離子浮選

浮選是根據各種礦物表面性質的差異，利用泡沫對礦石中目的礦物和脈石礦物有選擇性吸附，從而進行分離的過程。浮選按作用機理可以分為沉澱浮選、溶劑浮選和離子浮選。離子浮選是離子型表面活性物質與溶液中的離子形成絡合物或難溶沉澱物，附於氣泡上浮，使離子分離的過程 ^[1]  。

離子浮選的基礎是表面活性劑在液-氣界面吸附和目的物與表面活性劑之間發生作用。若分離物就是表面活性劑本身，則只有前一作用。

表面活性劑的吸附量

表面活性劑的吸附量直接關係到離子浮選的分選效率。影響吸附量大小的因素大體上有以下三方面：

1、表面活性劑的結構

表面活性劑的結構包括極性基與非極性基結構。極性基主要決定表面活性劑分子斷面大小和對目的離子分子的作用形式，因而直接影響最大吸附量；非極性基主要決定藥劑的疏水性能即表面活性，分子結構也影響臨界膠束形成及臨界膠束濃度（CMC）大小。表面活性劑中極性基的數目或雙鍵、三鍵數目增加，將減少表面活性劑的疏水性，因而將減少表面活性劑在液—氣界面的吸附。

2、表面活性劑濃度

吸附量與表面活性劑濃度之比稱為富集比，也稱為分配係數。富集比作為表面活性劑濃度的函數，在低濃度時，富集比較高，在一定濃度之後開始降低。加入少量表面活性劑時，表面活性劑分子或離子大都吸附在液-氣界面上，殘留在溶液中的數量極少，體系的自由能最大限度降低。隨着表面活性劑用量的增加，在液—氣界面上的吸附逐漸趨於飽和。留在溶液中的相對數量逐漸增加，富集比開始降低，當液氣界面上達到吸附飽和時，多餘的表面活性劑全部留在溶液中，富集比進一步降低。當達到生成臨界膠束的臨界濃度（CMC）後，雖然濃度增加，但呈分子或離子態組分的濃度並沒有增加，液—氣界面上吸附密度及表面能不改變，因而富集比迅速降低，出現折點。要獲得高的分選效率，需控制表面活性劑濃度在CMC以下。由於表面活性劑在低濃度下具有高的富集比，因而離子浮選特別適於低濃度物料的分離。

3、介質環境影響

介質環境影響包括離子強度、pH值、介質温度等。通常離子強度的增加或温度降低將增加表面活性劑在各種界面上的分配率。但另一方面，離子強度的增加還可促進膠束的形成，從而降低富集比。此外，離子強度還影響泡沫的穩定性，泡沫間水的流失等因素，因而介質環境因素對錶面活性劑在液氣界面的吸附影響比較複雜，需具體對待。

表面活性劑與溶質間的作用形式

作為捕收劑的表面活性劑與目的物之間的作用形式大體上如下。

1、靜電締合作用

離子型表面活性劑可在液-氣界面吸附形成雙電層，電荷符號相反的目的離子靠靜電引力聚集在此雙電層的緊密層和擴散層中，並隨氣泡進入泡沫層形成兩相泡沫。由於靜電引力和分子熱運動，形成擴散雙電層，目的離子在擴散雙電層中的分佈服從波爾茲曼方程。

2、絡合或螯合作用及疏水性沉澱

捕收劑與重金屬離子形成的絡合物（或螯合物），無論為可溶性或水不溶性沉澱，由於非極性基朝氣，極性基及其所結合的金屬離子朝水，因而具有表面活性（疏水性），易在氣泡上吸附或粘附，形成液-氣二相泡沫或亞晶物或沉澱物與水、氣相構成的三相泡沫或浮膜。

捕收劑對離子浮選的影響

表面活性劑的性能和用量在很大程度上決定了離子浮選過程的好壞。在選擇離子浮選捕收劑時，必須遵守以下兩個原則：一是捕收劑應該與被捕離子有相反的電荷，即浮選陽離子應選用陰離子捕收劑， 浮選陰離子則應選用陽離子捕收劑；二是要求捕收劑烴鏈有足夠的長度，一般碳原子的數目要大於8（對於那些能形成多核離子的陽離子除外）。捕收劑的用量則與目的離子的濃度有直接關係，根據經驗，捕收劑用量一般為理論用量的 1. 5 ～2倍。但捕收劑濃度也不能過高，以防生成膠束而降低迴收率 ^[1]  。

溶液 pH 值對離子浮選的影響

從溶液化學可知，在不同 pH 值條件下，溶液中捕收劑的存在狀態、離子的組成及被捕集離子的荷電狀態均不相同。也就是説，pH 的改變一方面將影響捕收劑與目的離子所生成化合物的類型和溶解度，另一方面還會影響泡沫的穩定性和浮選的選擇性。只有在適宜的 pH 條件下才能獲得高的離子浮選效率，可以根據不同離子在各 pH 條件下的狀態特性，通過調節 pH 值來提高離子浮選的選擇性。

共存離子對離子浮選的影響

溶液中非目的離子對離子浮選的影響體現在對捕收劑的競爭吸附以及對液-氣界面表面張力的改變。

其他因素對離子浮選的影響

除捕收劑及溶液 pH 值等化學因素外，氣泡量、氣泡大小、浮選設備性能及浮選温度等因素也是影響離子浮選效果的關鍵所在。前面在述及離子浮選的動力學研究時已經指出，離子浮選的速率往往與氣泡的大小及充氣量密切相關。離子浮選時，被捕集物常以單分子層罩蓋於氣泡表面，其所需的氣液界面比通常的礦物浮選要大得多。另一方面，氣泡的表面積與氣泡的半徑成反比，在相同的氣泡量下，小氣泡的表面積更大，可吸附更多的捕集物。影響氣泡性質的主要因素是浮選設備及起泡劑的性能。

隨着現代選礦技術的發展，離子浮選方法涉及到了礦業工程中對一些稀有金屬的回收、濕法冶金中對雜質元素的去除、廢水處理中對重金屬離子的去除和脱色、化工工業上對某些元素的痕量分析等。

離子浮選在礦業工程中的應用

在礦業工程上，離子浮選技術常與浸出等工藝聯合使用來回收一些稀浸出液的金屬離子，也用於礦山尾礦廢水的處理，所得浮選作業回收率均較高。目前研究得較多的有銅離子、鉬離子、鎘離子、鉻離子、鋯離子、鈾離子以及一些稀土離子等。

離子浮選在濕法冶金工業中的應用

在濕法冶金工業中，離子浮選技術主要用於去除一些雜質元素以提高產品的純度，其次還可用於處理電鍍廢水 ^[2]  。

離子浮選在廢水處理中的應用

離子浮選技術在廢水處理上的應用主要有兩大塊：廢水中有害離子的去除和廢水的脱色。廢水中需要除去的有害離子主要是一些重金屬離子和具有放射性或毒性的離子，廢水脱色主要是脱除一些顯色離子。從現有研究狀況來看，經過離子浮選技術處理後的廢水均符合國家標準，可直接排放 ^[3]  。

離子浮選在化工方面的應用

在化工方面，離子浮選—分光光度法可用於定量分析溶液中的微量元素。該方法的優點是顯色和富集同時完成，簡便快速，且選擇性和濃集倍數遠高於萃取分離法。

離子浮選具有萃取法和離子交換法的優點，其生產能力很高，所需場地較小，且對溶液中濃度較低的金屬離子也能有效回收，並具有較高的富集比。從上述離子浮選的應用研究現狀知道，離子浮選在大多數領域都能獲得比傳統工藝更好的效果。

離子浮選最大的缺點就是捕收劑的用量大（捕收劑與目的離子反應所需用量一般為理論用量的1. 5 ～2 倍）， 這同時也給離子浮選帶來了另外一個複雜的問題，就是過程較難控制。此外，在進行離子浮選時，所選擇的捕收劑大部分具有起泡性，有的甚至起泡功能較強，易造成在浮選過程中產生大量氣泡，且氣泡的表面能較大，不易破裂，使所得泡沫產品在進行後續作業時要經過進一步的處理，從而增加工作量。

化學因素是離子浮選技術的研究重點之一，而其中最主要的兩個影響因素又是捕收劑的選擇和pH 條件的控制，它們決定了離子浮選的選擇性問題。

作為新技術，在完善理論研究的同時，也要注重向生產實踐轉化，這也正是離子浮選的難點所在。