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| 粉體超細(xì)粉碎中分散劑和助磨劑的作用機(jī)理及選擇原則 |
| 來源：中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-09-21 10:58:09 瀏覽次數(shù)： |
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1 分散與助磨概述
在超細(xì)粉碎過程中，當(dāng)顆粒的粒度減小至微米級(jí)后，顆粒的質(zhì)量趨于均勻，缺陷減少，強(qiáng)度和硬度增大，粉碎難度大增加。同時(shí)，因比表面積及表面能顯著增大，微細(xì)顆粒相互團(tuán)聚(形成二次或三次顆粒)的趨勢(shì)明顯增強(qiáng)；對(duì)于濕法超細(xì)粉碎，這時(shí)礦漿的黏度顯著提高，礦漿的流動(dòng)性明顯變差。如果不采取一定的工世措施，這時(shí)粉碎效率將顯著下降，單位產(chǎn)品能耗將明顯提高，這就是在超細(xì)粉碎過程中必須使物料良好分散以及在某些情況下使用分散劑或助磨劑的背景。
助磨劑是一類顯著提高超細(xì)粉碎作業(yè)效率或降低單位產(chǎn)品能耗的化學(xué)物質(zhì)，它包括不同狀態(tài)(固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))的有機(jī)物和無機(jī)物。添加助磨劑的主要目的是提高物料的可磨性，阻止微細(xì)顆粒的黏結(jié)、團(tuán)聚和在磨機(jī)襯板及研磨介質(zhì)上的粘附，提高磨機(jī)內(nèi)物料的流動(dòng)性，從而提高產(chǎn)品細(xì)度和細(xì)產(chǎn)品的產(chǎn)量，降低粉碎極限和單位產(chǎn)品的能耗。很顯然，分散劑也是一種助磨劑，它是通過阻止顆粒的團(tuán)聚，降低礦漿黏度來起助磨作用的。
在濕式超細(xì)粉碎過程中，除了采用分散劑分散或化學(xué)分散外，還可采用物理分散的方法，物理分散方法包括以下幾種：
①超聲分散。將所需分散的超細(xì)粉體懸浮體置于超聲場(chǎng)中，用適當(dāng)?shù)某曨l率和作用時(shí)間加以處理。它包括超聲乳化(主要用于分散難溶于液態(tài)的藥劑和難以相溶的兩種或多種液態(tài)物質(zhì))、超聲分散(用于超細(xì)粉體在液相介質(zhì)中的分散，在測(cè)量超細(xì)粉體粒度時(shí)，通常使用超聲分散進(jìn)行預(yù)處理)、超聲清洗等。
超聲波用于超細(xì)粉體懸浮體的分散效果雖然較好，但由于其能耗高，大規(guī)模使用在經(jīng)濟(jì)上還存在很多問題。
②機(jī)械攪拌分散。通過強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌引起液流運(yùn)動(dòng)而使超細(xì)粉體聚團(tuán)碎解懸浮。但是在停止攪拌后，分散作用消失，超細(xì)粉體可能重新團(tuán)聚。此外，在超細(xì)設(shè)備中，轉(zhuǎn)速往往受到一定的限制，因此機(jī)械攪拌難以單獨(dú)完成超細(xì)粉碎過程“降黏”的目的。因此，必須采用與化學(xué)分散相結(jié)合的手段。
化學(xué)分散就是通過在超細(xì)粉體懸浮體中添加分散劑(無機(jī)電解質(zhì)、表面活性劑、高分子分散劑等)阻止顆粒之間的團(tuán)聚，達(dá)到降低礦漿黏度和物料穩(wěn)定分散的目的。
2 助磨劑和分散劑的作用原理
關(guān)于助磨劑的作用原理主要有兩種觀點(diǎn)。一是“吸附降低硬度”學(xué)說，認(rèn)為助磨劑分子在顆粒上的吸附降低了顆粒的表面能或者引起近表面層晶格的位錯(cuò)遷移，產(chǎn)生點(diǎn)或線的缺陷，從而降低了顆粒的強(qiáng)度和硬度；同時(shí)，阻止新生裂紋的閉合，促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。二是“礦物流變學(xué)調(diào)節(jié)”學(xué)說，認(rèn)為助磨劑通過調(diào)節(jié)礦漿的流變學(xué)性質(zhì)和礦粒的表面電性等，降低礦漿的粘度，促進(jìn)顆粒的分散，從而提高可流動(dòng)性，阻止礦粒在研磨介質(zhì)及磨機(jī)襯板上的黏附以及顆粒之間的團(tuán)聚。
在磨礦時(shí)，磨礦區(qū)內(nèi)的礦粒通常受到不同種類應(yīng)力的作用，導(dǎo)致形成裂紋并擴(kuò)展，然后被粉碎。因此，物料的力學(xué)性質(zhì)，如在拉應(yīng)力、壓應(yīng)力或剪切應(yīng)力作用下的強(qiáng)度性質(zhì)將決定對(duì)物料施加的力的效果。顯然，物料的強(qiáng)度越低、硬度越小，粉碎所需的能量就越少。
除了前述顆粒的強(qiáng)度和硬度以及比表面能外，從粉碎工藝來考察，影響粉碎機(jī)產(chǎn)量、粉碎產(chǎn)品細(xì)度和單位產(chǎn)品能耗的主要因素還有礦漿的粘度，礦粒之間的粘結(jié)、聚結(jié)或團(tuán)聚作用，礦粒在研磨介質(zhì)及磨機(jī)襯板上的黏附等等。這些因素都將影響磨機(jī)內(nèi)礦漿的流動(dòng)性。
因此，在一定程度上改善礦漿的流動(dòng)性可以明顯提高磨礦效率。對(duì)此，克蘭帕爾（Klimpel）等人進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，助磨劑改善了干粉或礦漿的可流動(dòng)性，明顯提高了物料連續(xù)通過磨機(jī)的速度；物料流動(dòng)性的提高改善了研磨介質(zhì)的磨礦作用；助磨劑通過保持顆粒的分散阻止顆粒之間的聚結(jié)或團(tuán)聚。因此，從這個(gè)意義上，助磨劑氏能夠降低礦漿粘度并提高礦漿流動(dòng)性的物質(zhì)。
3 助磨劑及分散劑的種類
按照添加時(shí)的物質(zhì)狀態(tài)，助磨劑和分散劑可以分為固體、液體、氣體三種；根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)，助磨劑和分散劑可以分為有機(jī)和無機(jī)兩種。
固體助磨劑和分散劑：如六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉、硬脂酸鹽類、膠體二氧化硅、炭黑、氧化鎂粉、膠體石墨、用于水泥的石膏等。
液體助磨劑：包括各種表面活性劑、高分子聚合物等。如用于石灰石、方解石以及水泥熟料等的三乙醇胺、聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、水玻璃等；用于石英等的甘醇、三乙醇胺；用于滑石的聚羧酸鹽；用于硅灰石的六偏磷酸鈉等。
表 1 助磨劑和分散劑的種類及應(yīng)用
| 類型 |
助磨劑和分散劑名稱 |
應(yīng)用 |
液體助磨劑 |
乙醇、丁醇、辛醇、甘醇 |
石英 |
| 甲醇、三乙醇胺、聚丙烯酸鈉等 |
方解石等 |
| 乙醇、異丙醇 |
石英、方解石等 |
| 乙二醇、丙二醇、三乙醇胺、丁醇等 |
水泥等 |
| 丙酮、三氧甲烷、三乙醇胺、丁醇等 |
方解石、石灰石 |
| 丙酮 |
鐵粉等 |
| 有機(jī)硅 |
氧化鋁、水泥等 |
| 12～14胺 |
石英、石英巖等 |
| FlotagamP |
石灰石，石英等 |
| 月桂醇、棕櫚醇、油醇（鈉）、硬脂酸鹽 |
石灰石，方解石等 |
| 硬脂酸（鈉） |
浮石、白云石、石灰石、方解石 |
| 葵酸 |
水泥、磷鎂礦 |
| 環(huán)烷酸（鈉） |
水泥，石英巖 |
| 環(huán)烷基磺酸鈉 |
石英巖 |
| 聚二醇乙醚 |
碳化硅、氮化硅等 |
| N－鏈烷系 |
蘇打、石灰 |
| 焦磷酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、水玻璃等 |
伊利石、水云母等粘土礦物 |
| 碳酸鈉、聚馬來酸、聚丙烯酸鈉 |
石灰石、方解石等 |
| 氯化鈉、氯化鋁 |
石英巖等 |
| 六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、水玻璃等 |
石英、硅藻土、硅灰石、高嶺土、長(zhǎng)石、云母等 |
| 六聚磷酸鈉 |
硅灰石等 |
| 三聚磷酸鈉 |
赤鐵礦、石英 |
| 水玻璃，硅酸鈉 |
石英、長(zhǎng)石、粘土礦、鉬礦石、云母等 |
| 三乙醇胺 |
方解石、水泥、鋯英石等 |
| 聚羧酸鹽 |
滑石等 |
| 碳?xì)浠衔?/span> |
玻璃 |
| 焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、聚丙烯酸鈉等 |
粘土礦物 |
| 硅酸鈉、六偏磷酸鈉、聚丙烯酸鈉等 |
高嶺土、伊利石等 |
| 聚丙烯酸（酯） |
高嶺土、碳化硅等 |
| 固體助磨劑 |
石膏、炭黑 |
水泥、煤等 |
氣體助磨劑 |
二氧化碳 |
石灰石、水泥 |
| 丙酮蒸汽 |
石灰石，水泥 |
| 氫氣 |
石英等 |
| 氮?dú)?、甲?/span> |
石英、石墨等 |
氣體助磨劑：如蒸汽狀的極性物質(zhì)（丙酮、硝基甲烷、甲醇、水蒸汽等）以及非極性物質(zhì)（四氯化碳）等。表1.15是部分實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)細(xì)磨或超細(xì)磨中應(yīng)用的助磨劑和分散劑。從結(jié)構(gòu)化學(xué)上來說，助磨劑和分散劑應(yīng)具有良好的選擇性分散作用；能夠調(diào)節(jié)礦漿的粘度；具有較強(qiáng)的抗Ca2=、Mg2＋的能力；受pH值的影響較小等等。也即助磨劑和分散劑的分子結(jié)構(gòu)要與細(xì)磨或者超細(xì)磨系統(tǒng)復(fù)雜的物理化學(xué)環(huán)境相適應(yīng)。在非金屬礦的濕式超細(xì)粉碎中，常用的助磨劑和分散劑根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)有以下三類。
一是堿式聚合無機(jī)鹽。在這類中，除了用于硅酸鹽礦物的粉碎外，一般多聚磷酸鹽優(yōu)于多聚硅酸鹽。
二是堿式聚合有機(jī)鹽，在這類中，常用的是聚丙烯酸鹽、胺鹽及脂，它受pH的影響較小。
三是偶極－偶極有機(jī)化合物。
需要指出的是，對(duì)于同一種被磨物料雖然有多種助磨劑和分散劑供選用，但必有一種最好。據(jù)G.Farkas等人所進(jìn)行的研究，在一系列試驗(yàn)的表面活性劑中陰離子表面活性劑SuccinetNF6對(duì)于方解石的助磨效果最好；而磺化脂肪酸和脂肪酰胺對(duì)于石英的助磨效果最好。S.Sohoni等人的實(shí)驗(yàn)研究表明，在三乙醇胺、甘醇、二甘醇、油酸及亞硫酸鹽廢液、石膏等助磨劑中，三乙醇胺對(duì)石灰石的助磨效果最好；而石膏對(duì)波特蘭水泥的助磨效果最佳。
4 助磨劑和分散劑的選擇
在超細(xì)粉碎中，助磨劑和分散劑的選擇對(duì)于提高粉碎效率和降低單位產(chǎn)品能耗是非常重要的。但是，助磨劑和分散劑的作用具有選擇性，也即對(duì)某種物料可能是有效的助磨劑和分散劑，對(duì)于另一種物料可能沒有助磨作用甚至起阻磨作用。例如。雖然三乙醇胺對(duì)石灰石及水泥熟料有較好的助磨效果，但是對(duì)于石英幾乎沒有助磨效果或者助磨效果很小，而0.1％的油酸鈉甚至對(duì)石英的磨礦起副作用。
選擇助磨劑和分散劑時(shí)，首先要考慮被磨物料的性質(zhì)。由于前人已經(jīng)做了大量的試驗(yàn)研究和文獻(xiàn)總結(jié)工作，我們可以從有關(guān)文獻(xiàn)資料中查閱到適用于待磨物料的助磨劑和分散劑，然后進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)；其次要考慮粉碎方式和粉碎環(huán)境，如干法粉碎還是濕法粉碎。在某些干法作業(yè)中可能選用某些氣體助磨劑更方便和效果更好；第三要考慮助磨劑和分散劑的成本和來源，如果成本太高、來源很少，即使作為助磨劑效果很好也應(yīng)該慎用；第四要考慮助磨劑對(duì)后續(xù)作業(yè)的影響，如選礦分離作業(yè)、分級(jí)、過濾脫水乃至干燥作業(yè)等；最后一個(gè)因素是對(duì)環(huán)境的影響，選用的助磨劑和分散劑必須滿足環(huán)保要求，不污染環(huán)境和危害工人健康。
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