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超声波在矿物加工中的应用与研究进展

供稿:工控网 2007/1/24 9:06:00

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1 概述 超声波由一系列疏密相间的纵波构成。当在液体中传播时液体会发生声空化现象,每个 空化气泡都是一个“热点”。液体中的声空化过程就是集中声场能量并迅速释放的过程。足 够强度的超声波通过液体时,当在声波负压半周期时,如果声压幅值超过液体内部静压强, 存在于液体中的微小气泡就会迅速增大,在相继而来的声波正压周期中气泡又绝热压缩而崩 溃,在崩溃瞬间产生极短暂的强压力脉冲,气泡中间会产生接近5000K的高温,压力超过50 MPa,气泡与水界面处温度也可达2000K,持续几秒后,热点随之冷却(温度变化率达10 9K/s),并伴有强烈的冲击波(对于均相液体媒质)和速度高达110m/s的微射流(对于非均相媒质)。冲击波和微射流作用会在界面之间形成强烈的机械搅拌效应,而且这种效应可 以突破层流边界层的限制,强化界面间的理化效应。这就为矿物加工中的界面反应提供 了一个理想环境。   2 超声波在矿物加工中的应用研究   2.1 超声波强化泡沫浮选   从超声波场的特性来看,超声波可产生高的声波强度,从而对浮选起多种作用。早在20 世纪30年代,Petersen·W就在浮选中广泛地试验了超声波,后来的一些研究者也报道了 超声 波对浮选所起的促进作用。超声波能使浮选药剂乳化,增大药剂的分散性,使药效提高,以 改善浮选效果,同时还可降低用药量;在浮选前用超声波处理能改变矿物颗粒的表面 状态, 如超声波可脱除矿物表面的泥质,使矿物颗粒露出新鲜的表面,这对浮选非常有利。C·勒 特马瑟等对超声波强化泡沫浮选研究最为全面。他们用石墨作为浮选试验样品,用B andelin公司生产的HD200型超声波发生器,其频率为20 kHz ,最大功率200W。其试验 结果表明,超声波处理可强化浮选过程,提高浮选分离的选择性和精矿的质量。在实验 室浮选石墨时,在精矿固体产率维持较高水平的情况下,超声波分散矿浆使精矿灰分降低2.3%,以提高精矿纯度。   波兰学者Slaczka·A研究超声波对浮选的影响时,发现超声波不仅能影响重晶石、萤 石 、方解石吸附药剂的能力,而且还影响它们的浮选效果。超声处理矿浆后提高了捕收剂在 重晶石上的吸附,却降低了在萤石上的吸附,而在方解石表面的吸附未发生任何变化。这主 要 是由于这些矿物的硬度和脆性不同。对重晶石进行超声处理可使其表面形成微小的凹痕,而 对萤石则起磨光作用,方解石不受超声波的影响。由于超声波作用后矿物反应不同,这在一 定程度上提高了矿物浮选的选择性。   2.2 超声强化矿物浸取    (1) 强化金属矿的浸取。 在金属矿的加工过程中,矿物的浸取是一项非常重要的加工技术,尤其是获得某些贵重金属 时 ,浸矿仍是最主要的方式之一。在浸矿过程中,超声波是一种理想的强化手段,它在一定程 度上可以减弱甚至代替强酸、强碱、高温、高压、剧毒等极端危险的浸矿条件,提高浸矿的 回收率。早在20世纪70年代,Tyntyunik等就对用超声波处理代替酸浸加工钽铌精矿进行 了研究。通常白钨矿石的浸出是用浸出剂Na2CO3在高压釜中进行的,学者们用超声振 荡来代替高压釜,用Na2CO3来浸出白钨矿。实践证明,用超声波强化能获得较高的浸出率。 关于超声波在湿法浸出中的研究近几年也有报道,尤其是超声波在低品位难 处理的矿石浸出中显示出了一定的优势。袁明亮等人用40 kHz的超声来强化锰银矿的提 取 ,当向浸出体系中输入超声波时,浸出的反应速度可提高1倍,并且使浸出还原剂的用量减 少20%以上。  (2) 强化非金属矿的浸取。C.G.Blanco等人以苯等8种溶剂提取油页岩中的沥青质为对象, 对比超声浸取法和普通 的Soxhlet浸取法,发现超声浸取法2 h的浸取得率与Soxhlet浸取法48 h相应得率相同。M. D.Guillen等以27种有机溶剂提取煤焦油中的沥青质,对比超声波浸取法和Soxhlet 浸取法,同样得出超声法可大大缩短操作时间的结论。 加拿大MCGILL大学的Cooke等研究了超声处理对烟煤抽提率的影响。抽提反应在索氏提 取器中进行,选用喹啉做抽提溶剂,抽提反应温度为30℃,在超声频率为80kHz,超声强度 为1.10W/cm2条件下,最大抽提率可达42%,而在温度、溶剂及煤粒粒度等相同的实验条件 下,无超声处理的抽提率仅为27%。美国研究人员Mattoon等人考察了超声处理对烟煤及次 烟煤抽提率的影响。相同实验条件下(包括抽提反应温度、抽提溶剂、煤粒粒度等),超声 处理和无超声处理相比,最大抽提率提高大约45%。   2.3 超声强化过滤和脱水    (1) 凝聚与浓缩。 超声对悬浮液的凝聚与浓缩作用早就被人们所熟知。但对凝聚与浓缩原理尚有一定争议。 比较有说服力的是Kotyasov建立的声场凝聚效应模型。在声场作用下, 分散相相对于颗粒的流动速率增加,伴随着速率升高,导致分散质之间的挤压力升高,使固 体颗粒的密度进一步提高,凝聚与浓缩发生。此外,超声波还可以进行悬浮液浓度的测量, 如赵亮富等研究的超声波沉降实验装置就能测量到悬浮液沉降过程中的浓度场,对沉 降机理的研究有着很重要的作用。  (2) 过滤和脱水。 凝聚与浓缩是固液分离的初级阶段,要想得到水分合适的产品,必须进行过滤和脱水。常规 的过滤方法,会因过滤器在使用过程中被阻塞而降低过滤速率。实验表明,超声的引入可以 提高过滤速率。超声用于过滤和脱水作业时,超声的主要作用表现在3个方面:其一是 超声会使过细的颗粒发生凝聚,从而使过滤速率加快;其二是超声向系统提供足够的振动能 ,使部分粒子保持悬浮,为分离作业提供了较多的自由通道;其三是超声能够强化液体通过 多孔介质时的扩散作用。超声对工业混合物的过滤和脱水效果明显。如超声用于煤浆真空 过滤可使煤浆含水量由50%降到25%,而不加超声时,只能降到40%。超声用于离心脱水 作业,如Swamy等研究了在高强度声场辐照下(98kHz,100W/cm2),用离心机脱除 用水 饱和的菱铁矿、沙和锯木屑等物料中的水分。结果表明:当离心脱水加以超声作用时,在不 同条件下可以比不加超声的离心脱水法得到的最终含水量少25%~95%。   2.4 超声用于强化选煤和脱硫的研究    (1) 超声技术强化选煤。 日本学者K·Asai和N·Sasaki在1945年开始以超声处理煤浆的应用研究。研究结果表 明,细颗粒经过超声辐射后,在液体中呈悬浮状态,并与超声辐射的频率有重要关系。这个现象表明,当以适当超声频率辐射煤浆时,仅造成煤粒的絮凝,而象石英、粘土等细颗粒则 不 被絮凝。据此可以把煤粒与石英、粘土分开,说明超声具有强化选煤的作用。经超声处理的 煤 浆给入浮选机,浮选机的处理量能增加50%~70%。土耳其学者M·S·Celik研究了超声预 处理对煤可浮性的影响,发现在浮选前用氧化剂和还原剂处理过的煤进行超声处理能提 高它的疏水性。未加捕收剂进行超声处理后除掉细泥,再加捕收剂,结果比未进行 超声处理的煤的回收率高几倍。  (2)超声技术强化煤的脱硫。   巴基斯坦学者Zai di SAH研究了在30~70℃条件下,用0.025~0.5mol的稀NaOH溶液, 对低 变质煤进行超声强化脱硫。指出低温下的超声强化脱硫效果较好,超声能量产生的剪切力可 促进在处理过程中煤中细粒硫分与碱的作用。  美国M·R·Danson等人在Ames实验室进行的研究是:用3种不同类型的实验去确定声能 对高硫煤中黄铁矿和成灰矿物质分布的影响。将伊利诺斯6号煤短暂置于10kHz声能作用下, 比较处理前后各粒级煤中数质量关系。试验表明,声能对解离煤中矿物很有效:声能能 降低除最细粒级外几乎所有粒级的灰分。在声能作用下还能解离破碎肉眼可见的黄铁矿和石 质粘土。从中还发现,对粘土矿物质影响最大的是煤样中-0.074mm这一粒级中的高灰物质 。认为声能只 能解离微断口煤颗粒。声能能通过剥去煤表面的亲水性物质而改善煤的浮选。对解离易碎煤 粒内的黄铁矿和充填物,声能是一种有效而经济的手段。  笔者在超声强化煤的脱硫方面做了大量研究,并对矿浆超声强化后的性质变化进 行了试验研究。试验结果表明,超声处理可促使矿浆体系PH值、表面电位、电导率、溶解 氧 等参数发生变化。以BET为浮选药剂,石灰、水玻璃为抑制剂,初步探索了超声强化煤炭脱 硫的原理。对山东淄博和山西介休2种实际煤样进行分选试验,使用超声强化与未使用超声 相比,脱硫率能提高20%~30%,效果明显。参考文献1 Sulick.K.S.,Hammerton D.A.,Cline R.E.Jr..Thesonoche mical hot spot [J].J .Am.Chem.soc., 1986,108(17):5641~5642 2 Suslick K.S..Sonochemistry[J].Science,1990,247(49):1439~14453 C·勒特马瑟 等.应用超声波强化泡沫浮选.国外金属矿选矿,2002(10):21~25 4 Cershitskii, A.A.,Khavskii,N.N.,Shmalei,B.N.& Smirnov,Yu.R.Chem.Abstr. ,78(1973),602605 Pesic B,ZHOU T L.Application of Ultrasound in Extractive Metallurgy:So n Chemical Extraction of Nickel[J].Metallurgical Transaction,1992,23:13~2 0 6 St.Slaczka A.Effect of Ultrasound on Ammonium Leaching of Zinc from Gal mei Ore[J].Ultrasonic,1996(1):53~557 沈耀亚,赵德智,许风军.功率超声在化工领域中的应用现状和发展趋势措施.现代化工 ,2000(10):15~18 8 胡军.高硫煤脱硫降灰工艺与理论研究:[博士论文].北京:北京科技大学,200 0.15~20 9 胡军,胡永平,王淀佐.超声波强化煤泥浮选脱硫研究.应用声学,2000(1):22~26 10 胡军,王淀佐,胡永平.超声处理后Ca2+在黄铁矿表面作用的XPS分析 .黑龙江科技学院学报,2001(1):1~5 信息来源于:中国煤炭

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