浮选的原理及其在固体废物处理中的应用.pdf

第 2 4卷第 3 期 VoI ． 24 No．3 20 03 青岛建筑工程学院学报 J o u r n a l o f Qi n g d a o I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n d En g i ne e r i n g 浮选的原理 及其在 固体 废物处理 中的应用 孟 娟 朱复 海 朱 申红 青 岛建筑工 程学院环境与市 政工程学 院， 青 岛 2 6 6 0 3 3 摘要 浮选即泡沫浮选。 是以物料表面的物理化学性质的差异为基础进行选分的一种方法， 浮选 的难 易程度 决定 于物 料 表面 的润湿 性 ． 今 天 ， 浮选 技术 在 固体 废物 的处理 方面 发挥 着越 来越 重 要 的作用 ． 关键词 浮选技 术 ， 原理 ， 固体废物 处理 ， 应用 中图分类 号 XT O 1 原理 1 ． 1 概述 浮选即泡沫浮选 ， 是很独特的液 固气三相分离方法． 它是依据各种物料的表面性质 的差异 ， 在浮选剂 的作用下 ， 借助于气泡的浮力， 从物料悬浊液 中分选物料 的过程[ 2 ] ． 浮选过 程从宏观看是一个物理过程 ， 其实质是实现物料分离 ； 从微观看 ， 浮选过程发 生的是一系列物 理的、 化学的及物理化学过程[ 1 ] ． 这种方法所分离的物质与其密度无关 ， 主要取决于其表面性 质的差异 ， 能 浮出液面的物质对空气的表面亲和力 比对水的表面亲和力大[ 2 ] ． 浮选过程最基本 的行为是 浮选 的物料颗 粒吸附于气泡 ， 在浮选过程中 ， 颗粒附着于气泡上主要经历颗粒与气泡相互接近和接触 ， 颗粒 与气泡之 间 的水化膜变薄和破裂 ， 以及颗粒克服 了脱落力的影响附着在气泡上三个阶段[ 引 ． 运用热力学分析的方法 ， 将体 系看作是 一个等温等压体系 ， 在 只讨论附着一个单位表面积 ， 且附着后气泡保持球形不变 时， 附着前 后体系 自由能的变化为 △ 一 1 一c o s 0 ， 浮选上称 △ 为可浮性指标或粘着功． 由公式可看 出可浮性指 标 △ 是水气界面表面 自由能 和颗粒表面润湿接触角 0的函数． 接触角 0等于 0 ， 则 △ 等于 0 ， 颗粒不 能 自发固着于气泡 ； 接触角 0 大于 0 ， 则 △ 大于 0 ； 接触 角 0 越大 ， △ 越大 ， 故越是疏水的颗粒 越大 ， 说 明颗粒 的疏水性越强 固着于气泡的 自发趋势越显著[ 1 ] ． 因此可知物料颗粒浮选的难易决定于其表面的润湿性 ， 引起其表面润湿性差异 的本 质是其表面的极 性和不饱和键的性质[ 1 ] ． 这些性质的差异一方面决定于组成物料颗粒元素的性质 ； 另一方面决定于物料的 内部结构． 物料内部结构是很复杂的 ， 如何从这些复杂的多种多样的结构 中认识其 内部结构和 表面性质之 间的关系呢 从浮选角度看 ， 关键之点在于认识其内部键的性质与强弱 ， 这样物料将从那一部位裂开 ， 裂开 后表面有什么性质也大致清楚了． 物料破裂以后 ， 有的表面呈现亲水性 ， 有的表面呈现一定的疏水性 ， 主要 决定于表面键的性 质． 表面强的离子键 或共 价键 ， 具有强 的亲 水性 ； 表面是弱的分子键 ， 具有较强 的疏水 性． 亲水性物料表面易被水润湿 ， 自然可浮性差 ； 疏水性物料表面难被水润湿 ， 自然可浮性好[ ． ． 1 ． 2 浮选药剂 浮选之所以能被广泛的应用于各个领域 ， 不仅仅因为它能够最大限度的回收有用物质 ， 而且更重要的 在于它能更灵活有效的控制浮选过 程 ， 成功的将物料按人们的要求加以分开 ， 使资源得到综合利用． 使用 浮选药剂是控制物料浮选行为的最灵活有效方便的一种手段． 收稿 日期 2 0 0 2 一O 7 2 1 维普资讯 1 2 2 青 岛 建 筑 工 程 学 院 学 报 第 2 4卷 浮选药 根据其作用可分 为三类 捕收剂 、 起 泡剂 和调整剂[ u ． 其 中调整剂 又可分为活化剂、 抑制剂、 介质调整剂和分散与絮凝剂． 浮选 药剂的分类是有条件 的 ， 而非绝对的． 某种药剂在 一定条 件下属于这一 类 ， 在另一条件下可能属 于另一类． 例如 ， 硫化钠在浮选有色金属硫化矿时是抑制剂 ， 而在浮选有色金属氧 化矿时是活化剂 ， 当用量过多时又是它的抑制剂． 自然界的物质 ， 自然可浮性好 的较少。 只有少量的如分子键 晶体 的石蜡 、 硫磺 ， 具有 良好的 自然可浮 性 ； 片状或层状结构 晶体的石墨、 滑石， 具 有中等的 自然可浮性． 而浮选 上常 见的多数物质 ， 具有强的亲水 性 ， 自然可浮性差． 大多数硫化物、 氧化物 、 硅酸盐 等都具有强的亲水性 ， 需加入浮选药剂处理后 ， 才能实现 浮选分离． 自然可浮性好的物质 ， 实践上为了提高它 的浮选 回收率 ， 一般也要加适量的浮选药剂[ 1 ] ． 1 ． 3浮选 工 艺 条 件 浮选任何一种物料欲获得满意的浮选结果必须掌握与控制好一系列影 响浮选 的工艺 因素[ 1 ] ， 包括 浮 选 的粒度即磨料细度 、 料浆浓度 、 料浆 p H值、 药剂制度、 充气和搅拌 、 浮选 时间和 水质等等． 浮选 的一个必 要的前提是物料中有用物料与其他物料的解离[ 1 ] ． 实践上在 浮选前都是通过磨料使物料实现单体解离． 物 料磨的不够细 ， 有用物料解离的不完全， 磨的过细产生有 用物料的泥化． 这两种情况都对浮选不利． 料浆浓度是影 响浮选 指标 的主要因素之一， 浮选过程 中， 料浆浓度很稀 ， 回收率较低 ， 但产品的质量较 高 ， 随着浓度的增高 ， 回收率反而下降． 此外 ， 料浆浓度对浮选 的影响还主要表现在影 响料浆 的充气 、 料浆 中药剂的浓度及浮选 时间等[ 2 ] ． 各种物料在采用不同浮选 药剂进行浮选时 ， 都 有一个“ 浮 ” 与“ 不 浮” 的 p H 值 ， 叫做临界 p H 值 ， 控制临界 p H值 ， 能控制各种物料的有效分选[ 2 ] ． 浮选 能否得到满意的指标 ， 很大程度 上决定于浮选 的药剂制度选择的是否正确． 药剂制度主要指确定药剂种类和用量 ， 其次是指确定加药的顺 序、 加药的地 点和方法 、 配药的方法、 药剂作用时间等问题 [ 】 ] ． 一般在浮选前添加药剂总量的 6 O ～7 O ， 其余的则分几批在适当的地点添加L 2 】 ． 充气是把一定量的空气送入料浆 中， 使它弥散成大量微小气泡． 经验表 明 ， 强 化充气作用 ， 可以提高浮 选速度 ， 节约水电与药剂． 搅拌的 目的是为了促使颗粒均匀的悬浮于槽内料浆 中 ， 并使空气很好 的弥散 ， 形 成大量“ 活性气泡” ． 适宜的充气和搅拌 ， 可依照浮选机类型与结构特点来确定 [ 2 ] ． 浮选时间的长短 ， 直接影响指标的好坏． 浮选时 间长 ， 产品回收率增加但 品位下 降 ； 浮选时间短 ， 虽对 提高产品的品位有利 ， 但会使产 品回收率下降． 各种物料最适宜的浮选时间要通过实验来测定L 2 ] ． 水 中含有气体、 离子 ， 有时还含一些有机物． 这些物质都能影 响浮选过程． 由于溶解 ， 颗粒 中难免会溶 入各种离子 ， 在浮选用的天然水 中常常含有 Na 、 C a 抖、 Mg 抖、 K 、 C 1 一 、 S O 一 、 HC O；、 C O 等离子 ； 由于 水中溶解有各种离子 ， 必然要与物料表面、 料浆 中其他溶解物、 以及加入的浮选药剂等相互作用 ， 从而影响 整个浮选过程． 因此调节料浆 的离子组成 、 控制水的质量 ， 就成为浮选过程的重要控制条件之一[ 1 ] ． 采用脂肪酸类型捕收剂浮选时 ， 水 的硬度对 浮选指 标的影响很显著． 在浮选前 必须消除它的有害影 响． 一般加入苏打使之生成不溶性沉淀． 水中氧气的含量对浮选有很大影响． 氧气 含量降低会导致浮选指 标恶化 ， 水中有机物可以抑制物料 的浮选 ， 又可以消耗大量氧气． 某些浮选厂应用地表水 ， 一到春季解冻季 节浮选厂指标下降 ， 与水 中有机物含量增加有关． 浮选 中使用的介质调整剂 ， 除可调整 p H值外 ， 也可改 善 水质． 浮选一般在常温下进行 ， 但是提高料浆温度可以改善脂肪酸类型捕收剂的捕收性能 ， 明显提高浮选 技术指标[ 1 ] ． 当使用脂肪酸类捕 收剂时 ， 温度应保持在 2 5 - 3 5 ℃[ 2 ] ． 2 应 用 浮选技术最初应用于矿物选矿 ， 近几十年 来 ， 浮选法 扩展应用于选矿 以外 的领域 ， 尤其在固体废物 的 处理利用 ， 如粉煤灰的回收利用 、 废渣的处理 、 废弃塑料 回收等中得到应用 ， 随着 自然资源的 日趋贫乏和环 保要求 的 日益提高 ， 浮选技术也变得更为重要． 2 ． 1 粉煤灰浮选回收炭 粉煤灰是燃煤发 电厂排出的固体废物． 我国是以燃煤为主发 电的国家 ， 粉煤灰 的年排放量近亿吨． 一 般粉煤灰含炭 5 ～8 ， 由于煤 的品种波动或锅炉结构与煤的品种不相适应等原 因 ， 排出的粉煤 灰含炭 量往往高达 1 u ％～2 3 ， 甚至个别在 3 O 以上 ， 造成大量资源浪费． 由于炭 的可 浮性 较好 ， 可用浮选 法 回 哺 m ■I 1 维普资讯 第 3期 孟娟 等 浮 选的原理 及其在 固体废 物处理 中的应用 1 2 3 收粉煤灰中的炭 z ，． 粉煤灰是灰色或灰 白色的粉状物 ， 它是 一种具有较大 内表面积 的多孔结构 ， 多半呈玻璃状． 粉煤灰的 多孔结构 ， 使其对水有较大的吸附能力 引 ． 粉煤灰的化学成分如表 1 [ 所示． 表 1 粉煤 灰化学成 分 粉煤灰 中未燃尽的炭具有 良好的可浮性 ， 它与伴生的硅铝酸盐的表面对水的润湿性有很大的差异 ， 采 用浮选法很容易分选． 在灰水悬浊液 中， 可加入煤油或柴油作捕收剂 ， 将炭粒捕集． 然后在浮选机 中通入 空 气形成气泡 ， 炭粒便粘附到气泡上 ， 浮到灰水液面之上 ， 形成矿化泡沫层 ， 用刮板刮下 ， 就是精炭． 灰粒 不与 气泡粘附 ， 仍留在炭浆中， 就是尾渣[ 2 ] ． 通过浮选 ， 粉煤灰 中炭的回收率可以达到 9 0 以上． 2 ． 2 从炼铜炉渣 中回收金属 我国工业 固体废弃物中有色金属 工业 固体废弃物 年排放量为 6 2 8 0万 t ， 其 中冶炼废渣有 2 9 3万 t ， 占 4 ． 6 6 ． 冶炼废 渣主要是重有色冶炼渣 ， 这种渣产 出量大 、 成分 复杂、 含金属种类多 ， 特 别是 含有 P b 、 As 、 C d 、 Ni 、 Hg等有毒金属 ， 降解困难 ， 污染严重． 国外 2 0世纪 3 0年代就开始了用浮选法处理 冶炼渣的研究 ， 目前我国冶炼废渣的利用率已达到 3 1 ， 废渣利用量达到 8 8万 t 左右L s J ． 2 ． 2 ． 1 铜转炉渣用浮选处理铜转炉渣 ， 可 回收其中的铜 、 金、 银等有价金属提 高冶炼炉床能力． 1 9 9 2年 对 “ 水 口山炼铜 法 S KS ” 产 出的转 炉渣进行 了 3 5 k g ／ h的扩大试验 ， 获得 的铜精 矿率 为 l 1 ． 4 8 ， 含铜 1 8 ． 1 3 ， 铜 的回收率为 8 7 ． 4 j ， 金银的富集 回收效果也较好[ 6 ] ． 工艺条件简单 ， 可用于生产． 需要注意的 是 ， 为了达到浮选的高指标 ， 炉渣必须是慢冷却 ， 以改善其结晶组织 ， 使相组成发生变化减少硅酸盐玻 璃 ， 金属铜及斑铜矿的含量 ， 提高黄铜矿 的比重[ ． 另外 由于转炉渣 比天然矿石难磨 ， 因此转炉渣的碎磨应 是工业实践 中引起重视 的问题 ， 以避免达不到磨矿 能力或达不到细度要求而影响浮选指标 [ 6 ] ． 2 ． 2 ． 2 铅锌渣铅锌渣含金属种类多 ， 是渣处理和综 合 回收利用的重点[ s ] ． 在株州冶炼厂从锌窑渣中浮 选 回收银之后 ， 温州冶炼厂在处理含 P b 1 2 ． 3 6 9 ／ 5 、 z n 4 ． 2 2 、 Ag 0 ． 0 4 9 的锌浸出渣时也采 用了一次粗 选 ， 两次扫选 的流程 ， 选 出的铅精矿含 P b 2 2 ． 6 8 9 ／ 5 、 Ag 8 7 1 g ／ t ， 铅 回收率为 9 1 ． 2 4 ， 银 回收率为 9 5 ． 6 ， 取得 了明显的经济效益． 2 ． 2 ． 3 冶炼的炉衬废砖金银冶炼炉检修拆下 的炉衬废砖含有较高的金银等有价金属 ， 但 由于其 中还含 有大量的氧化镁 、 氧化铬等高熔点氧化物 ， 不便直接返 回金银冶炼炉． 采用浮重联合选矿流程进行金银的 回收 ， 效果较好 ， 回收率可达 9 5 以上． 对于铜 冶炼 的炉衬废砖进行的选铜 实验表 明 ， 采用浮选工艺可 回 收其中8 5 ～9 0 的铜， 精矿含铜达到 2 0 ％以上[ 7 ] ． 此外， 还可利用浮选工艺处理金银火法冶炼渣、 湿法 炼锌渣等以回收有价金属． 生产实践表 明， 浮选工艺处理某些 冶金渣料回收有价金属具有投资少、 工艺简 单 、 成本低等特点 ， 它具有 良好的环保效益和经济效益 ， 应进一步 引起重视． 2 ． 3 废弃塑料混合物的浮选分离 塑料的消费， 尤其是工程塑料的消费正迅速增长． 2 0 0 0年我国塑料生产 已达 1 0 0 0万 t ． 塑料包装制 品 使用周期短很快进入环境 ， 成为受到社会广泛关注的“ 白色污染” ． 比较重要 的塑料主要有四种 ， 分别是 聚 氯 乙烯 P VC 、 聚碳酸酯 P C 、 聚氧化 甲烯 P OM 和聚 苯基醚 P P E [ 8 ] ． 在废物处理 中焚烧 P VC将产生 对环境有极大危害的氯化氢气体 ， 因此多组分塑料混合物 中 P VC的合理 分离是必要的． 所 有的塑料都具 有天然可浮性 ， 各种塑料的表面张力 导致选择性浮选 的因素 虽不 同， 但都很小 ， 以致 所有组分均粘 附泡 沫， 因此有必要使用一种适宜的抑制剂来用于选择性 的分离它们 ， 实验证 明 木质素磺酸钠是 P VC的优 良 抑制剂． 用浮选工艺应用于汽车和电子产 品制造工业 中实际废塑料混合物 的分离 ， 试验表 明 浮选 回收率为 8 O ～9 O ， 下沉物和浮物纯度可高达塑料再生所要求 的纯度 9 9 [ 8 ] ． 2 ． 4 利用浮选工艺从牙科废料中回收贵金属 E l 前 ， El本 已在进 行利用浮选工艺从 牙科废 料 中回收贵金属 的研 究． 据资料 可知 ， 牙科材 料中 Au 、 维普资讯 1 2 4 青 岛 建 筑 工 程 学 院 学 报 第 2 4 卷 Ag 、 P b的含 量很高 ， 分别在 1 2 0A、 4 0 ％、 z o ％以上． 因此 ， 废 弃的牙科材 料集 中起来 可以进行 Au 、 Ag 、 P d 的回收． 实验在 p H2左右进行 ， 因为在强酸下牙科材料用贵金属可浮 ， 选择性好 、 精矿 品位及 回收率都 很高 ， 利用浮选工 艺从牙科废料 中回收贵金属具有较好的经济效益 ， 值得借鉴[ ． 3 结束语 我国人 口众多 ， 资源 相对贫乏 ， 环境污染 日趋严重 ， 为了保持社会和经济 的可持续性发展 ， 保 护环境 ， 加强废弃物的处理和综合利用 ， 大力开发二次资源 已迫在眉睫． 浮选技术无疑会在环保和资源综合利用领 域发挥重要的作用 ， 创造 良好的效益． 参考文献 [ 1 ] 丘继存 ， 选矿学 ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 8 7 ． 3 4 2 4 0 8 [ 2 娄性 义． 固体废物处 理与利用． 北 京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 6 ． 5 7 6 0 [ 3 j 许珂 敬． 用选 矿技术从粉煤灰 中提取有用成分 ． 山东建材学 院学报 ， I 9 9 5 ， 9 3 6 5 7 0 [ 4 ] 三废 治理与 利用 筹委会、 三废 治理与利用． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． 3 8 3 [ 5 ] 孟凡杓． 重有色 金属冶炼渣 的处理与利用 ． 有色 金属 ， I 9 9 1 2 4 3 4 5 [ 6 ] 何 从行．用选矿 工艺回收冶炼渣 中的有价金属． 有色 矿 山， I 9 9 7 5 3 8 4 2 [ 7 ] B B q ． 从炼铜炉 渣中浮选 金属． 湖南 冶金 ， 1 9 9 0 2 6 2 6 4 [ 8 ] 斯提 克拉德 B T O． 废 弃塑料混合物 的浮选 分离． 国外金 属矿选矿 ， I 9 9 8， 3 5 9 2 6 4 0 [ 9 ] 中泽广． 利用 浮选工 艺从牙科废料 中回收贵金属的研 究． 国外金属 矿选矿 ， I 9 9 8 ， 3 5 1 3 3 3 4 Pr i nc i pl e o f Fl o a t a t i o n a nd I t s Appl i c a t i on M e n g J u a n，Z h u Fu h a l a n d Zh u S h e n h o n g S c h o o l o f En v i r o n me n t a l a n d M u n i c i p a l En g i n e e r i n g QI AE，Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3 Ab s t r a c t Fl o a t a t i o n，a l s o c a l l e d f o a my f l o a t a t i o n，i s a s e l e c t i v e s e p a r a t i o n me t h o d b a s e d o n t h e d i f f e r e nc e i n m a t e r i a l s ur f a c e phy s i c a l a n d c h e m i c a l c ha r a c t e r ．I t s de g r e e i s de c i d e d b y m a t e r i a l s ur f a c e humi d i t y ．To d a y，t h e t e c h n o l o g y o f f l o a t a t i o n i s p l a y i n g a n i n c r e a s i n g l y i mp o r t a n t r o l e i n s o l i d wa s t a g e d i s p o s a 1 ． ‘ Ke y wo r d sf l o a t a t i o n，s ol i d wa s t a ge di s pos a l ，a ppl i c a t i o n 作者简介 孟娟 ， 女 ， 2 4岁， 硕士研 究生 维普资讯