一文了解超声技术在矿物加工中的应用

颗粒在线讯  超声波是指频率超过2×104Hz的声波，具有聚束、定向、反射、投射等一系列特性。超声波技术的广泛应用基于超声波所具有的两种特性，一是超声波作为一种信息载体，二是超声波作为一种能量形式。可以说超声工程学在矿物加工领域的研究应用主要包括检测超声和功率超声两大类。

检测超声在矿物加工过程中的应用

检测超声利用了超声传播的特征和信息载体的特性，检查材料缺陷，测量物体的几何尺寸、物理化学性能及其他非声学性质和参量的方法和技术。由于超声波频率高，波长短，衍射现象不明显等特点，在测量过程中有着灵敏度高，速度快，成本低，对人体无害，不需要直接接触待检测物等优势。

检测超声在矿物加工过程中的应用包括粒度检测、浓度检测、流量检测、料位检测等。目前超声波粒度仪已经在国内多处公司投入使用；超声浓度检测的方法主要是利用超声衰减作用进行测量，超声波在矿浆中传播时，振幅会随着矿浆中固体含量多少和固体颗粒大小而变化；现在常用的是多普勒流量计，其原理为多普勒效应：物体辐射的波长因为波源和接收点的相对运动而产生变化。通过测量流体中运动粒子散射声波的多普勒频移，以此完成流量检测；现有物料测量中，在连续测料位的超声技术中，应用最广的是超声波脉冲回波法。

功率超声在矿物加工过程中的应用

功率超声是通过超声能量对物质的作用来改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态。

超声波粉碎

超声空化使在矿浆中矿石等破碎的工艺过程称超声碎，超声粉碎装置一般由换能器、变幅杆和超声频电源组成。超声波粉碎利用超声波的高能量密度(每cm2接触面有数千千瓦的能量)与高频应力(20kHz)两个特点。两个特点相补充，可以在短时间内有较好的破碎效果。

鉴于超声波振动技术在碎岩领域展现的应用前景，近五年我国加大了对超声波振动碎岩理论研究的支持力度，各高校取得了丰富的研究成果。

熊值等采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪、热重分析仪和X射线衍射仪等手段研究了超声波振动与磁力加热搅拌两种不同方式制备的有机改性蒙脱土(OMMT)，通过设计正交实验验证了改性剂的用量、pH值、超声波振动时间和超声波振动功率4个因素对OMMT的层间距的影响，同时，还验证了不同种类的OMMT对聚丙烯(PP)雾化性能的影响。结果表明，相比磁力加热搅拌法，超声波振动制备的OMMT不需加热和搅拌、反应速度快、制备的OMMT层间距更大；通过正交实验得出的最佳方案为选用十六烷基三甲基溴化铵的用量为1.5g，pH值为7.0或6.5、超声波振动60min，超声波功率为80%；按照最佳方案采用超声波技术制备的OMMT，对于改善PP的雾化有较好的效果。

超声波技术应用于浮选

超声波技术应用于浮选的原理主要基于超声处理中液体的空化效应和Bjerknes效应。超声空化包括瞬时空化和稳态空化，不同空化状态取决于声压和声频大小。Bjerknes效应是通过影响超声场中矿化气泡的运动特性从而对浮选产生作用。

超声瞬态空化、稳态空化和Bjerknes效应对矿物浮选的影响

超声对矿物的作用：超声对矿物的作用主要是利用超声的空化效应产生的机械搅拌作用，这一过程主要在矿物的预处理中进行。超声场中空化气泡的瞬间崩塌释放的巨大能量对矿物表面产生清洁、溶蚀和脱硫等作用。

超声对浮选药剂的作用：超声空化所产生的机械搅拌、相互扩散和均匀化作用会对浮选药剂产生影响，利用这些超声作用可增强浮选药剂的溶解扩散和弥散乳化效果，同时超声波也会使药剂的溶液性质和聚集状态产生变化。

对矿浆的作用：超声对矿浆的作用主要指对矿浆中气泡的作用，主要包括微泡的形成和聚合作用)。矿浆在进入浮选机中会不断地被充气和搅拌，并产生大量的气泡而使矿粒悬浮，矿浆中气泡的行为是影响浮选指标的关键。通过调节超声频率和功率等参数条件可改善矿浆中气泡的形成与运动，从而改善浮选行为。

康文泽等为了研究超声预处理对石墨精选效果的影响，进行了不同超声功率、预处理时间、药剂用量的石墨浮选实验，研究了超声预处理后石墨浮选速度的变化。研究结果表明：超声功率1.6KW，预处理4min的浮选精矿产率、碳的质量分数、回收率分别比常规浮选高5.83％，3.22％，9.15％；当获得相同的精矿产率、回收率时，超声预处理浮选与常规浮选相比浮选捕收剂用量降低25％～50％；捕收剂和起泡剂的用量对超声预处理浮选精矿碳含量没有明显影响；超声预处理浮选与常规浮选相比浮选速度降低；当超声预处理与原样的粒度组成相同时，超声预处理后的浮选速度大于常规浮选速度；因此超声预处理能明显提高石墨精选效果。

超声波在制纳米材料中的应用

超声波化学法对比传统的方法来制备纳米材料具备明显的优势，是目前超细粉体材料领域研究创新热点之一。主要有超声沉淀法、超声分解法、超声电解法、超声水热法、超声雾化法、超声固液研磨法、超声溶胶－凝胶法、超声还原法、超声分散法、超声微乳液法、超声模版法等。如徐锁平等发现超声波的空化作用影响晶体的生长及均化，利用超声沉淀法可制备出呈纺锤形、短轴约10nm、长轴约30nm的氧化铁前驱体。王菊香等利用超声电解法制备出了小于100nm的Cu粉和Ni粉。刘强等以Ce2(NO3)3和NH4HCO3为原料，使用超声波频率1.7MHz把Ce2(NO3)3和NH4HCO3溶液分别雾化，采用双液超声雾化反应制备出了，粒度均匀的3nm～5nm萤石型、呈球形、分散性好的CeO2纳米粉。

小结

超声技术有高效、安全、绿色等一系列优势，在环境、食品、医药等领域都有着广泛的应用。检测超声在粒度、浓度、流量和料位的测量中，具有精确性、实时性和直观性的特点，已经成熟的应用于各个矿山选厂。功率超声在重选、浮选、浸出过程中，通过对药剂和矿粒的处理，都能大大提高选矿指标。除了上述的应用以外，超声技术在筛分、磁电选等方面也有应用，而且超声技术因其操作简单、易于控制、效率高等优点被广泛应用于辅助制备纳米材料，且已经取得了良好的效果。但是另一方面，作为一种很有发展前景的技术，超声波技术的部分应用还处于实验室阶段。

参考资料：

黄万抚等.超声技术在矿物加工中的应用进展

陈兰兰等.超声波技术在矿物浮选中的研究、应用现状及发展趋势

熊值等.超声波振动制备有机改性蒙脱土

康文泽等.超声预处理对石墨精选效果的影响

宋春雨等.典型过程强化技术在纳米材料制备中的应用进展

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