k在pH为强酸性和碱性时的回收率最低，值最高，而在pH为6-8时的回收率最好。它与萤石的零电荷点(pzc = 6.2；pzc sim; 8)和等电点(pHiep = 7； pHiep = 9)都有很好的对应。在pH= 2.5时，萤石和气泡表面都带正电(zeta; fluorite = 70 mV, zeta; airbubble = 20 mV)，而在pH= 11时则带负电(zeta; fluorite = –20 mV, zeta; airbubble = minus;60 mV)。在pH值为5.8时，带正电的萤石可以静电吸附在带负电的气泡上，在酸性和碱性的pH值下，由于没有浮选和气泡附着物，说明存在静电互斥的相互作用，阻止了气泡与萤石表面形成的界面液膜破裂。pH值从2增加到6，提高了浮选率和回收率。也随着pH值的增加而缩短(图4)。萤石的表面电荷来源于表面的F-和Ca2 离子的溶解，在低pH值时，表面电荷非常高，随着pH值的增加而减少，这是由于氢氧根离子在萤石表面的特异性吸附和在接近pzc的pH值时表面水分子的随机化。在较高的pH值下，OH -离子有很强的吸附作用，形成Ca-OH，氢氧根在萤石和气泡表面的吸附增加了它们的负电荷密度，降低了表面电荷。它导致水分子在CaF2表面水合作用上的解离吸附，从而导致表面亲水。
图3：萤石浮选回收率与pH值的关系。
图4：单泡试验确定的 (msec)值和浮选试验确定的动力学常数1/k与萤石/水体系溶液pH值的关系。
3.3.略疏水石英
石英和其他氧化物矿物的浮选和润湿特性已被众多学者广泛研究。石英通常被认为是亲水的，完全被水润湿。界面水分子的氢键作用稳定了石英表面的水膜。纯氧化物的润湿性取决于矿物表面的羟基化作用，这种作用可以是缓慢的，也可以是迅速的。石英也被认为是一种水接触角大于零的轻度疏水性矿物。虽然石英表现出天然的疏水性，但它不能在纯水中浮起。在纯水中石英不能浮起和TPC的形成不是由于它的亲水性，而是由于分离气泡和石英表面的界面水膜的稳定性。在纯水中，石英和气泡的表面都带负电荷，排斥静电的相互作用阻止了薄膜的破裂，从而形成稳定的粒子-气泡团聚体如图5所示，在阳离子表面活性剂存在下，石英的浮选性能取决于溶液的pH值。从图6可以看出，以一阶速率常数1/k表示的浮选动力学与值之间存在相关性。可以清楚地看到，随着HexNH2水溶液pH值的增大，1/k和值先减小到一定程度，然后增大。在pH = 9.6的碱性溶液中，最佳浮选和单泡试验结果，而在此pH以下和以上，石英回收率下降(图5)，1/k值和值上升(图6)。这可能是由于胺离子在气泡和石英表面的吸附，导致静电/斥力相互作用，导致界面液膜的不稳定/稳定。吸附离子的类型在很大程度上取决于胺的pH值。在pH等于解离常数pKa时，胺的电离和中性种类的浓度相等。pH值的变化导致中性离子-离子物种比例的变化。从图5和图6可以看出，pH = pKa为10.56,pH = pKa以下和接近pH = pKa时为最佳，这是由于离子和中性物种的共吸附。在pKa以上的pH值，胺发生沉淀。细小的沉淀胺以中性形态存在，表面活性高，覆盖在石英表面，在液气界面形成分子单层膜，防止粒子气泡
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[235362]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
