新型陽離子捕收劑對石英的捕收性能及作用機理

朱一民 陳佳麗 賈靜文 劉雙安

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819,2.鞍鋼集團礦業設計研究院，遼寧 鞍山 114021)

新型陽離子捕收劑對石英的捕收性能及作用機理

朱一民1陳佳麗1賈靜文1劉雙安2

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819,2.鞍鋼集團礦業設計研究院，遼寧 鞍山 114021)

用東北大學研制的新型高效陽離子捕收劑DBA-1對石英純礦物進行了藥劑用量、浮選溫度、合適酸堿度試驗，并借助Zeta電位測定、紅外光譜分析和接觸角測定對DBA-1浮選石英的機理進行了分析，以檢驗DBA-1對石英的捕收性能及效果。結果表明：①0.074～0.038 mm粒級石英純礦物在pH=8.5、礦漿溫度為18 ℃、藥劑用量為75 mg/L的情況下可獲得97.3%的回收率。②在無DBA-1的礦漿中，石英零電點的pH=2.26，而與DBA-1作用后的零電點偏移至10.10，說明DBA-1可以以陽離子形式在石英表面發生靜電吸附；DBA-1與石英作用前后的紅外光譜分析表明，二者間存在氫鍵吸附。③DBA-1的添加可大幅度提高石英表面的接觸角，增強其表面的疏水性和可浮性，接觸角在12.6°～27.0°范圍內的小幅增大都會引起回收率的大幅度提高。

陽離子捕收劑DBA-1 石英 浮選 作用機理

鐵礦石反浮選常用捕收劑在選別時不耐低溫，其中陰離子捕收劑大都還需要高價金屬陽離子活化，且尾礦鐵品位較高，而陽離子反浮選有著藥劑制度簡單、用量小、對水質變化不敏感等優勢。因此，開展石英的陽離子反浮選捕收劑研究具有重要意義[1-7]。

DBA-1是東北大學相關課題組為克服常規捕收劑的上述弱點而自主合成的一種新型高效陽離子捕收劑，為檢驗其對石英的捕收效果，以石英純礦物為對象進行了浮選試驗，并對浮選機理進行了研究。

1 石英純礦物

將采自鞍鋼齊大山鐵礦的石英礦石破碎后篩取-1 mm粒級，磁選脫鐵后取200 g用XPM-φ120×3型三頭瑪瑙制樣機細磨6 min，篩取0.074～0.038 mm和0.038～0 mm粒級，分別用質量分數為10%的鹽酸進行清洗、除鐵，再用自來水和蒸餾水反復清洗至中性，在80 ℃下烘干，將石英純礦物保存在廣口瓶中備用。該石英純礦物(以下稱試樣)化學多元素分析結果見表1，XRD圖譜見圖1。

表1 試樣化學多元素分析結果Table 1 Multi-element analysis of the sample %

圖1 試樣的XRD圖譜

從表1可知，試樣中石英的純度為99.387%，其他雜質含量非常低。

從圖1可見，試樣的XRD圖譜中未見其他礦物相，表明試樣的純度非常高。

2 試驗方法

每次試驗將5 g礦樣和35 mL的一次蒸餾水加入XFGCⅡ型實驗室用充氣掛槽浮選機中，在攪拌速度為1 600 r/min下調漿2 min，用NaOH或HCl調節礦漿的pH值，然后加入捕收劑，攪拌2 min后刮泡，烘干浮選精、尾礦，稱重計算回收率。浮選試驗流程見圖2。

圖2 浮選試驗流程

3 試驗結果與討論

3.1 條件試驗

3.1.1 DBA-1用量對試樣浮選效果的影響

在浮選溫度為18 ℃、試樣礦漿的自然pH值(pH=7.45)下進行浮選試驗，結果見圖3。

由圖3可知，隨著DBA-1用量的增大，0.074～0.038 mm粒級和0.038～0 mm粒級試樣浮選泡沫產品的產率(即石英的回收率)呈不同幅度的上升趨勢；當DBA-1用量超過20 mg/L后，2個粒級的試樣浮選泡沫產品的產率非常接近，且均上升至90%以上，故僅針對0.074～0.038 mm粒級試樣進行后續試驗。

圖3 DBA-1用量試驗結果

3.1.2 礦漿溫度和pH值對試樣浮選效果影響試驗

礦漿溫度和pH值對0.074～0.038 mm粒級試樣浮選效果影響試驗的DBA-1用量為75 mg/L，試驗結果見圖4。

圖4 礦漿溫度和pH值對0.074～0.038 mm粒級試樣浮選效果的影響

由圖4可知，礦漿pH<4.0時，無論何浮選溫度，DBA-1對石英的捕收作用極微弱；pH=6～8.5時，無論何浮選溫度，DBA-1對石英的捕收效果都非常接近，浮選泡沫產品的產率均在97%左右，說明DBA-1對浮選溫度變化的適應能力非常強，即使在18 ℃時也能保持較高的活性和溶解度；pH=3.7～6時，DBA-1在較低溫度(18 ℃)下對石英的捕收效果明顯優于28和38 ℃；礦漿pH>8時，DBA-1只有在較高溫度下(28、38 ℃)才能很好地捕收石英。因此，DBA-1適宜的礦漿環境為弱酸弱堿(pH=6～8.5)性環境。

3.2 DBA-1與石英互相作用的機理3.2.1 動電位測定與分析

用粒度為0.074～0.038 mm的試樣制成濃度為12.5%的礦漿，然后加入75 mg/L的DBA-1，石英與DBA-1作用前后的動電位測定結果見圖5。

圖5 石英與DBA-1作用前后的表面動電位

由圖5可知，石英零電點對應的pH=2.26，在pH=2.26～12的溶液中石英的Zeta電位均為負值；加入DBA-1后，石英的Zeta電位整體上移，零電點移至pH=10.10，說明在pH=2.26～12范圍內，DBA-1可以以陽離子的形式在石英表面發生靜電吸附。

3.2.2 DBA-1與石英作用前后的紅外光譜檢測分析

為了考察DBA-1與石英表面的相互作用機理，在pH=8.5的情況下對石英、DBA-1、石英吸附DBA-1后的紅外光譜進行了分析[8]，結果見圖6～圖8。

圖6 石英的紅外光譜

圖7 DBA-1的紅外光譜

由圖6可知，在石英紅外光譜的1 088.61 cm-1處為Si—O反對稱伸縮振動峰，784.34 cm-1和694.66 cm-1處為Si—O—Si對稱伸縮振動吸收峰，是四面體聚合的結果，460.85 cm-1處為Si—O彎曲振動峰 。

圖8 石英與DBA-1作用后的紅外光譜

由圖7可知，在DBA-1紅外光譜的3 330.98 cm-1、1 610.04 cm-1和1 151.40 cm-1處分別是—NH2中N—H的伸縮振動峰、—NH2的伸縮振動峰和C—N的伸縮振動峰；2 921.32 cm-1、2 852.25 cm-1、1 466.52 cm-1和1 378.50 cm-1處則分別是—CH2—的不對稱伸縮振動峰、—CH2—的對稱伸縮振動峰、—CH3—的不對稱彎曲振動峰和—CH3的對稱彎曲振動峰。

由圖8可知，石英吸附DBA-1后，原來在1 088.61 cm-1和694.66 cm-1處的吸收峰均發生了紅移，分別偏移至1 081.43 cm-1和689.29 cm-1處，即震動減弱，引起石英表面裸露在外的Si—O鍵發生了伸縮震動，表明石英表面存在氫鍵作用，減弱了Si—O鍵的彎曲振動效用；此外，3 331.21 cm-1處出現的較明顯的特征峰是DBA-1中N—H單鍵的伸縮振動峰藍移的結果，由于偏移幅度極小，說明DBA-1與石英表面發生的是物理吸附；在1 174.64 cm-1處出現的較明顯的特征峰是DBA-1中C—N單鍵的伸縮振動峰藍移的結果，說明DBA-1與石英表面發生了化學吸附。

3.2.3 石英的接觸角試驗

在18 ℃、無DBA-1的礦漿中，石英的接觸角隨pH值變化的情況見圖9；在18 ℃、pH=8.5的情況下，石英的接觸角隨DBA-1用量變化的情況見圖10；在18 ℃、pH=8.5、DBA-1用量為75 mg/L的情況下，石英的可浮性與其接觸角的關系見圖11。

圖9 石英接觸角與pH值的關系

圖10 DBA-1用量對接觸角的影響

圖11 與DBA-1作用后接觸角對石英回收率的影響

由圖9～圖11可知，在沒有DBA-1的礦漿中，礦漿pH值的升高可以小幅提高石英的接觸角，但對石英可浮性的影響十分有限；在有DBA-1存在的礦漿中，DBA-1用量從0增至150 mg/L，石英的接觸角從12.6°提高至106.7°，二者近似呈線性關系；接觸角從12.6°提高至27.0°，對應的是DBA-1的用量從0增至19 mg/L，石英的回收率從0提高至88.1%，接觸角的極小變化都對回收率產生巨大影響，說明石英表面的疏水性很弱，但少量的DBA-1足以大幅度改變石英表面的疏水性，提高其回收率；當DBA-1的用量為75 mg/L時，對應的石英接觸角為61°、回收率為97.3%；當DBA-1的用量達到75 mg/L后繼續增加用量，石英的回收率幾乎再沒有提高，這與3.1節的試驗結果一致。

4 結 論

(1)對石英純礦物的浮選試驗表明，DBA-1對浮選溫度的適應能力很強，0.074～0.038 mm粒級石英純礦物在pH=8.5、礦漿溫度為18 ℃、DBA-1用量為75 mg/L的情況下可獲得97.3%的回收率。

(2)Zeta電位檢測表明，在pH=2.26～12的溶液中石英的Zeta電位均為負值；加入DBA-1后，石英的Zeta電位整體上移，說明在pH=2.26～12范圍內，DBA-1可以以陽離子的形式在石英表面發生靜電吸附。

(3)結合Zeta電位檢測結果和紅外光譜分析結果可知，pH=8.5時DBA-1在石英表面存在氫鍵作用、物理吸附和化學吸附。

(4)接觸角的測量表明，石英與DBA-1作用后接觸角的敏感范圍為12.6°～27°，石英的回收率從0顯著提高至88.1%，說明疏水性很弱的石英即使在濃度很低的DBA-1溶液中，其表面疏水性也會大幅度提高。

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(責任編輯 羅主平)

Collecting Performance and Mechanism of a New Cation Collector to Quartz

Zhu Yimin1Chen Jiali1Jia Jingwen1Liu Shuang'an2

(1.CollegeofResourceandCivilEngineering，NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;2.AngangGroupMiningEngineeringCorporation,Anshan114021,China)

The flotation behavior,including the dosage of collector,the temperature and pH of pulp,on quartz using DBA-1 as a new collector developed by Northeastern University was investigated.Zeta potentials,infrared spectrum analysis and contact angle measurement were used to detect the interaction mechanism of the of the quartz surface with DBA-1,to check out the collecting performance of DBA-1 on quartz.The results show that：①Recovery of 97.3% on quartz flotation is obtained at the optimum conditions of particle size from 0.038 to 0.074 mm,pulp pH 8.5,slurry temperature 18 ℃,and the dosage of collector 75 mg/L.②After adding DBA-1 to the slurry,point of zero charge on quartz surface increased from 2.26 to 10.10.It is indicated that adsorption of DBA-1 occurred on the quartz surface.The adsorption mainly includes electrostatic adsorption and hydrogen bonding adsorption.③The quartz surface contact angle was increased obviously after adding DBA-1,which enhanced its hydrophobicity and floatability,and the recovery rate will be improved significantly when the contact angle slightly raise from 12.6°～27.0°.

Cationic collector DBA-1,Quartz,Flotation,Mechanism

2015-03-20

國家自然科學基金項目(編號：51274056、51474055)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B05)，國土資源部基金項目(編號：12120113086600)。

朱一民(1964—)，女，教授，博士。

TD923+.13

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1001-1250(2015)-05-081-04