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微细粒矿物浮选颗粒−气泡碰撞的湍涡作用机理及过程强化
1
作者 李晓恒 王海楠 +4 位作者 郑恺昕 王利军 闫小康 张海军 刘炯天 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2024年第12期4964-4976,共13页
微细矿物分选一直是困扰业界的难题,浮选是分选细粒矿物的主要方法,微细粒矿物质量小、惯性低、动能低,遇气泡易随流线绕流气泡而过,难以摆脱流线与气泡发生接触,与气泡的碰撞概率极低,是导致微细颗粒浮选回收困难的重要原因之一。强湍... 微细矿物分选一直是困扰业界的难题,浮选是分选细粒矿物的主要方法,微细粒矿物质量小、惯性低、动能低,遇气泡易随流线绕流气泡而过,难以摆脱流线与气泡发生接触,与气泡的碰撞概率极低,是导致微细颗粒浮选回收困难的重要原因之一。强湍流流动因能提高颗粒动能以及颗粒−气泡碰撞频次,成为微细粒浮选的必要条件,然而,受制于湍流高频脉动及多尺度涡特征,颗粒、气泡在湍流环境中的运动及矿化过程与层流中差异极大,碰撞机理并不明晰。利用高频粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)和高速显微摄像技术测量了各向同性湍流场中流体、颗粒及气泡的微尺度动力学行为,借助小波变换等数学手段,对湍流场的多尺度涡特性进行数学分解,从微观湍流层面解析了湍流小尺度涡运动对颗粒、气泡运动及碰撞过程的影响规律。研究发现:湍流场中微细颗粒运动受制于湍流小尺度涡运动,两者尺度具有相关性,在研究尺度范围内,流场所能够产生的Kolmogorov涡尺度越接近颗粒尺寸,颗粒滑移速度越大,颗粒摆脱流线与气泡发生碰撞的可能性越大;湍涡也会短暂“捕获”气泡且并影响气泡速度及轨迹;与常规碰撞矿化认知不同,大多颗粒在随流场主流宏观运动的过程中,局部跟随微观小尺度涡旋转,气泡在高涡量区内随涡体旋转且自转过程中裹挟颗粒,通过剪切碰撞的方式与颗粒发生矿化。基于此,提出了冲击流、涡流发生器等高涡量小尺度涡场的构涡方法,使浮选流场湍涡运动能有效作用到微细尺度颗粒上,提高微细颗粒−气泡碰撞概率,降低浮选有效回收粒度下限;不同类型纯矿物及实际矿物的浮选试验表明,通过对流场的湍涡调控,切实有效提高了微细矿物颗粒的浮选性能。研究将微细粒矿物浮选的过程强化从“调粒/调泡/调药”扩展到“调涡”,为低品质贫杂难选矿产资源的强化回收提供了新的思路和方法。 展开更多
关键词 微细粒矿物 气泡碰撞 湍涡 矿化 浮选 流体动力学 过程强化
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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 被引量：12
2
作者 邢耀文 桂夏辉 +3 位作者 韩海生 孙伟 曹亦俊 刘炯天 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第6期1857-1866,共10页
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... 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。 展开更多
关键词 颗粒-气泡 作用力 液膜排液 显微干涉 AFM
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颗粒气泡黏附科学:基于AFM和DWFA的颗粒气泡间疏水作用力研究 被引量：11
3
作者 邢耀文 桂夏辉 +3 位作者 韩海生 孙伟 曹亦俊 刘炯天 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期1580-1585,共6页
为探索颗粒气泡体系疏水力的长程及短程来源机制,分别采用原子力显微镜(AFM)和浮选动态润湿膜分析仪(DWFA)对气泡与同一疏水玻璃基板间的疏水力进行测试。AFM发现气泡与亲水性玻璃基板间的相互作用力为单调斥力作用,体系不存在诱发液膜... 为探索颗粒气泡体系疏水力的长程及短程来源机制,分别采用原子力显微镜(AFM)和浮选动态润湿膜分析仪(DWFA)对气泡与同一疏水玻璃基板间的疏水力进行测试。AFM发现气泡与亲水性玻璃基板间的相互作用力为单调斥力作用,体系不存在诱发液膜失稳的引力作用项。疏水性颗粒气泡间的液膜是不稳定的,当AFM负载力到达19.3nN时,力曲线中观察到了明显的跳入黏附现象。疏水玻璃与气泡间的疏水力以3.50nm的衰减长度按单指数模型衰减,液膜在32.96nm临界破裂厚度处破裂。该疏水力倾向于一种短程力(<50nm),其源自界面的水分子重排熵效应。DWFA法同样发现亲水性玻璃基板与气泡间的液膜是稳定的,当总分离压力与气泡内部拉普拉斯压力相等时,液膜到达133nm的平衡膜厚度。疏水性玻璃基板与气泡间的液膜是不稳定的,液膜发生快速薄化并分别在185nm临界膜厚处破裂。对疏水力进行定量求解发现该力以47.30nm的衰减长度衰减,所获得的疏水力为一种长程作用力,该力源于固液界面纳米气泡空化效应。AFM和DWFA排液试验中所用的气泡尺寸分别为微米级及毫米级,疏水力受气泡本身的尺寸影响,与气泡表面的毛细波传播有关,在吸引力作用下大气泡表面会形成更强烈的毛细波震荡。由于疏水界面水分子的热力学不稳定性,这种界面波动会诱发疏水固液界面空化气泡的析出,增加了引力作用程。 展开更多
关键词 颗粒-气泡 黏附 疏水力 AFM DWFA
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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 被引量：17
4
作者 邢耀文 桂夏辉 +1 位作者 曹亦俊 刘炯天 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期582-587,共6页
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... 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。 展开更多
关键词 浮选 颗粒-气泡 黏附 诱导时间
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相互作用力及液膜排液动力学研究进展 被引量：12
5
作者 邢耀文 桂夏辉 +1 位作者 曹亦俊 刘炯天 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第10期3185-3192,共8页
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... 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。 展开更多
关键词 浮选 黏附 相互作用力 疏水力 排液动力学
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脂肪酸不饱和度对低阶煤浮选强化的影响机制 被引量：6
6
作者 徐梦迪 何琳 +5 位作者 司伟汗 包西程 刘晓康 邢耀文 桂夏辉 曹亦俊 《工程科学学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第2期195-205,共11页
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... 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. 展开更多
关键词 低阶煤浮选 脂肪酸不饱和度 双键 分子动力学模拟 最大粘附力
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选煤水化学——循环煤泥水系统的水化学性质 被引量：19
7
作者 张志军 孟齐 刘炯天 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期614-623,共10页
煤泥水可称为选煤厂的“血液”,循环煤泥水系统则是选煤厂的“血液循环系统”。为深入了解选煤厂的循环煤泥水系统,提出了选煤水化学的概念,并通过介绍循环煤泥水系统的物质组成、无机盐类矿物的溶解、煤中无机硫的氧化、金属离子的水... 煤泥水可称为选煤厂的“血液”,循环煤泥水系统则是选煤厂的“血液循环系统”。为深入了解选煤厂的循环煤泥水系统,提出了选煤水化学的概念,并通过介绍循环煤泥水系统的物质组成、无机盐类矿物的溶解、煤中无机硫的氧化、金属离子的水解与聚合、煤泥水的酸碱反应、黏土矿物对金属离子的吸附,全面解析了循环煤泥水系统的水化学性质。煤中矿物组成是影响水化学性质的关键因素,循环煤泥水系统中的一系列化学反应使煤泥水的水化学性质发生变化,包括离子组成与含量、煤泥水的酸碱体系、离子的存在形式。黏土矿物对金属离子的吸附对水化学性质有重要影响,金属阳离子在黏土矿物上的吸附形式包括静电吸附、羟基络合吸附、沉淀吸附,并从理论角度分析金属离子在黏土矿物上的吸附形态,同时其吸附过程也受pH的影响,最终使煤泥水中高价金属离子含量减少。通过反应原理、影响因素和实验模拟分别对各个反应过程进行分析,总结了多种反应之间的关联性,得出以上多个因素之间是相互影响、相互制约的,共同决定了循环煤泥水系统的水化学性质。循环煤泥水系统的水化学性质研究是实现高效选煤的基础,得出不同煤样和水质环境条件下的水化学性质变化规律,实现水化学性质的精准调控,可以有效改善煤泥浮选和煤泥水沉降效果。 展开更多
关键词 选煤 煤泥水 水化学性质 金属离子 黏土矿物
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选煤水化学——水化学性质对颗粒间相互作用的影响 被引量：9
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作者 张志军 庄丽 刘炯天 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期1685-1693,共9页
煤泥水的水化学性质对颗粒间相互作用有重要的影响。煤泥浮选需要煤颗粒与杂质颗粒在矿浆中充分分散,而煤泥水澄清需要颗粒有效凝聚。为解决浮选环节和澄清环节所需颗粒间分散-凝聚状态相矛盾的问题,以及所需水化学环境相矛盾的问题,以... 煤泥水的水化学性质对颗粒间相互作用有重要的影响。煤泥浮选需要煤颗粒与杂质颗粒在矿浆中充分分散,而煤泥水澄清需要颗粒有效凝聚。为解决浮选环节和澄清环节所需颗粒间分散-凝聚状态相矛盾的问题,以及所需水化学环境相矛盾的问题,以煤与高岭石颗粒为例,通过Zeta电位分布和原子力显微镜测力,从微观层面上研究了水化学性质对颗粒间作用行为的影响。金属离子对颗粒Zeta电位分布的影响研究表明,Ca^(2+)使煤和高岭石颗粒各自的Zeta电位分布变窄,使同种颗粒间发生凝聚;Ca^(2+)浓度由1 mmol/L增大到5 mmol/L时,煤与高岭石混合颗粒的Zeta电位分布由双峰变为单峰,煤与高岭石颗粒发生凝聚。Ca^(2+)可以促进煤与高岭石颗粒间发生同类和异类凝聚,Na^(+)对颗粒间凝聚行为的影响较小。用原子力显微镜直接测量颗粒间作用力,发现随着Ca^(2+)浓度的增加,煤与高岭石颗粒间的作用斥力和作用范围逐渐减小,颗粒越来越容易发生凝聚,当Ca^(2+)浓度增大到5 mmol/L时,煤和高岭石颗粒间出现引力;而Na^(+)对颗粒间作用力的影响微弱。不同pH条件下颗粒间作用力的测试结果表明,随着pH值的减小,煤与高岭石之间的作用力由斥力转变为引力。通过原子力显微镜对煤颗粒间作用力的测定,发现煤颗粒间存在较强的疏水引力,同时表明,煤颗粒易发生同类凝聚,煤泥水澄清环节需重点考虑煤与黏土矿物颗粒、黏土矿物与黏土矿物颗粒的凝聚效果。 展开更多
关键词 选煤水化学 循环煤泥水系统 水化学性质 颗粒间相互作用 原子力显微镜
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