固液界面应用-浮游选矿表面物理化学课程报告

——浮游选矿

哈尔滨工业大学化工学院表面物理化学Ⅰ课程报告

在自然界、工程技术和日常生活中，液体对固体的润湿和不润湿现象都有重要的意义和作用。彩色感光材料和录音、录像磁带在生产过程中, 都要将配制好的感光材料涂液或磁浆，又快又均匀地涂布到固体薄片基上，然后再干燥、裁切、整理包装成产品。能不能又快又均匀地涂上去，就与所涂液体能否在固体薄片基上润湿，并能迅速铺展开来密切相关。

所谓润湿是指液体落在固体表面上，液体会展开来，附着在上面的现象，如水润湿玻璃、水银润湿锌板等。将一滴水落在干净的玻璃板上，水会在板面上展开，附着在板面上；将一滴水银滴在锌板上，水银会在板面上展开，附着在板面上，如图1(a)所示。但若将一滴水落在荷叶上，它总是近似呈椭球形，且能在荷叶上滚动而不附着在上面。在玻璃板上滴一小滴水银, 它总是近似呈球形, 且能在玻璃上滚动而不附着在上面，如图1(b)所示。这种液体能在固体表面上滚动而不附着在上面的现象，通常称作液体不润湿固体。显然，润湿现象是液体和固体接触处的表面现象，对同一种液体能润湿某些固体，但对另一固体则不能润湿。

图1. (a)润湿亲液性固体；(b)不润湿憎液性固体

通常，我们将在气、液、固三相交界点处，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，用θ表示。若接触角大于90°，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。图2为接触角的示意图。

(a) (b)

图2. 接触角示意图

在直观上我们可从接触角来判断润湿的种类，而从总量上我们可以从润湿功来衡量。在润湿过程中，固-气表面消失，固-液界面生成，此时，自由焓将发生变化，故可将这一过程中自由焓的变化作为衡量润湿与否的判据。对于粘附、铺展以及浸润三种润湿现象，其自由焓可由下式表示：

△G1=Wa=γg-s+γg-l-γl-s=γl-g(cosθ+1)

△G2=-Φ=γg-s-γg-l-γl-s=γl-g(cosθ-1) △G3=-Wi=γg-s--γl-s=γl-gcosθ

通过上式可以看出，只要测定γl-g和接触角θ，就可判断是否能润湿。图3为三种润湿的作用过程示意图。

图3.三种润湿作用过程示意图

在日常生活中，我们经常通过加入表面活性剂来改变固液界面的润湿状态。例如在农药喷洒过程中，由于大多数农药水溶性差，对植物的茎叶润湿不好，一方面农药滚落造成浪费，另一方面农药不能展开而导致杀虫效果差，此时就要用到表面活性剂surface active agent-SAA。通过加入表面活性剂SAA来提高润湿程度，即可大大提高药效。此外，另一类也是利用表面活性剂，但作用正相反，使某些物质本是润湿的变成不润湿即去润湿作用。原理是用表面活性物质的极性部

分选择性吸附，非极性部分向外呈憎水性。这一类典型的就是矿石的浮选，即富集矿物。

浮游选矿是利用矿石中有用矿物和脉石矿物表面性质的不同，借助浮选药剂，使某种矿物表面产生疏水亲气性，粘附于气泡而上浮的选矿方法。浮游选矿的原理如图4所示。浮游选矿同其他选矿方式相比，具有以下特点：(1)处理矿物范围广。浮游选矿可以处理含有铜、铅、锌、钨、铋、锡、锂、铍、钽、银、金、银、汞、钍、铀、钴、铁、镍等的矿石。(2)分选效率高。浮游选矿可以对低品位的矿石可以充分富集。如钼矿石的原矿含量为0.1%，经过浮游选矿后精矿含量为45%，富集比约为450。(3)综合利用好。浮选的分选能力强，可以使有用矿物得到充分的回收。例如：多金属硫化矿可以通过浮选和分离后得到铜、铅、锌、硫、钼五种精矿粉。但浮游选矿也有一定的缺点，该过程对水污染较严重且选矿成本也较高。

图4.浮游选矿的原理图

浮游选矿的方法如下：把矿石弄碎后，将其同水、油一起放进槽内，这样包含有效成分的矿石小颗粒就会被一层稀薄油膜包起来，不致被水弄湿。这时，在这种混合液中吹入空气，再用力搅拌，就会产生无数个小气泡。被稀薄油膜包裹着的小矿粒，就会附在气泡上，像氢气球一样，和气泡一起浮在水面。在浮选过程中，矿物的沉浮几乎与矿物密度无关。比如黄铜矿与石英，前者密度为4.2，后者为2.66，可是重矿物的黄铜矿很容易上浮，石英反而沉在底部。经研究发现矿物的可浮性与其对水的亲和力大小有关，凡是与水亲和力大，容易被水润湿的矿物，难于附着在气泡上，难浮。而与水亲和力小，不易被水润湿的矿物，容易上浮。因此可以说，浮选是以矿物被水润湿性不同为基础的选矿方法。一般把矿

物易浮与难浮的性质称为矿物的可浮性。浮选就是利用矿物的可浮性的差异来分选矿物的。在现代浮选过程中，浮选药剂的应用尤其重要，因为经浮选药剂处理后，可以改变矿物的可浮性，使要浮的矿物能选择性地附着于气泡，从而达到选矿的目的。

在浮选中，常加入一些浮选药剂用来改变矿物表面的物理化学性质，加大矿物表面性质的差别，或创造条件调节矿物可浮性。浮选药剂主要包括：捕收剂、调整剂和起泡剂。其中，捕收剂是用来提高矿物表面的疏水亲气性，促使矿物向气泡附着的药剂。常用的捕收剂主要有硫化矿的捕收剂、非硫化矿的捕收剂和烃油类捕收剂三类。其中，硫化矿的捕收剂主要用来捕收硫化矿，如磺原酸钠(ROCSSNa)是一种表面活性剂。该分子一端是极性基，另一端为非极性基，它与矿苗（表面亲水）接触时，其亲水基便与矿苗表面结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时，矿苗表面被包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。该膜的外侧为憎水基团。于是整个矿苗就由亲水变成疏水的了。

浮选是一门工程科学, 近年来浮选得到了越来越广泛的应用，尤其在柿竹园

钨铋钼萤石复杂多金属矿矿的综合利用、铅锌载体浮选、铁矿石和铝土矿反浮选等方面取得了工业实践方面的长足进展。同时，对于润湿剂的调节，一方面可以利用润湿剂提高固体表面的润湿性，另一方面利用润湿剂降低固体表面的润湿性，提高憎水能力，调节润湿剂也成为了润湿作用的一个重要研究方向。