基于圖像處理技術(shù)的赤鐵礦絮凝體-氣泡礦化過(guò)程研究

牛福生 陳雨盈 張晉霞 于曉東 朱笑磊

（華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

我國(guó)鐵礦石成分復(fù)雜，含鐵礦物嵌布粒度較細(xì)，礦石分選難度高，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)鐵礦石產(chǎn)能難以滿足國(guó)內(nèi)使用需求，需要大量進(jìn)口[1]。目前，我國(guó)富礦（TFe＞50%）嚴(yán)重不足，鐵礦石平均品位僅30%左右，相比世界平均品位低11個(gè)百分點(diǎn)[2]。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)，2021年前5個(gè)月，中澳雙邊貿(mào)易總額同比大增23%，達(dá)到878.8億美元（折合人民幣約5 690億元），其中，鐵礦石的交易額就占一半[3]。因此，強(qiáng)化國(guó)內(nèi)赤鐵礦資源的開(kāi)發(fā)利用程度，特別是儲(chǔ)量巨大的細(xì)粒嵌布難選鐵礦石尤為重要。

對(duì)于嵌布粒度較粗、可浮性好的赤鐵礦資源采用常規(guī)的浮選技術(shù)就可獲得較好的分選指標(biāo)[4]。但對(duì)于微細(xì)粒赤鐵礦，采用常規(guī)的浮選方法難以有效回收[5]。利用高分子絮凝劑選擇性團(tuán)聚目的礦物，形成粒徑合適的絮團(tuán)，再采用浮選法對(duì)絮團(tuán)進(jìn)行分選，可以消除礦物粒度過(guò)細(xì)對(duì)浮選造成的負(fù)面影響[6]。因此，深入開(kāi)展礦物絮凝體-氣泡礦化過(guò)程的研究對(duì)細(xì)粒礦物浮選和高效回收具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

高速攝像機(jī)是一種用來(lái)捕捉高速運(yùn)動(dòng)圖像的光學(xué)攝像儀器，它可以記錄高速運(yùn)動(dòng)物體影像，捕捉物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的某一瞬態(tài)過(guò)程，被廣泛應(yīng)用于礦物浮選領(lǐng)域[7-8]。任瀏祎[9]通過(guò)高速攝像技術(shù)對(duì)細(xì)粒錫石浮選行為和細(xì)粒錫石-氣泡間的相互作用進(jìn)行了研究，從微觀角度分析了顆粒-氣泡間的相互作用力對(duì)浮選的影響。Verrelli David I.等[10]通過(guò)高速動(dòng)態(tài)數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)研究浮選過(guò)程中氣泡與顆粒的相互作用過(guò)程，得到顆粒黏附的動(dòng)力學(xué)因素與界面化學(xué)因素之間的關(guān)系。A.V.Nguyen等[11]采用高速攝像機(jī)拍攝單泡管中氣泡與顆粒的碰撞黏附過(guò)程，建立了浮選過(guò)程中顆粒與氣泡的黏附概率模型。

本研究以赤鐵礦絮凝體在氣泡表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為對(duì)象，通過(guò)圖像處理技術(shù)，揭示不同粒徑赤鐵礦絮凝體、氣泡尺寸、碰撞角度和下降高度對(duì)赤鐵礦絮凝體-氣泡礦化過(guò)程的影響，為浮選工藝的改進(jìn)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 絮凝體的制備

1.1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料為赤鐵礦。對(duì)試驗(yàn)原料進(jìn)行化學(xué)多元素分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

?

由表1可知，試驗(yàn)原料的全鐵品位為67.90%，主要雜質(zhì)為MgO、Al2O3等，其他組分含量較少。

對(duì)試驗(yàn)原料進(jìn)行激光粒度分析，如圖1所示，其體積加權(quán)平均粒徑d為10.06 μm。

1.1.2 制備絮凝體

取1.000 g分析純油酸鈉溶解于去離子水中并定容至1 000 mL，獲得濃度為1 000 mg/L的母液。分別準(zhǔn)確量取2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 mL的油酸鈉母液稀釋至100 mL，即得到濃度分別為20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 mg/L的油酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液。

試驗(yàn)原料經(jīng)超聲處理30 min后，放入磁力攪拌器以800～900 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min，然后向燒杯中添加不同濃度的油酸鈉溶液，繼續(xù)攪拌2 min后，制得不同粒徑的赤鐵礦絮凝體。

1.2 絮凝體分形維數(shù)測(cè)定

分形維數(shù)Df是刻畫分形不規(guī)則性和復(fù)雜程度的一種數(shù)學(xué)度量，是表征絮體結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)[12]。絮凝體結(jié)構(gòu)越密實(shí)，其Df值越大，反之Df值越小[13]。目前計(jì)算絮體分形維數(shù)的試驗(yàn)方法有圖像分析法、粒徑分析法、散射法等[14]，本文研究采用圖像分析法。1989年格里高利[15]提出通過(guò)絮凝體的最大長(zhǎng)度與投影面積之間存在的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行絮凝體分形維數(shù)的計(jì)算。

通過(guò)對(duì)式（1）等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

式中，S為截面面積，μm2；B為比例常數(shù)；L為最長(zhǎng)距離（也稱為特征長(zhǎng)度），μm；Df為分形維數(shù)。

根據(jù)絮凝體圖像分析得到的不同絮凝體特征長(zhǎng)度L及截面面積S，采用公式（2）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下作圖，擬合成直線，并進(jìn)行置信度檢驗(yàn)，求出直線的斜率，即為Df值，如此計(jì)算得到絮凝體的分形維數(shù)。

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)裝置

試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)由磁力攪拌器、蠕動(dòng)泵、高速相機(jī)、光源、微調(diào)平臺(tái)、觀察室、計(jì)算機(jī)等組成，如圖2所示。絮凝過(guò)程中，用磁力攪拌器提供機(jī)械攪拌，為保持絮凝體原有形貌采用蠕動(dòng)泵從攪拌槽中取樣。通過(guò)調(diào)整觀察室的位置，將相機(jī)調(diào)整到合適的焦距，達(dá)到最清晰的圖像進(jìn)行觀測(cè)，得到的觀測(cè)絮凝體圖像由計(jì)算機(jī)輸出。

1.4 圖像處理

1.4.1 絮凝體圖像處理

采用Image-Pro Plus圖像處理軟件提取絮凝體外形尺寸，研究絮凝體圖像，如圖3所示。

首先用不同的倍鏡對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行拍照，設(shè)置相應(yīng)的比例尺；其次錄入所拍攝的絮凝體圖像，選用相對(duì)應(yīng)的比例尺，對(duì)處理后的圖像提取輪廓，對(duì)輪廓進(jìn)行標(biāo)號(hào)并測(cè)量。點(diǎn)擊分析結(jié)果數(shù)據(jù)表中的選項(xiàng)可將所提取出的各個(gè)輪廓的分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行計(jì)算。

1.4.2 絮凝體-氣泡礦化過(guò)程圖像處理

由于試驗(yàn)儀器的影響，需要用軟件對(duì)相機(jī)獲取的圖片進(jìn)行處理，使其能清晰地反映出赤鐵礦絮凝體與氣泡的礦化過(guò)程。絮凝體在氣泡表面運(yùn)動(dòng)圖像處理的過(guò)程為：打開(kāi)Image-Pro Plus軟件中Sequence的merge files工具導(dǎo)入一組圖片并進(jìn)行預(yù)處理，接著以絮凝體與氣泡的中心為研究對(duì)象，利用Image-Pro Plus和量角器軟件測(cè)量絮凝體在氣泡表面滑動(dòng)時(shí)的位置變化過(guò)程，測(cè)量參數(shù)見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，給料口釋放的赤鐵礦絮凝體經(jīng)過(guò)下降距離H后與氣泡發(fā)生碰撞。圖中R為氣泡直徑，A為絮凝體在氣泡表面的橫向位置，C為絮凝體在氣泡表面的縱向位置，θ為絮凝體相對(duì)于氣泡圓心的角度，v為絮凝體的瞬時(shí)滑動(dòng)速度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 赤鐵礦絮凝體性質(zhì)分析

試驗(yàn)原料絮凝過(guò)程中粒徑和分形維數(shù)隨油酸鈉濃度的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，絮凝體的分形維數(shù)在油酸鈉濃度為100 mg/L時(shí)，達(dá)到最大值，為1.82，之后開(kāi)始小幅度地降低。分析其原因，少量添加油酸鈉有利于礦物顆粒團(tuán)聚，其分形維數(shù)隨油酸鈉濃度增加而增大。當(dāng)加入的油酸鈉過(guò)量時(shí)，形成的絮凝體大而蓬松，易被攪拌剪切力破壞，導(dǎo)致絮凝體分形維數(shù)減小。油酸鈉用量為20～200 mg/L時(shí)，絮凝體粒徑由16.41 μm增加到39.65 μm，這是由于微細(xì)粒顆粒被絮凝在一起，隨著絮凝體體積的增大，粒徑逐漸增大。在油酸鈉用量為220 mg/L時(shí)，絮凝體粒徑為39.65 μm。

2.2 絮凝體在氣泡表面的位置變化

絮凝體粒徑不同、氣泡直徑不同、碰撞角度不同時(shí)，絮凝體的滑動(dòng)狀態(tài)是不一樣的。在拍攝絮凝體與氣泡相互作用的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)絮凝體在與氣泡發(fā)生碰撞后，氣泡表面的液膜會(huì)延伸到絮凝體表面以“包裹”絮凝體，而絮凝體下陷的過(guò)程因被包裹過(guò)程掩蓋而不明顯，絮凝體的輪廓可以被完整地拍到，如圖6所示。

2.2.1 不同粒徑絮凝體在氣泡表面的位置變化

不同粒徑的赤鐵礦絮凝體在氣泡表面的滑動(dòng)軌跡不同。絮凝體粒徑大時(shí)，慣性力大，絮凝體本身沉降速度較大，慣性碰撞起主要作用。粒徑越大的絮凝體進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度越快，絮凝體最先滑動(dòng)至最大橫向位置和最小縱向位置，然后運(yùn)動(dòng)至氣泡底部趨于穩(wěn)定。氣泡直徑為407.59 μm時(shí)不同粒徑赤鐵礦絮凝體在氣泡表面的運(yùn)動(dòng)位置變化見(jiàn)圖7。

圖7表明，絮凝體粒徑會(huì)影響顆粒與氣泡的作用過(guò)程。從圖7（a）可以看出，當(dāng)絮凝體與氣泡發(fā)生碰撞時(shí)，橫向位置變化先快后慢。t=16.5～22 ms時(shí)，粒徑為39.65 μm和38.48 μm的絮凝體經(jīng)過(guò)最大橫向位置；t=22 ms時(shí)，粒徑為36.65 μm的絮凝體經(jīng)過(guò)最大橫向位置；t=22～27.5 ms時(shí)，粒徑為34.80 μm的絮凝體經(jīng)過(guò)最大橫向位置；t=27.5～33 ms時(shí)，粒徑為32.96 μm的絮凝體經(jīng)過(guò)最大橫向位置。圖7（b）中，當(dāng)絮凝體與氣泡發(fā)生碰撞時(shí)，縱向位置會(huì)先小幅降低，隨后快速滑動(dòng)至氣泡底部并發(fā)生黏附。粒徑為39.65 μm和38.48 μm的絮凝體縱向位置為零時(shí)t=16.5～22 ms；粒徑為36.65 μm的絮凝體縱向位置為零時(shí)t=22 ms；粒徑為34.80 μm的絮凝體縱向位置為零時(shí)t=22～27.5 ms；粒徑為32.96 μm的絮凝體縱向位置為零時(shí)t=27.5～33 ms。從圖7（c）可以看出，t=0～5.5 ms時(shí)，絮凝體滑動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的角度變化較小；t=5.5～16.5 ms時(shí)，絮凝體滑動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的角度變化較大；t=16.5～55 ms時(shí)，絮凝體滑動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的角度變化較小。t=77 ms時(shí)，粒徑為39.65 μm的絮凝體對(duì)應(yīng)的角度為180°；t=82.5 ms時(shí)，粒徑為38.48 μm的絮凝體對(duì)應(yīng)的角度為 180°；t=88 ms時(shí)，粒徑為 36.65 μm 和 34.80 μm的絮凝體對(duì)應(yīng)的角度為180°；t=93.5 ms時(shí)，粒徑為32.96 μm的絮凝體對(duì)應(yīng)的角度為180°。從圖7（d）可以看出，t=5.5～11 ms時(shí)，絮凝體的瞬時(shí)滑動(dòng)速度增加得較快；t=11～22 ms時(shí)，絮凝體的瞬時(shí)滑動(dòng)速度逐漸減??；t=22～38.5 ms時(shí)，絮凝體的瞬時(shí)滑動(dòng)速度會(huì)有小幅度的增加；t大于38.5 ms時(shí)，絮凝體的瞬時(shí)滑動(dòng)速度減小。

結(jié)合圖7可得：絮凝體的瞬時(shí)滑動(dòng)速度在11～22 ms出現(xiàn)下降現(xiàn)象，接著隨滑動(dòng)時(shí)間與角度的增加做先加速后減速的類似圓周運(yùn)動(dòng)，第二次速度的降低出現(xiàn)在滑動(dòng)角度大約為90°時(shí)。

2.2.2 絮凝體在不同尺寸氣泡表面的位置變化

氣泡是空氣在分散介質(zhì)（如水）中形成的分散體系，具有很強(qiáng)的疏水性，氣泡的尺寸是影響浮選指標(biāo)的重要因素。當(dāng)絮凝體粒徑為39.65 μm時(shí)，赤鐵礦絮凝體在不同尺寸氣泡表面的位置變化如圖8所示。

從圖8（a）可以看出，隨著氣泡直徑的增大，絮凝體運(yùn)動(dòng)到氣泡的最大橫向位置所用的時(shí)間越長(zhǎng)，滑動(dòng)速度越大，所受到的脫附力相應(yīng)變大。當(dāng)氣泡直徑為407.59 μm時(shí)，絮凝體在t=16.5～27.5 ms滑過(guò)最大橫向位置；當(dāng)氣泡直徑為544.52 μm時(shí)，絮凝體在t=38.5 ms滑過(guò)最大橫向位置；當(dāng)氣泡直徑為636.15 μm時(shí)，絮凝體在t=44.0～49.5 ms滑過(guò)最大橫向位置。從圖8（b）可以看出，氣泡直徑越大，發(fā)生碰撞后絮凝體保持縱向位置不變的時(shí)間越長(zhǎng)，絮凝體在經(jīng)過(guò)縱向位置為零的區(qū)域時(shí)的速度越快。當(dāng)氣泡直徑為407.59 μm時(shí)，絮凝體滑過(guò)縱向位置為零的區(qū)域時(shí)t=16.5～27.5 ms；當(dāng)氣泡直徑為544.52 μm時(shí)，絮凝體滑過(guò)縱向位置為零的區(qū)域時(shí)t=38.5 ms；當(dāng)氣泡直徑為636.15 μm時(shí)，絮凝體滑過(guò)縱向位置為零的區(qū)域時(shí)t=44.0～49.5 ms。從圖 8（c）可以看出，t=77 ms時(shí)，絮凝體在直徑為407.59 μm的氣泡表面對(duì)應(yīng)的角度為180°；t=66 ms時(shí)，絮凝體在直徑為544.52 μm的氣泡表面對(duì)應(yīng)的角度為180°；t=71.5 ms時(shí)，絮凝體在直徑為636.15 μm的氣泡表面對(duì)應(yīng)的角度為180°。從圖8（d）可以看出，氣泡直徑為636.15 μm時(shí)，絮凝體的瞬時(shí)滑動(dòng)速度在t=44～49.5 ms較大，此時(shí)絮凝體對(duì)應(yīng)的角度由70.33°快速增加到128.98°。

結(jié)合圖8可得：當(dāng)絮凝體從氣泡正中心下落時(shí)，氣泡表面的液膜會(huì)立即延伸到絮凝體表面，氣泡直徑越大，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，然后絮凝體的縱向位置發(fā)生瞬間的變化，直至黏附到氣泡底部會(huì)形成穩(wěn)定的三相界面。這是由于絮凝體顆粒從氣泡中心的正上方下落時(shí)，絮凝體本身的重力和慣性力導(dǎo)致邊緣運(yùn)動(dòng)，而氣泡直徑越大，上表面弧度較為平緩，使得絮凝體運(yùn)動(dòng)速度越小。

2.2.3 碰撞角度不同時(shí)絮凝體在氣泡表面的位置變化

赤鐵礦絮凝體在綜合作用力的作用下，沿氣泡表面滑移。粒徑為39.65 μm的赤鐵礦絮凝體在直徑為544.52 μm的氣泡上的運(yùn)動(dòng)位置變化見(jiàn)圖9。

從圖9（a）可以看出，絮凝體與氣泡的碰撞角度越大，運(yùn)動(dòng)到最大橫向位置所用的時(shí)間越短。從圖9（b）可以看出，碰撞角度越小，發(fā)生碰撞后絮凝體保持縱向位置不變的時(shí)間越長(zhǎng)，到達(dá)縱向位置為零的區(qū)域所用的時(shí)間越長(zhǎng)。從圖9（c）中可以看出，當(dāng)碰撞角度大于等于41.61°時(shí)，絮凝體在氣泡表面滑過(guò)的角度呈直線上升，碰撞角度越大，斜率越大。當(dāng)絮凝體在氣泡表面的角度為180°時(shí)，碰撞角度0°、10.01°、21.86°、41.61°所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為82.5、88、93.5、88 ms。從圖9（d）可以看出，碰撞角度為0°時(shí)，絮凝體在t=44 ms有較大的瞬時(shí)滑動(dòng)速度，此時(shí)絮凝體相對(duì)于圓心的角度大約為90°；碰撞角度為10.01°時(shí)，絮凝體在t=44 ms有較大的瞬時(shí)滑動(dòng)速度，此時(shí)絮凝體相對(duì)于圓心的角度大約為90°；當(dāng)碰撞角度為60°時(shí)，絮凝體在氣泡表面滑移27.5 ms后從氣泡表面脫附。

結(jié)合圖9可得：隨著碰撞角度的增加，絮凝體的滑動(dòng)速度增大，不利于絮凝體黏附在氣泡表面。當(dāng)碰撞角度大于等于60°時(shí)，絮凝體沿氣泡表面滑移一段距離后脫落，不能黏附在氣泡表面。這可能是因?yàn)榕鲎步嵌茸兇髸r(shí)，絮凝體與氣泡發(fā)生相互作用的時(shí)間變短，較大的滑動(dòng)速度會(huì)導(dǎo)致絮凝體自身的重力和脫附力大于黏附力，使絮凝體在氣泡表面脫附，影響絮凝體與氣泡間的黏附概率。

3 結(jié)論

（1）隨著油酸鈉濃度的增大，赤鐵礦絮凝體的粒徑也逐漸變大且疏水性增強(qiáng)。油酸鈉濃度為120 mg/L時(shí)，絮凝體的分形維數(shù)達(dá)到最大值，為1.81；油酸鈉用量為180 mg/L時(shí)，接觸角達(dá)到最大值，為131.21°；油酸鈉用量為200 mg/L時(shí)，絮凝體粒徑達(dá)到最大值，為39.65 μm。

（2）在氣泡直徑為407.59 μm時(shí)，最大的絮凝體（粒徑39.65 μm）在氣泡表面的瞬時(shí)滑動(dòng)速度較小，不易從氣泡表面脫附，有利于提高絮凝浮選的產(chǎn)率。

（3）在絮凝體粒徑均為39.65 μm時(shí)，絮凝體在最大氣泡（直徑636.16 μm）表面的瞬時(shí)滑動(dòng)速度會(huì)有大幅度的變化，易從氣泡表面脫附，絮凝浮選的產(chǎn)率降低。

（4）絮凝體在氣泡表面的初始瞬時(shí)滑動(dòng)速度隨碰撞角度的增大而增大，而黏附概率隨之減小。碰撞角度大于等于60°時(shí)，絮凝體先與氣泡發(fā)生碰撞，在氣泡表面滑行一段距離后脫附。