1　概述　超聲波由一系列疏密相間的縱波構成。當在液體中傳播時液體會發生聲空化現象，每個 空化氣泡都是一個“熱點”。液體中的聲空化過程就是集中聲場能量并迅速釋放的過程。足 夠強度的超聲波通過液體時，當在聲波負壓半周期時，如果聲壓幅值超過液體內部靜壓強， 存在于液體中的微小氣泡就會迅速增大，在相繼而來的聲波正壓周期中氣泡又絕熱壓縮而崩 潰，在崩潰瞬間產生極短暫的強壓力脈沖，氣泡中間會產生接近5000K的高溫，壓力超過50 MPa,氣泡與水界面處溫度也可達2000K，持續幾秒后，熱點隨之冷卻（溫度變化率達10 9K/s），并伴有強烈的沖擊波（對于均相液體媒質）和速度高達110m/s的微射流（對于非均相媒質）。沖擊波和微射流作用會在界面之間形成強烈的機械攪拌效應，而且這種效應可 以突破層流邊界層的限制，強化界面間的理化效應。這就為礦物加工中的界面反應提供 了一個理想環境。 　　2　超聲波在礦物加工中的應用研究 　　2.1　超聲波強化泡沫浮選 　　從超聲波場的特性來看，超聲波可產生高的聲波強度，從而對浮選起多種作用。早在20 世紀30年代，Petersen·W就在浮選中廣泛地試驗了超聲波，后來的一些研究者也報道了 超聲 波對浮選所起的促進作用。超聲波能使浮選藥劑乳化，增大藥劑的分散性，使藥效提高，以 改善浮選效果，同時還可降低用藥量；在浮選前用超聲波處理能改變礦物顆粒的表面 狀態， 如超聲波可脫除礦物表面的泥質，使礦物顆粒露出新鮮的表面，這對浮選非常有利。C·勒 特馬瑟等對超聲波強化泡沫浮選研究最為全面。他們用石墨作為浮選試驗樣品，用B andelin公司生產的HD200型超聲波發生器，其頻率為20 kHz ，最大功率200W。其試驗 結果表明，超聲波處理可強化浮選過程，提高浮選分離的選擇性和精礦的質量。在實驗 室浮選石墨時，在精礦固體產率維持較高水平的情況下，超聲波分散礦漿使精礦灰分降低2.3%，以提高精礦純度。 　　波蘭學者Slaczka·A研究超聲波對浮選的影響時，發現超聲波不僅能影響重晶石、螢 石 、方解石吸附藥劑的能力，而且還影響它們的浮選效果。超聲處理礦漿后提高了捕收劑在 重晶石上的吸附，卻降低了在螢石上的吸附，而在方解石表面的吸附未發生任何變化。這主 要 是由于這些礦物的硬度和脆性不同。對重晶石進行超聲處理可使其表面形成微小的凹痕，而 對螢石則起磨光作用，方解石不受超聲波的影響。由于超聲波作用后礦物反應不同，這在一 定程度上提高了礦物浮選的選擇性。 　　2.2　超聲強化礦物浸取 　　 （1） 強化金屬礦的浸取。 在金屬礦的加工過程中，礦物的浸取是一項非常重要的加工技術，尤其是獲得某些貴重金屬 時 ，浸礦仍是最主要的方式之一。在浸礦過程中，超聲波是一種理想的強化手段，它在一定程 度上可以減弱甚至代替強酸、強堿、高溫、高壓、劇毒等極端危險的浸礦條件，提高浸礦的 回收率。早在20世紀70年代，Tyntyunik等就對用超聲波處理代替酸浸加工鉭鈮精礦進行 了研究。通常白鎢礦石的浸出是用浸出劑Na2CO3在高壓釜中進行的，學者們用超聲振 蕩來代替高壓釜，用Na2CO3來浸出白鎢礦。實踐證明，用超聲波強化能獲得較高的浸出率。 關于超聲波在濕法浸出中的研究近幾年也有報道，尤其是超聲波在低品位難 處理的礦石浸出中顯示出了一定的優勢。袁明亮等人用40 kHz的超聲來強化錳銀礦的提 取 ，當向浸出體系中輸入超聲波時，浸出的反應速度可提高1倍，并且使浸出還原劑的用量減 少20%以上。  （2） 強化非金屬礦的浸取。C.G.Blanco等人以苯等8種溶劑提取油頁巖中的瀝青質為對象， 對比超聲浸取法和普通 的Soxhlet浸取法，發現超聲浸取法2 h的浸取得率與Soxhlet浸取法48 h相應得率相同。M. D.Guillen等以27種有機溶劑提取煤焦油中的瀝青質，對比超聲波浸取法和Soxhlet 浸取法，同樣得出超聲法可大大縮短操作時間的結論。 加拿大MCGILL大學的Cooke等研究了超聲處理對煙煤抽提率的影響。抽提反應在索氏提 取器中進行，選用喹啉做抽提溶劑，抽提反應溫度為30℃，在超聲頻率為80kHz，超聲強度 為1.10W/cm2條件下，最大抽提率可達42%，而在溫度、溶劑及煤粒粒度等相同的實驗條件 下，無超聲處理的抽提率僅為27%。美國研究人員Mattoon等人考察了超聲處理對煙煤及次 煙煤抽提率的影響。相同實驗條件下（包括抽提反應溫度、抽提溶劑、煤粒粒度等），超聲 處理和無超聲處理相比，最大抽提率提高大約45%。 　　2.3　超聲強化過濾和脫水 　　 （1） 凝聚與濃縮。 超聲對懸浮液的凝聚與濃縮作用早就被人們所熟知。但對凝聚與濃縮原理尚有一定爭議。 比較有說服力的是Kotyasov建立的聲場凝聚效應模型。在聲場作用下， 分散相相對于顆粒的流動速率增加，伴隨著速率升高，導致分散質之間的擠壓力升高，使固 體顆粒的密度進一步提高，凝聚與濃縮發生。此外，超聲波還可以進行懸浮液濃度的測量， 如趙亮富等研究的超聲波沉降實驗裝置就能測量到懸浮液沉降過程中的濃度場，對沉 降機理的研究有著很重要的作用。  （2） 過濾和脫水。 凝聚與濃縮是固液分離的初級階段，要想得到水分合適的產品，必須進行過濾和脫水。常規 的過濾方法，會因過濾器在使用過程中被阻塞而降低過濾速率。實驗表明，超聲的引入可以 提高過濾速率。超聲用于過濾和脫水作業時，超聲的主要作用表現在3個方面：其一是 超聲會使過細的顆粒發生凝聚，從而使過濾速率加快；其二是超聲向系統提供足夠的振動能 ，使部分粒子保持懸浮，為分離作業提供了較多的自由通道；其三是超聲能夠強化液體通過 多孔介質時的擴散作用。超聲對工業混合物的過濾和脫水效果明顯。如超聲用于煤漿真空 過濾可使煤漿含水量由50%降到25%，而不加超聲時，只能降到40%。超聲用于離心脫水 作業，如Swamy等研究了在高強度聲場輻照下（98kHz，100W/cm2），用離心機脫除 用水 飽和的菱鐵礦、沙和鋸木屑等物料中的水分。結果表明：當離心脫水加以超聲作用時，在不 同條件下可以比不加超聲的離心脫水法得到的最終含水量少25%～95%。 　　2.4　超聲用于強化選煤和脫硫的研究 　　 （1） 超聲技術強化選煤。 日本學者K·Asai和N·Sasaki在1945年開始以超聲處理煤漿的應用研究。研究結果表 明，細顆粒經過超聲輻射后，在液體中呈懸浮狀態，并與超聲輻射的頻率有重要關系。這個現象表明，當以適當超聲頻率輻射煤漿時，僅造成煤粒的絮凝，而象石英、粘土等細顆粒則 不 被絮凝。據此可以把煤粒與石英、粘土分開，說明超聲具有強化選煤的作用。經超聲處理的 煤 漿給入浮選機，浮選機的處理量能增加50％～70%。土耳其學者M·S·Celik研究了超聲預 處理對煤可浮性的影響，發現在浮選前用氧化劑和還原劑處理過的煤進行超聲處理能提 高它的疏水性。未加捕收劑進行超聲處理后除掉細泥，再加捕收劑，結果比未進行 超聲處理的煤的回收率高幾倍。  （2）超聲技術強化煤的脫硫。 　　巴基斯坦學者Zai di SAH研究了在30～70℃條件下，用0.025～0.5mol的稀NaOH溶液， 對低 變質煤進行超聲強化脫硫。指出低溫下的超聲強化脫硫效果較好，超聲能量產生的剪切力可 促進在處理過程中煤中細粒硫分與堿的作用。 　　美國M·R·Danson等人在Ames實驗室進行的研究是：用3種不同類型的實驗去確定聲能 對高硫煤中黃鐵礦和成灰礦物質分布的影響。將伊利諾斯6號煤短暫置于10kHz聲能作用下， 比較處理前后各粒級煤中數質量關系。試驗表明，聲能對解離煤中礦物很有效：聲能能 降低除最細粒級外幾乎所有粒級的灰分。在聲能作用下還能解離破碎肉眼可見的黃鐵礦和石 質粘土。從中還發現，對粘土礦物質影響最大的是煤樣中－0.074mm這一粒級中的高灰物質 。認為聲能只 能解離微斷口煤顆粒。聲能能通過剝去煤表面的親水性物質而改善煤的浮選。對解離易碎煤 粒內的黃鐵礦和充填物，聲能是一種有效而經濟的手段。 　　筆者在超聲強化煤的脫硫方面做了大量研究，并對礦漿超聲強化后的性質變化進 行了試驗研究。試驗結果表明，超聲處理可促使礦漿體系PH值、表面電位、電導率、溶解 氧 等參數發生變化。以BET為浮選藥劑，石灰、水玻璃為抑制劑，初步探索了超聲強化煤炭脫 硫的原理。對山東淄博和山西介休2種實際煤樣進行分選試驗，使用超聲強化與未使用超聲 相比，脫硫率能提高20%～30%，效果明顯。 參考文獻 1　Sulick.K.S.,Hammerton D.A.,Cline R.E.Jr..Thesonoche mical hot spot ［J］.J .Am.Chem.soc., 1986,108（17）:5641～5642 2　Suslick K.S..Sonochemistry［J］.Science,1990,247（49）:1439～1445 3　C·勒特馬瑟 等.應用超聲波強化泡沫浮選.國外金屬礦選礦，2002（10）：21～25 4　Cershitskii, A.A.，Khavskii，N.N.，Shmalei，B.N.& Smirnov，Yu.R.Chem.Abstr. ，78（1973）,60260 5　Pesic B，ZHOU T L.Application of Ultrasound in Extractive Metallurgy：So n Chemical Extraction of Nickel［J］.Metallurgical Transaction，1992，23：13～2 0 6　St.Slaczka A.Effect of Ultrasound on Ammonium Leaching of Zinc from Gal mei Ore［J］.Ultrasonic，1996（1）：53～55 7　沈耀亞，趙德智，許風軍.功率超聲在化工領域中的應用現狀和發展趨勢措施.現代化工 ，2000（10）：15～18 8　胡軍.高硫煤脫硫降灰工藝與理論研究：［博士論文］.北京：北京科技大學，200 0.15～20 9　胡軍,胡永平,王淀佐.超聲波強化煤泥浮選脫硫研究.應用聲學,2000（1）:22～26 10　胡軍,王淀佐,胡永平.超聲處理后Ca2+在黃鐵礦表面作用的XPS分析 .黑龍江科技學院學報,2001（1）:1～5 轉自：中國煤炭