胶体与界面科学的研究进展
摘要
本文综述了关于浮力稳定性及其在矿物浮选重要性的载文研究。泡沫结构和泡沫稳定性在矿浮操作获得的矿石品味和矿物回收率中发挥了重要作用。泡沫稳定性不仅取决于矿石品味和起泡剂浓度，同时还依赖于体系中颗粒存在的性质和数量。尽管若干参数被作为泡沫稳定性的指标，但是，目前为止仍然没有量化泡沫稳定性的具体标准。泡沫稳定性与冶金性能之间是否存在关联性仍有待进一步研究。
1.引言
浮选，作为一项专利方法已有逾百年的历史，现已广泛应用于选矿厂。浮选利用不同矿物质表面物理化学性能的差异实现具体分离。依附在气泡上的疏水颗粒被传送至浮选机顶部的泡沫层，而亲水颗粒仍在料浆内而形成尾部。
添加起泡剂可以制造细泡，同时也能辅助泡沫稳定性。对于前者而言，起泡剂是最基本的。而对于后者而言，大多数起泡剂只有在缺少颗粒物的情况下勉强有效（起泡剂并不是肥皂和洗涤剂这类的发泡剂）。同时，它们还能减少单个气泡聚并，以及减少混合区至泡沫区的泡沫上升率。泡沫结构和泡沫稳定性在矿浮操作获得的矿石品味和矿物回收率中发挥了重要作用。泡沫稳定性不仅取决于矿石品味和起泡剂浓度，同时还依赖于悬浮颗粒存在的性质和数量，尤其是颗粒疏水性和尺寸。然而，像生产用水，气体扩散，颗粒接触角度等参数也会影响泡沫稳定性。
泡沫稳定性是泡沫浮选研究的一个主要课题，因此，要对影响泡沫稳定性的因素进行广泛研究。早在二十多年前，苏布拉马尼亚姆和福斯贝里就已经发表了浮选中泡沫及其稳定性的综述。然而，目前并没有可供参考的最新综述。本文对以往和最新发表的关于泡沫及其稳定性的文章的系统总结，因而更好理解其在矿物浮选中的作用。
2“泡沫”和泡沫
术语“泡沫”指的是包含空气和液体的两相结构，而“泡沫”则是三相结构，包括气泡、固体和水。泡沫是由表面活性剂稳定的较小体积液体的分散气泡，它通常是多面体气泡和气泡间液膜组成。应该指出的是，泡沫稳定性的许多方面尚不明确且目前还没有描述泡沫行为的一般理论。
表面活性剂在泡沫稳定性中发挥着重要作用。它们依附在气-液界面，并改变界面性质。因此，气-液界面性质对泡沫稳定性有重要影响。对于一个或部分移动的表面来说，表面活性剂对泡沫行为的影响尚不明确。对一个同源系列的醇和酸的表面活性剂进行研究，其分子与正常的界面处对齐。最大的起泡性（在稳态条件下气动法测定）已发现于中等分子量的表面活性剂。另一方面，据报道起泡性和缩醛表面活性有直接的关系（用玻璃划伤板威廉法测定表面张力）。同样的，在三丁醇异构体的泡沫行为也得出了类似的结论。然而，此类表面活性剂的界面形态还为进一步研究，尽管其会影响分子间相互作用和泡沫行为。据报道，分子起泡性与其所占面积有直接关系，表面活性剂，表面活性与分子间相互作用有直接关联。不同的结果表明，泡沫是一个复杂的物理化学体系，表面活性剂构造和泡沫行为之间的关系尚不明确。泡沫稳定性（非泡沫稳定性）主要受粒子而不是表面活性剂分子控制，这一点将在本文中进一步讨论。
3浮选中起泡剂的应用
虽然很多化合物有发泡或发泡性，但目前商业浮选中最常用的起泡剂是那些含非极性疏水群体或者单级亲水性群体。然而像PPG 425这类聚合醇有两级群体。中性起泡大体分为四组：芳族醇，例如一 - 甲酚和2,3-二甲酚，烷类型，诸如三乙氧基丁烷（TEB），脂族醇，如2-乙基己醇，双丙酮和甲基异丁基甲醇（MIBC）。总的来说，MIBC是矿物加工工业中最常用的起泡剂。它是一种用途广泛的起泡剂，价格相对便宜，并为不同种类的矿石提供良好性能。但是，MIBC的高闪电，低蒸发率会产生一些环境问题，也会在天气转暖时产生难闻气味。因此，很有必要为MIBC寻找一个更合适的替代品。关于起泡剂化学及其分类更多信息可以在浮选药剂手册中找到。
近年来，一种新的合成起泡剂包括聚氧化乙烯（PEO）组，氧化聚丙烯（PPG）和聚氧化（PBO）已被引入市场。这些起泡剂由 R (X) 能剧的一般公式R=Hor CnH2n 1 和X=EO, PO or BO组成。目前已有关于聚乙二醇型起泡剂的综述。他们基本上是乙烯或丙烯氧化物衍生物，陶氏化学（陶弗洛斯首次制造的产品）和联合碳化物（PPG起泡剂）。疏水到亲水端的相对长度决定了起泡性能，并通过改变CH2和CHO群的数量而受控制。丙烯和丁烯基团是疏水性分子，醚氧和羟基是亲水性分子。这些表面活性剂是最灵的中性起泡剂，同时也是第二大商业用途起泡剂。比较 C12E10 （聚氧乙烯 10 月桂基醚）和MIBC动态和静态泡沫稳定性，可以发现，低浓度下，聚氧乙烯醚化合物可以提供更好的泡沫稳定性。
已有证据表明，起泡剂的性能很大程度上取决于它们的化学结构，同时不同化学结构会呈现不同矿物颗粒浮选回收率。现已有起泡剂在工厂实践中影响的文献综述。过去已有起泡剂结构对不同矿物截留率影响的研究。据报道，通过增加量化，可选矿物最大粒径减少，矿物选择性则增加。具备相同HLB（亲水油平衡）的起泡剂，分子量越多，泡沫越持久。聚乙二醇是一种选择型起泡剂，并且有更多的增强性能。PPG的起泡剂的分子量增加会导致在空气 - 水界面起泡剂分子的结构差异。同时也会对已产生泡沫产生显著效果（在相同的摩尔浓度下）。施瓦茨发现，在水中PPG若达到最佳分子量，则其也会达到最大稳定性。若最佳分子量扩大则稳定性开始下降。
在泡沫相中气泡增长量受起泡剂类型和浓度，以及粒子种类和浓度的影响。虽然细泡对浮选性能至关重要，但鲜为人知的是，起泡剂控制它们的形成。泡沫形成分析强调，减慢气泡聚机制，这一点将在接下来的文章进一步讨论。
最新研究发现，粒子在泡沫稳定性中发挥重要作用。在工业环境中，颗粒对泡沫稳定性和外观所起至关重要作用已进行进一步研究。这些结果指出了需要额外措施（如颗粒物和空气在泡沫中的停留时间，颗粒物的组成成分及其破裂或稳定薄液体膜的能力）以便更好地理解泡沫。
4.泡沫及其稳定性
泡沫的稳定性主要受泡沫析液及其间的液体薄膜破裂影响，同时还受许多其他因素的影响。一般情况下，评估泡沫稳定性有两种类型的测试：一种是动态测试和静态测试。在动态测试中，泡沫的形成和衰减率达到了一个动态平衡。而在静态试验中，泡沫的形成率则为零。进一步搅拌或输入气体泡沫将不再生成。通常情况下，是将动态，静态测试方法结合起来测量泡沫稳定性。如上所述，泡沫是包含气泡，固体和水的三相结构。气泡是由一个薄水膜或薄片分离，水道形成的三个晶片交界处称为高原边界。因此，整个泡沫是由有水和颗粒自由流动的连续网状水流通道组成的，泡沫中的固体是疏水性颗粒。泡沫是高度动态结构，其中的固体和水的运动是受气泡在矿浆中的流动，泡沫底层接触面到顶层的运动，和气泡聚结控制 。术语“泡沫稳定”，在此理解为泡沫抵抗聚结和破裂的能力。比较稳定的泡沫会较少出现聚结和破裂现象（比较小的气泡），所有这些因素将最终决定泡沫（水，固体，和空气）的结构和体积。泡沫携细胞槽运至精矿槽，回收有用及脱石矿物。
4.1.影像泡沫稳定性的因素
泡沫稳定性取决于起泡剂的类型和浓度，也取决于整个系统中颗粒的性质和浓度。同样也取决于颗粒物在气泡周围形成连贯条状物，稳定液膜，在整体水相形成三维网状物的能力。因此，在此后的研究中，学会控制这些因素是一项巨大的挑战。
动态泡沫稳定性，被定义为，在充气浆料中的平衡泡沫高度，取决于颗粒物大小。已经证明，若更细的颗粒物，平衡高度增加，动态泡沫稳定性能越好。若与液膜厚度相比，颗粒物粒径越小，在气-液界面中，越能通过毛细管作用稳定液膜。但是，如果粒径过大（即粒径大于膜厚度），则会截断和破裂的泡沫膜。据报道，0.1毫米的方铅矿颗粒可以延长异戊醇水溶液的泡沫性，延长17秒到几个小时，而0.3毫米方铅矿颗粒只能增加泡沫性至60 秒。b0.7微米二氧化硅颗粒的实验也表明，随着粒径减小，泡沫稳定性随之增加。粒子的形状也很重要;圆形或球形颗粒大约0.1秒使液膜变薄或破裂，而尖形的颗粒则在约0.02秒就能使液膜破裂。泡沫稳定性还取决于浮选料颗粒与各种化学试剂的相互作用。最大泡沫高度会随着作用时间的增加而减小，这是因为集热器的数量增加，因此，颗粒疏水性也随之增加。影响泡沫稳定性的其他因素还包括温度和盐浓度。溶液温度升高，泡沫稳定性降低，而盐浓度升高，泡沫稳定性也会随之升高。在实验室，用石英和黄铜矿合成的铜矿石以研究起泡剂浓度，固体含量，和黄铜矿数量对泡沫稳定性的影响。据报道，在这三个影响因素中，铜品位和固体含量对泡沫稳定性的影响更大。然而，值得注意的是，悬浮疏水颗粒数量（其正比于铜品位和固体含量），在现实生活中，比铜品位更直接影响泡沫稳定性。根据薄膜稳定模型可以预测：接触角度缩小，泡沫稳定性增加。这也表明，（约0℃接触角）亲水颗粒比疏水颗粒更能稳定液膜。亲水颗粒存在时，粒子稳定泡沫的稳定性是最低的。现已发现，中度疏水颗粒（约66°接触角），会达到最大泡沫稳定性。迪普纳和哈里斯得出任何规模的亲水性颗粒都可以摧毁泡沫。除非起泡剂依附在颗粒物之上，否则，泡沫稳定性降低由起泡剂类型影响。据报道，高疏水性颗粒可以破坏和抑制泡沫稳定性，而分散在薄膜上的低疏水性颗粒对泡沫稳定性的影响并不大 。也有人认为，颗粒物更容易分散在高原边界，而非稀薄液膜处，因与后者相比，前者的接触体积更大。应该指出的是，之前大多数的研究都以理想的泡沫系统为研究重点，包括粒子的已知性能，然而，最近，重点已经转移到在工业环境下研究颗粒对泡沫稳定性的影响。
4.2.空气回收
空气回收指小部分空气喷射至浮选槽，像散射泡沫一样，溢出槽边缘。它是测量泡沫稳定性的重要方法。通常情况下，空气回收率较低，只有在高度稳定的清洁槽和清洁剂柱中，空气回收率才能高达50%。在粗糙和清除槽内，空气回收率低于20% (或者低于5%）。空气回收，测量空气回收的技术，以及解释其重要性的理论，对理解泡沫行为，其对分离影响和对其如何优化发挥着重要作用。南非铂矿的实验研究表明，增加空气速率会使空气回收率增加，由此关联可以推测，空气流量增加可以获得较高的矿物回收率。此行为很好的阐述了泡沫结构特征的变化，比如气泡增加量，气泡表面流动行为。在最大泡沫稳定性条件下运行（在同一档次），浮选回收率会得到提高。
4.3. 气泡聚并
周先生和郭先生通过使用不同的起泡剂和分布器，研究发现起泡剂对气泡大小的影响。他们延续塔克和同事以前开发的程序。结果发现，泡沫浮选中，相同起泡剂浓度的条件下，如果气泡间不发生相互碰撞，气泡大小并不会引起气泡浓度的变化。周先生和郭先生研究发现，当起泡剂浓度达到某一特定值时，称为临界凝聚浓度（CCC），可防止气泡的聚并。然而，最新的一项研究表明，浓度越超过CCC浓度，附着在气体上的细泡就越多。塔克等人由此关联到动态起泡性指数和临界凝聚浓度值，并且得出，动态条件下，泡沫稳定性取决于气泡聚并。内赛特等人和芬奇等人已使用CCC95，即与水比较而言，气泡的大小减少了95％。郭先生还提出了临界凝聚浓度的概念和发泡性能是起泡剂特性。
5.泡沫稳定性评估
很多技术都能测量泡沫稳定性，但是还未证实粒子这种技术。同时，并非这些技术都能应用于泡沫系统中（因为有固体颗粒的存在）。迄今为止，虽然许多参数被用作泡沫稳定性的指标但仍没有量化泡沫稳定性的特定标准。这些参数包括泡沫半衰期时间，平衡时泡沫的最大高度，跨过泡沫相，空气回收和固体负载气泡生长上的气泡，泡沫速度，和泡沫上升速度。因此，以一致的方式测量泡沫稳定性定量仍然是研究的问题。铜品位，泡沫速度和泡沫崩溃率之间的关联一直用泡沫图像的自动分析报告。由于浮选操作描述泡沫颜色和形态，数字成像越来越被广泛接受。这些描述符，在某种程度上，被看做是测量对象参数的一种量化方法。例如，穆耳曼等人提出的有关颜色与矿石品位的关联以及并博尼法齐等人提出的气泡裂变与多余修饰剂的关联。同时还需注意的是，矿化泡沫需有一个一致的稳定性判据，以便对稳定性和操作条件之间的关系有更好的理解，使得浮选操作中的控制方法进一步提高。动态稳定系数（泡沫空气流量与体积之比）已被用于，在实验室规模下，测量矿物浮选系统泡沫稳定性。实验结果发现，在低浓度（30–40克/吨）条件下，平衡泡沫体积随空气流量的增加而增加。然而，在高浓度（50–60克/吨）条件下，泡沫则停止生长。如果知道空气溢流堰和浮选性能之间的关系，通过控制泡沫高度，很有可能达到最佳泡沫稳定性和最佳泡沫性能。值得注意的是，在这些泡沫稳定性评估方法中，动态测试最接近真实的动态浮选系统。空气不断地引入溶液中，泡沫开始在底部形成，并不断向上移动。随着液体向下流动，泡沫的质量也随高度的变化而变化。顶部的泡沫一旦达到破碎的条件，顶层泡沫随之破裂。这些相似性表明，动态测试更可能是对浮选试验过程中泡沫稳定性的真实反映。泡沫稳定性是量化泡沫稳定性的简单方法。泡沫的上升速度和最终高度对空气流量对泡沫稳定性来说十分重要。这一结论已在实验室规模得出。在实验室的实验中，矿槽内的空气回收率（在一个特定的泡沫深度）可从稳定系数进行估计。然而，在单个矿槽内的泡沫稳定性被限制在一个狭窄的数值范围内。因此，在空气回收率和稳定系数之间建立明确的关系可能性不大。应当注意的是，在泡沫稳定性列，泡沫生长和破裂率相等时，泡沫达到了平衡高度。然而，受稳定性列的约束的泡沫相的结构和稳定性与在溢流堰自由移动的不同。因此，在现实条件下泡沫稳定性列不衡量泡沫稳定性。在过去的10年中，基于泡沫
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