基于高速动态的颗粒气泡脱附过程动力学研究

通过颗粒气泡脱附高速动态测试系统，研究了颗粒气泡脱附过程动力学。运用Image-Pro Plus图像处理软件测量颗粒气泡间接触角、三相润湿周边，计算颗粒气泡间毛细黏附力随颗粒运动时间的变化。结果表明：颗粒从气泡表面脱附主要分为气泡拉伸变形接触角增大和气泡滑动三相润湿周边减小两个阶段。气泡拉伸阶段，三相润湿周边固定在颗粒表面，接触角由平衡接触角增大到前进接触角；气泡滑动阶段，接触角保持不变，三相润湿周边滑动减小。毛细黏附力在气泡脱附过程中随接触角增大而增大，随三相润湿周边滑动而减小，当外力超过颗粒气泡间临界黏附力时，颗粒从气泡表面脱附。     

煤泥盐水浮选技术

盐水对浮选体系下颗粒与气泡行为的影响规律进行了综述。浮选矿浆中的无机盐电解质在提高精煤可燃体回收率的同时也增加了脉石矿物的回收。反电荷阳离子在煤粒表面吸附改善颗粒疏水性,颗粒-气泡间的液膜排液速度因双电层被压缩而加快;同时电解质兼有起泡剂的效果,能有效阻止气泡兼并聚合。另一方面,盐水浮选体系下细粒脉石颗粒的水流夹带和聚合截留现象严重,可燃体回收与脉石颗粒非选择性上浮之间的矛盾激增。     

基于微气泡残留的疏水性颗粒—气泡脱附新机制研究

脱附是导致粗颗粒浮选回收率低的重要原因。为了探究疏水性颗粒-气泡间脱附行为机理,利用自 制的浮选颗粒-气泡脱附测试系统对不同疏水性颗粒的脱附过程进行观测,借助 Image-Pro Plus 图像处理软件对颗 粒-气泡间接触角、三相润湿周边变化进行测量。结果表明：颗粒脱附过程中接触角并非保持不变,而是存在明显 的接触角滞后,接触角为 67.0°、83.9°和 98.7°的 3 种疏水性颗粒在达到前进接触角 106.7°、119.3°和 128.3°后三相润 湿周边开始滑动收缩。区别于传统三相润湿周边滑动脱附机制,发现在三相润湿周边滑动阶段为了保证颗粒前进 接触角不变,不可避免地会在颗粒表面形成反向毛细颈部,且反向毛细颈部处曲率随着三相润湿周边的收缩而快 速增加,并最终在拉普拉斯压力作用下发生断裂脱附,在颗粒表面留下微气泡。同时由于三相润湿周边滑移速度 随着颗粒疏水性的增加而降低,因此反向毛细颈部处曲率增加速率随颗粒疏水性的增加而增加,导致最终颗粒表 面残留微气泡大小也随颗粒疏水性的增加而增加。     

脉动液固流化床粗煤泥分选试验研究

为探索脉动液固流化床分选粗煤泥的分选效果,寻求最佳的脉动水流波形,设计了恒定水流和不同振幅频率的脉动水流条件试验,分析了引入脉动前后的液固流化床的分选效果和产品特性,结合颗粒动力学方程对脉动水流分选机理进行了分析。结果表明:小振幅高频率的脉动水流可以获得灰分含量为15.55%,产率为77.47%的最佳分选指标;与相同上升水量的恒定水流TBS分选机相比,精煤产率可提高2.09%,灰分下降0.09%;脉动水流使不同密度物料产生不同程度的加减速效应,按密度分层作用随之强化;针对TBS入料粒度小、范围窄的特点,分选机只需要小振幅的水流,过高的振幅会严重破坏床层的稳定性,恶化分选效果。     

颗粒气泡黏附科学——宏观尺度下颗粒气泡黏附研究进展及困境

颗粒气泡黏附指从颗粒与气泡相遇开始到液膜发生薄化破裂最后至三相润湿周边铺展形成稳定矿化气絮体的过程,是浮选中的核心作用单元。然而浮选颗粒气泡黏附机理至今仍不明确。黏附过程主要受颗粒气泡的表面物理化学性质及溶液化学条件影响,表面力及流体作用力协同支配微纳尺度下颗粒气泡间液膜薄化破裂行为。排液过程中气液界面的变形效应进一步增加了系统复杂性,上述因素使得颗粒气泡黏附的理论研究及试验探索步履维艰。早期关于颗粒气泡黏附的研究主要聚焦于黏附概率,其中宏观尺度下的诱导时间测试占据主导地位,通过诱导时间结果计算黏附概率。对国内外宏观尺度下颗粒气泡黏附概率模型及研究技术手段进展展开全面综述,并对现有技术瓶颈及局限进行分析。诱导时间测量仪及高速动态摄影技术大大促进了浮选工作者对颗粒气泡黏附的理解,“诱导时间与实际浮选回收率具有着良好的相关关系”也已经被广泛证明。然而因微纳尺度下的表面力及液膜薄化动力学信息的缺失导致宏观诱导时间并不能从基础层面揭示颗粒气泡的黏附机理,微纳尺度下颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化动力学的定量测试表征是技术发展的必然趋势,其可为浮选微观矿化反应过程提供新的理论视角,同时也为难浮煤及难选矿浮选过程强化提供理论支撑。     

相互作用力及液膜排液动力学研究进展

颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化破裂动力学是揭示浮选黏附机理的核心,也是近年来浮选胶体化学领域的研究热点。为深入明晰浮选黏附机理,对当前颗粒气泡间相互作用力及液膜排液动力学模型理论研究进展进行了系统综述。对于颗粒气泡间相互作用力,疏水引力可克服颗粒气泡间范德华力和静电斥力,诱发黏附。不同作用程范围内疏水力的来源机制不同:长程疏水力(20 nm)主要源于固液界面亚微米/纳米气泡桥接,而短程疏水力(20 nm)则主要源于固液界面水分子重排效应。由于疏水力强烈的吸引性和气液界面变形,颗粒气泡间疏水力的定量表征仍存在较大的挑战。对于颗粒气泡间液膜排液动力学模型,最具代表性的有Stefan-Reynolds平坦膜模型,Taylor模型和Stokes-Reynolds-Young-Laplace(SRYL)模型。Stefan-Reynolds及Taylor模型并未考虑排液过程中气泡表面曲率的变化,其应用存在着较大的局限性。SRYL模型则在描述液膜薄化速率的同时,兼顾了气泡表面在流体力和表面力等外力作用下的变形行为。在给定起始与边界条件下,SRYL模型通过数值迭代法与液膜排液试验测试结果对比,可以计算出颗粒气泡间的相互作用力信息;也可通过与相互作用力试验结果对比获得液膜排液数据。在今后的研究中,应重点将SRYL模型与试验测试相结合,对颗粒气泡间疏水力进行定量表征,揭示浮选黏附机理。     

脂肪酸不饱和度对低阶煤浮选强化的影响机制

为研究脂肪酸不饱和度对低阶煤浮选的影响,选择碳原子个数相同但双键个数依次增加的油酸、亚油酸和亚麻酸作为浮选捕收剂对低阶煤进行浮选,并与非极性捕收剂柴油进行对比,通过颗粒–气泡间粘附力测试和药剂吸附的分子动力学模拟,揭示了不饱和脂肪酸强化低阶煤浮选的作用机制。结果表明,不饱和脂肪酸的浮选性能优于柴油,低阶煤浮选产率随脂肪酸不饱和度增加而增加。采用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）对低阶煤表面形貌和官能团进行分析。SEM结果表明,低阶煤表面疏松,含有大量孔隙与裂隙,不利于药剂在煤表面的铺展。FTIR和XPS结果表明低阶煤表面含有大量含氧官能团,表面疏水性较差,导致浮选回收率较低。对不同捕收剂条件下气泡与煤表面粘附力进行测定,发现气泡与煤表面间最大粘附力随捕收剂不饱和程度增加而增加,这说明颗粒可浮性增加。进一步对不饱和脂肪酸吸附的分子动力学模拟进行分析,可知不饱和脂肪酸通过其极性基团与煤表面极性基团间形成氢键,从而在煤表面铺展。双键个数增加使得不饱和脂肪酸极性增加,在煤表面的铺展程度逐渐增加,导致颗粒可浮性增加,这是低阶煤浮选回收率随脂肪酸不饱和程度增加而增加的主要原因。      

颗粒气泡黏附科学——微纳尺度下颗粒气泡黏附试验研究进展

自20世纪30年代始,微纳尺度下的颗粒气泡黏附就引起了学者的广泛关注并逐渐涌现出一系列试验技术探索颗粒气泡黏附机理。在宏观尺度下颗粒气泡黏附研究进展的基础上,系统的对微纳尺度下颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化破裂动力学试验技术研究进展进行综述。技术总体上可以分为两类:力测量法及排液法。排液法是通过光学显微干涉技术直接获得气液界面变形及排液动力学数据,通过耦合扩展DLVO理论及排液方程求解作用力信息,如单气泡撞板显微干涉技术、薄膜压力平衡技术及表面力分析仪等。力测量法则主要是借助胶体探针原子力显微镜(AFM)测试颗粒气泡间表面力及流体阻力,通过流体力学排液模型模拟液膜薄化破裂动力学行为。排液法和力测量法均发现疏水力是颗粒气泡间液膜快速薄化并破裂的根本原因,其中排液法所获得的疏水力倾向于一种长程作用力,而力测量法得到的疏水力为短程作用力,造成这种差异的原因仍不明确。随着AFM-反射干涉对比显微镜联用、变形体系力分析仪和薄液膜力分析仪等技术的问世,作用力和液膜排液的同步测试已经成为一种技术趋势,充分助力了浮选颗粒气泡黏附基础研究。基于现有研究进展应进一步开展颗粒气泡间疏水力的系统研究,通过借助不同检测技术的优势互补及分子动力学模拟等手段,有望从根本上阐明这一科学问题。     

难浮煤表面性质及亲水性研究

低阶煤、氧化煤等煤泥浮选提质困难,很大程度上影响了选煤厂生产效率的提高。为探明低阶煤、氧化煤的难浮特性,从煤的宏观物质组成到微观的表面形貌和化学基团,系统分析了难浮煤表面性质;结合接触角和诱导时间测试,阐明难浮煤的亲水特性。结果表明,难浮煤表面粗糙,含有大量孔隙和裂隙,高灰微细矿物易吸附在煤粒表面,恶化浮选过程;难浮煤表面含有大量的亲水性官能团,不利于煤颗粒上浮;接触角测量和表面自由能计算结果表明,难浮煤表面极性成分多,煤-水相互作用较强;诱导时间测试结果进一步说明了难浮煤颗粒-气泡诱导时间长,其表面具有很强的亲水性,浮选提质难。     

煤矿井下选煤技术现状和展望

为促进煤炭资源绿色开采和利用,推动煤炭井下采选充一体化的发展,文章对井下选煤技术发展现状进行综述。从目前研究的井下选煤方法入手,介绍干法分选技术中气固流化床分选、选择性破碎分选和X射线分选,湿法分选技术中动筛跳汰分选、空气脉动式跳汰分选、重介质浅槽分选、重介质旋流器分选和水介质旋流器分选,并对井下煤矸分选关键技术问题进行讨论,认为井下选煤除设备结构和性能上的需要改进之外,还要开展自动化和智能化研究,探索井下分选的模块化设计和管理,实现煤炭井下"采-选-充"相互协调。最后总结井下选煤技术发展现状,简要分析其社会经济效益,并展望其发展趋势。