1　概述　超聲波由一系列疏密相間的縱波構(gòu)成。當(dāng)在液體中傳播時(shí)液體會(huì)發(fā)生聲空化現(xiàn)象，每個(gè) 空化氣泡都是一個(gè)“熱點(diǎn)”。液體中的聲空化過程就是集中聲場(chǎng)能量并迅速釋放的過程。足 夠強(qiáng)度的超聲波通過液體時(shí)，當(dāng)在聲波負(fù)壓半周期時(shí)，如果聲壓幅值超過液體內(nèi)部靜壓強(qiáng)， 存在于液體中的微小氣泡就會(huì)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(chǎn)生極短暫的強(qiáng)壓力脈沖，氣泡中間會(huì)產(chǎn)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(dá)2000K，持續(xù)幾秒后，熱點(diǎn)隨之冷卻（溫度變化率達(dá)10 9K/s），并伴有強(qiáng)烈的沖擊波（對(duì)于均相液體媒質(zhì)）和速度高達(dá)110m/s的微射流（對(duì)于非均相媒質(zhì)）。沖擊波和微射流作用會(huì)在界面之間形成強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌效應(yīng)，而且這種效應(yīng)可 以突破層流邊界層的限制，強(qiáng)化界面間的理化效應(yīng)。這就為礦物加工中的界面反應(yīng)提供 了一個(gè)理想環(huán)境。 　　2　超聲波在礦物加工中的應(yīng)用研究 　　2.1　超聲波強(qiáng)化泡沫浮選 　　從超聲波場(chǎng)的特性來看，超聲波可產(chǎn)生高的聲波強(qiáng)度，從而對(duì)浮選起多種作用。早在20 世紀(jì)30年代，Petersen·W就在浮選中廣泛地試驗(yàn)了超聲波，后來的一些研究者也報(bào)道了 超聲 波對(duì)浮選所起的促進(jìn)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(shí)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(tài)， 如超聲波可脫除礦物表面的泥質(zhì)，使礦物顆粒露出新鮮的表面，這對(duì)浮選非常有利。C·勒 特馬瑟等對(duì)超聲波強(qiáng)化泡沫浮選研究最為全面。他們用石墨作為浮選試驗(yàn)樣品，用B andelin公司生產(chǎn)的HD200型超聲波發(fā)生器，其頻率為20 kHz ，最大功率200W。其試驗(yàn) 結(jié)果表明，超聲波處理可強(qiáng)化浮選過程，提高浮選分離的選擇性和精礦的質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn) 室浮選石墨時(shí)，在精礦固體產(chǎn)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(xué)者Slaczka·A研究超聲波對(duì)浮選的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(fā)生任何變化。這主 要 是由于這些礦物的硬度和脆性不同。對(duì)重晶石進(jìn)行超聲處理可使其表面形成微小的凹痕，而 對(duì)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(yīng)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(qiáng)化礦物浸取 　　 （1） 強(qiáng)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(xiàng)非常重要的加工技術(shù)，尤其是獲得某些貴重金屬 時(shí) ，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(qiáng)化手段，它在一定程 度上可以減弱甚至代替強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、高壓、劇毒等極端危險(xiǎn)的浸礦條件，提高浸礦的 回收率。早在20世紀(jì)70年代，Tyntyunik等就對(duì)用超聲波處理代替酸浸加工鉭鈮精礦進(jìn)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(jìn)行的，學(xué)者們用超聲振 蕩來代替高壓釜，用Na2CO3來浸出白鎢礦。實(shí)踐證明，用超聲波強(qiáng)化能獲得較高的浸出率。 關(guān)于超聲波在濕法浸出中的研究近幾年也有報(bào)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(yōu)勢(shì)。袁明亮等人用40 kHz的超聲來強(qiáng)化錳銀礦的提 取 ，當(dāng)向浸出體系中輸入超聲波時(shí)，浸出的反應(yīng)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(qiáng)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(zhì)為對(duì)象， 對(duì)比超聲浸取法和普通 的Soxhlet浸取法，發(fā)現(xiàn)超聲浸取法2 h的浸取得率與Soxhlet浸取法48 h相應(yīng)得率相同。M. D.Guillen等以27種有機(jī)溶劑提取煤焦油中的瀝青質(zhì)，對(duì)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(shí)間的結(jié)論。 加拿大MCGILL大學(xué)的Cooke等研究了超聲處理對(duì)煙煤抽提率的影響。抽提反應(yīng)在索氏提 取器中進(jìn)行，選用喹啉做抽提溶劑，抽提反應(yīng)溫度為30℃，在超聲頻率為80kHz，超聲強(qiáng)度 為1.10W/cm2條件下，最大抽提率可達(dá)42%，而在溫度、溶劑及煤粒粒度等相同的實(shí)驗(yàn)條件 下，無超聲處理的抽提率僅為27%。美國(guó)研究人員Mattoon等人考察了超聲處理對(duì)煙煤及次 煙煤抽提率的影響。相同實(shí)驗(yàn)條件下（包括抽提反應(yīng)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(qiáng)化過濾和脫水 　　 （1） 凝聚與濃縮。 超聲對(duì)懸浮液的凝聚與濃縮作用早就被人們所熟知。但對(duì)凝聚與濃縮原理尚有一定爭(zhēng)議。 比較有說服力的是Kotyasov建立的聲場(chǎng)凝聚效應(yīng)模型。在聲場(chǎng)作用下， 分散相相對(duì)于顆粒的流動(dòng)速率增加，伴隨著速率升高，導(dǎo)致分散質(zhì)之間的擠壓力升高，使固 體顆粒的密度進(jìn)一步提高，凝聚與濃縮發(fā)生。此外，超聲波還可以進(jìn)行懸浮液濃度的測(cè)量， 如趙亮富等研究的超聲波沉降實(shí)驗(yàn)裝置就能測(cè)量到懸浮液沉降過程中的濃度場(chǎng)，對(duì)沉 降機(jī)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(jí)階段，要想得到水分合適的產(chǎn)品，必須進(jìn)行過濾和脫水。常規(guī) 的過濾方法，會(huì)因過濾器在使用過程中被阻塞而降低過濾速率。實(shí)驗(yàn)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(yè)時(shí)，超聲的主要作用表現(xiàn)在3個(gè)方面：其一是 超聲會(huì)使過細(xì)的顆粒發(fā)生凝聚，從而使過濾速率加快；其二是超聲向系統(tǒng)提供足夠的振動(dòng)能 ，使部分粒子保持懸浮，為分離作業(yè)提供了較多的自由通道；其三是超聲能夠強(qiáng)化液體通過 多孔介質(zhì)時(shí)的擴(kuò)散作用。超聲對(duì)工業(yè)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(shí)，只能降到40%。超聲用于離心脫水 作業(yè)，如Swamy等研究了在高強(qiáng)度聲場(chǎng)輻照下（98kHz，100W/cm2），用離心機(jī)脫除 用水 飽和的菱鐵礦、沙和鋸木屑等物料中的水分。結(jié)果表明：當(dāng)離心脫水加以超聲作用時(shí)，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(qiáng)化選煤和脫硫的研究 　　 （1） 超聲技術(shù)強(qiáng)化選煤。 日本學(xué)者K·Asai和N·Sasaki在1945年開始以超聲處理煤漿的應(yīng)用研究。研究結(jié)果表 明，細(xì)顆粒經(jīng)過超聲輻射后，在液體中呈懸浮狀態(tài)，并與超聲輻射的頻率有重要關(guān)系。這個(gè)現(xiàn)象表明，當(dāng)以適當(dāng)超聲頻率輻射煤漿時(shí)，僅造成煤粒的絮凝，而象石英、粘土等細(xì)顆粒則 不 被絮凝。據(jù)此可以把煤粒與石英、粘土分開，說明超聲具有強(qiáng)化選煤的作用。經(jīng)超聲處理的 煤 漿給入浮選機(jī)，浮選機(jī)的處理量能增加50％～70%。土耳其學(xué)者M(jìn)·S·Celik研究了超聲預(yù) 處理對(duì)煤可浮性的影響，發(fā)現(xiàn)在浮選前用氧化劑和還原劑處理過的煤進(jìn)行超聲處理能提 高它的疏水性。未加捕收劑進(jìn)行超聲處理后除掉細(xì)泥，再加捕收劑，結(jié)果比未進(jìn)行 超聲處理的煤的回收率高幾倍。  （2）超聲技術(shù)強(qiáng)化煤的脫硫。 　　巴基斯坦學(xué)者Zai di SAH研究了在30～70℃條件下，用0.025～0.5mol的稀NaOH溶液， 對(duì)低 變質(zhì)煤進(jìn)行超聲強(qiáng)化脫硫。指出低溫下的超聲強(qiáng)化脫硫效果較好，超聲能量產(chǎn)生的剪切力可 促進(jìn)在處理過程中煤中細(xì)粒硫分與堿的作用。 　　美國(guó)M·R·Danson等人在Ames實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的研究是：用3種不同類型的實(shí)驗(yàn)去確定聲能 對(duì)高硫煤中黃鐵礦和成灰礦物質(zhì)分布的影響。將伊利諾斯6號(hào)煤短暫置于10kHz聲能作用下， 比較處理前后各粒級(jí)煤中數(shù)質(zhì)量關(guān)系。試驗(yàn)表明，聲能對(duì)解離煤中礦物很有效：聲能能 降低除最細(xì)粒級(jí)外幾乎所有粒級(jí)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(zhì)粘土。從中還發(fā)現(xiàn)，對(duì)粘土礦物質(zhì)影響最大的是煤樣中－0.074mm這一粒級(jí)中的高灰物質(zhì) 。認(rèn)為聲能只 能解離微斷口煤顆粒。聲能能通過剝?nèi)ッ罕砻娴挠H水性物質(zhì)而改善煤的浮選。對(duì)解離易碎煤 粒內(nèi)的黃鐵礦和充填物，聲能是一種有效而經(jīng)濟(jì)的手段。 　　筆者在超聲強(qiáng)化煤的脫硫方面做了大量研究，并對(duì)礦漿超聲強(qiáng)化后的性質(zhì)變化進(jìn) 行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲處理可促使礦漿體系PH值、表面電位、電導(dǎo)率、溶解 氧 等參數(shù)發(fā)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(qiáng)化煤炭脫 硫的原理。對(duì)山東淄博和山西介休2種實(shí)際煤樣進(jìn)行分選試驗(yàn)，使用超聲強(qiáng)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(xiàn) 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(yīng)用超聲波強(qiáng)化泡沫浮選.國(guó)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(fēng)軍.功率超聲在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)措施.現(xiàn)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(xué)，200 0.15～20 9　胡軍,胡永平,王淀佐.超聲波強(qiáng)化煤泥浮選脫硫研究.應(yīng)用聲學(xué),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(xué)院學(xué)報(bào),2001（1）:1～5 轉(zhuǎn)自：中國(guó)煤炭