离子浮选

浮选工艺

离子浮选是一种使离子与等当量或过量的表面活性剂反应生成沉淀物或络合物等，再用泡沫浮选法回收的分选方法，其实质是利用表面活性剂在液-气界面上所产生的吸附现象，使离子与表面活性物质形成可溶性络合物或者难溶沉淀物附着于气泡上。离子浮选技术自上世纪 50 年代末由Sebba 教授提出以来，在矿业工程、湿法冶金、废水处理及化工等领域得到了广泛的发展。

基本概念

浮选是根据各种矿物表面性质的差异，利用泡沫对矿石中目的矿物和脉石矿物有选择性吸附，从而进行分离的过程。浮选按作用机理可以分为沉淀浮选、溶剂浮选和离子浮选。离子浮选是离子型表面活性物质与溶液中的离子形成络合物或难溶沉淀物，附于气泡上浮，使离子分离的过程。

发展历程

基本原理

离子浮选的基础是表面活性剂在液-气界面吸附和目的物与表面活性剂之间发生作用。若分离物就是表面活性剂本身，则只有前一作用。

表面活性剂的吸附量

表面活性剂的吸附量直接关系到离子浮选的分选效率。影响吸附量大小的因素大体上有以下三方面：

1、表面活性剂的结构

表面活性剂的结构包括极性基与非极性基结构。极性基主要决定表面活性剂分子断面大小和对目的离子分子的作用形式，因而直接影响最大吸附量；非极性基主要决定药剂的疏水性能即表面活性，分子结构也影响临界胶束形成及临界胶束浓度（CMC）大小。表面活性剂中极性基的数目或双键、三键数目增加，将减少表面活性剂的疏水性，因而将减少表面活性剂在液—气界面的吸附。

2、表面活性剂浓度

吸附量与表面活性剂浓度之比称为富集比，也称为分配系数。富集比作为表面活性剂浓度的函数，在低浓度时，富集比较高，在一定浓度之后开始降低。加入少量表面活性剂时，表面活性剂分子或离子大都吸附在液-气界面上，残留在溶液中的数量极少，体系的自由能最大限度降低。随着表面活性剂用量的增加，在液—气界面上的吸附逐渐趋于饱和。留在溶液中的相对数量逐渐增加，富集比开始降低，当液气界面上达到吸附饱和时，多余的表面活性剂全部留在溶液中，富集比进一步降低。当达到生成临界胶束的临界浓度（CMC）后，虽然浓度增加，但呈分子或离子态组分的浓度并没有增加，液—气界面上吸附密度及表面能不改变，因而富集比迅速降低，出现折点。要获得高的分选效率，需控制表面活性剂浓度在CMC以下。由于表面活性剂在低浓度下具有高的富集比，因而离子浮选特别适于低浓度物料的分离。

3、介质环境影响

介质环境影响包括离子强度、pH值、介质温度等。通常离子强度的增加或温度降低将增加表面活性剂在各种界面上的分配率。但另一方面，离子强度的增加还可促进胶束的形成，从而降低富集比。此外，离子强度还影响泡沫的稳定性，泡沫间水的流失等因素，因而介质环境因素对表面活性剂在液气界面的吸附影响比较复杂，需具体对待。

表面活性剂与溶质间的作用形式

作为捕收剂的表面活性剂与目的物之间的作用形式大体上如下。

1、静电缔合作用

离子型表面活性剂可在液-气界面吸附形成双电层，电荷符号相反的目的离子靠静电引力聚集在此双电层的紧密层和扩散层中，并随气泡进入泡沫层形成两相泡沫。由于静电引力和分子热运动，形成扩散双电层，目的离子在扩散双电层中的分布服从波尔兹曼方程。

2、络合或螯合作用及疏水性沉淀

捕收剂与重金属离子形成的络合物（或螯合物），无论为可溶性或水不溶性沉淀，由于非极性基朝气，极性基及其所结合的金属离子朝水，因而具有表面活性（疏水性），易在气泡上吸附或粘附，形成液-气二相泡沫或亚晶物或沉淀物与水、气相构成的三相泡沫或浮膜。

影响效果因素

捕收剂对离子浮选的影响

表面活性剂的性能和用量在很大程度上决定了离子浮选过程的好坏。在选择离子浮选捕收剂时，必须遵守以下两个原则：一是捕收剂应该与被捕离子有相反的电荷，即浮选阳离子应选用阴离子捕收剂，浮选阴离子则应选用阳离子捕收剂；二是要求捕收剂烃链有足够的长度，一般碳原子的数目要大于8（对于那些能形成多核离子的阳离子除外）。捕收剂的用量则与目的离子的浓度有直接关系，根据经验，捕收剂用量一般为理论用量的 1. 5 ～2倍。但捕收剂浓度也不能过高，以防生成胶束而降低回收率。

溶液 pH 值对离子浮选的影响

从溶液化学可知，在不同 pH 值条件下，溶液中捕收剂的存在状态、离子的组成及被捕集离子的荷电状态均不相同。也就是说，pH 的改变一方面将影响捕收剂与目的离子所生成化合物的类型和溶解度，另一方面还会影响泡沫的稳定性和浮选的选择性。只有在适宜的 pH 条件下才能获得高的离子浮选效率，可以根据不同离子在各 pH 条件下的状态特性，通过调节 pH 值来提高离子浮选的选择性。

共存离子对离子浮选的影响

溶液中非目的离子对离子浮选的影响体现在对捕收剂的竞争吸附以及对液-气界面表面张力的改变。

其他因素对离子浮选的影响

除捕收剂及溶液 pH 值等化学因素外，气泡量、气泡大小、浮选设备性能及浮选温度等因素也是影响离子浮选效果的关键所在。前面在述及离子浮选的动力学研究时已经指出，离子浮选的速率往往与气泡的大小及充气量密切相关。离子浮选时，被捕集物常以单分子层罩盖于气泡表面，其所需的气液界面比通常的矿物浮选要大得多。另一方面，气泡的表面积与气泡的半径成反比，在相同的气泡量下，小气泡的表面积更大，可吸附更多的捕集物。影响气泡性质的主要因素是浮选设备及起泡剂的性能。

应用现状

随着现代选矿技术的发展，离子浮选方法涉及到了矿业工程中对一些稀有金属的回收、湿法冶金中对杂质元素的去除、废水处理中对重金属离子的去除和脱色、化工工业上对某些元素的痕量分析等。

离子浮选在矿业工程中的应用

在矿业工程上，离子浮选技术常与浸出等工艺联合使用来回收一些稀浸出液的金属离子，也用于矿山尾矿废水的处理，所得浮选作业回收率均较高。目前研究得较多的有铜离子、钼离子、镉离子、铬离子、锆离子、铀离子以及一些稀土离子等。

离子浮选在湿法冶金工业中的应用

在湿法冶金工业中，离子浮选技术主要用于去除一些杂质元素以提高产品的纯度，其次还可用于处理电镀废水。

离子浮选在废水处理中的应用

离子浮选技术在废水处理上的应用主要有两大块：废水中有害离子的去除和废水的脱色。废水中需要除去的有害离子主要是一些重金属离子和具有放射性或毒性的离子，废水脱色主要是脱除一些显色离子。从现有研究状况来看，经过离子浮选技术处理后的废水均符合国家标准，可直接排放。

离子浮选在化工方面的应用

在化工方面，离子浮选—分光光度法可用于定量分析溶液中的微量元素。该方法的优点是显色和富集同时完成，简便快速，且选择性和浓集倍数远高于萃取分离法。

优缺点

离子浮选具有萃取法和离子交换法的优点，其生产能力很高，所需场地较小，且对溶液中浓度较低的金属离子也能有效回收，并具有较高的富集比。从上述离子浮选的应用研究现状知道，离子浮选在大多数领域都能获得比传统工艺更好的效果。

离子浮选最大的缺点就是捕收剂的用量大（捕收剂与目的离子反应所需用量一般为理论用量的1. 5 ～2 倍），这同时也给离子浮选带来了另外一个复杂的问题，就是过程较难控制。此外，在进行离子浮选时，所选择的捕收剂大部分具有起泡性，有的甚至起泡功能较强，易造成在浮选过程中产生大量气泡，且气泡的表面能较大，不易破裂，使所得泡沫产品在进行后续作业时要经过进一步的处理，从而增加工作量。

技术关键点

化学因素是离子浮选技术的研究重点之一，而其中最主要的两个影响因素又是捕收剂的选择和pH 条件的控制，它们决定了离子浮选的选择性问题。

技术难点

作为新技术，在完善理论研究的同时，也要注重向生产实践转化，这也正是离子浮选的难点所在。

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