多胺多羧類固廢作為磷礦浮選劑的應用

王亞，王巖，陳金芳

1.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074

多胺多羧類固廢作為磷礦浮選劑的應用

王亞1，王巖1，陳金芳2*

1.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074

為了將噁唑法工藝生產維生素B6中的一種難處理固廢資源化，對其分子結構進行了仔細的分析，并將其用于磷礦浮選實驗進行了驗證.紅外光譜分析和多種溶劑的溶解實驗證實這種固廢是一種具有良好表面活性的分子量較大物質，羧基和氨基是主要親水基團.在此基礎上，結合生產工藝和反應機理，對其分子結構進行了推導.用黃麥嶺磷礦進行了正反浮選試驗，并用常規捕收劑作了對照，實驗結果表明正浮選效果要好于反浮選效果，說明羧基為主要親水基團.磷礦浮選實驗結果還表明這種固廢作為磷礦捕收劑，捕收能力要強于油酸鈉，但選擇性稍弱.用選擇性較好的捕收劑復配后，有用作磷礦捕收劑的良好前景.

固廢；磷礦捕收劑；浮選

0 引言

維生素B6是一種工業上大批量生產的水溶性維生素，為人體和動物生長所必須［1］.目前維生素B6主要通過噁唑法工藝進行生產，生產過程中伴隨較嚴重的三廢問題［2］.其中4－甲基－5－乙氧基噁唑（以下簡稱噁唑）和2－異丙基－4，7－二氫－1，3－二噁庚英（以下簡稱七環）的Diels－Alder反應是加成工序的核心反應［3］.該工序副產一種黑色膏狀物質（以下簡稱黑膏），難以燃燒，很難處理。通過簡單的水溶性實驗，發現黑膏雖然在水中溶解速率很慢，但溶解量較大，在水中分散性很好，且有較好的起泡性能.紅外光譜檢測顯示含有氨基和羧基.

我國磷礦石大都屬于中低品位磷礦石，必須經過選礦富集后才能被有效利用［4］.在磷礦浮選藥劑的開發過程中，除了努力提高磷礦捕收劑的捕收效率之外，盡量降低浮選藥劑的成本也是必須要考慮的問題.考慮到磷礦捕收劑大多是脂肪酸及其改性衍生物［5］，如果黑膏能被證明有作為磷礦浮選劑的潛能，或經過適當的改性能應用到磷礦浮選中，那么不僅解決了黑膏的污染問題，也能節省磷礦浮選的成本，一舉多得.本研究通過對黑膏的結構進行分析，并用磷礦浮選實驗進行驗證的方法進行了探索.

1 黑膏結構的推斷

1.1 黑膏的親水基團

從黑膏的良好起泡性可以判斷出黑膏是一種表面活性劑，雖然黑膏是一種混合物，但大多數分子中都應存在相同的親水基團.為了弄清黑膏的親水基團，做了黑膏的紅外光譜實驗,見圖1.譜圖如下：3 328 cm－1和3 239 cm－1處的峰分別是羧基的O－H伸縮振動和氨基的N－H的伸縮振動；2 922 cm－1的峰是飽和C－H的伸縮振動；2 003 cm－1處的峰代表的可能是累積雙鍵或烯酮鍵的伸縮振動；1 736 cm－1處的峰是羧基的C＝O伸縮振動峰；C－O鍵的伸縮振動在1 000－1 300 cm－1的范圍內；C－N鍵的伸縮振動在1 100－1 350 cm－1的范圍內；綜合以上可得黑膏中含有氨基、羧基和羥基.

1.2 黑膏的分子量

黑膏在常溫下久置后，會成為完全沒有流動性的固體，難以變形或分割.分別用水、乙醇、丙二醇、三乙醇胺做黑膏的溶解實驗，發現在靜置的條件下，都需要一個星期以上的時間才能完全溶解.黑膏在這些溶劑中的溶解現象符合一般非交聯高分子化合物的溶解規律，說明黑膏是一種分子量較大的混合物.

圖1 黑膏的紅外光譜圖Fig.1 Infra-red spectrogram of black pasty

1.3 黑膏的可能結構

在維生素B6的原料和產品中都沒有分子量較大的物質，并且大分子量的物質只可能在官能度大于或等于二的物質間生成.

七環是由1，4－二醇丁烯和正丁醛在酸的催化下脫水縮合制得.考慮到七環原料中不可避免的含有原料物質以及在運輸、反應過程中可能發生的分解，尤其是Diels－Alder反應是在加熱和酸催化下進行的，因而一部分1，4－二醇丁烯的生成是不可避免的.

噁唑是在上一個工序通過環合脫羧得到的產物，沒有進行嚴格的精制，不可避免的含有未經環合的N－草酰物.此外噁唑在酸的催化下也會發生分解.

如圖2所示，七環的分解產物和噁唑的分解產物之間發生的縮聚反應，可能是黑膏形成的主要原因.羧基是主要的親水基團，氨基和羥基強化了黑膏分子的親水性.另外黑膏中有較多的不飽和基團，這些不飽和基團容易被氧化，這可能是黑膏之所以顯黑色的原因.

2 浮選實驗

2.1 黑膏作為捕收劑的初步探索實驗

2.1.1 原材料實驗選用的磷礦來自黃麥嶺磷化集團的風化淺粒磷灰巖，脈石礦物主要包括石英、長石、白云母、褐鐵礦、粘土礦物等，其化學成分見表1.

圖2 黑膏的結構示意圖Fig.2 Framework diagrammatic sketch of black pasty

表1 礦石化學成分Table1 Chemical composition of the ore

2.1.2 礦粉制作黃麥嶺礦樣最大直徑達150 mm，在實驗室中首先將礦樣破碎至2mm以下，然后在球磨機中磨至所需粒度.具體方法是在球磨機中加入300 g破碎礦樣，500 mL水和適量研磨介質，磨礦一定時間，然后將球磨機內物質倒出，取上層懸濁液過濾即得實驗礦粉.

2.1.3 浮選藥劑將黑膏用蒸餾水直接配成質量分數為1%的黑膏溶液，作為捕收劑和起泡劑，將NaCO3配成質量分數5%的溶液作為介質調整劑.

2.1.4 實驗方法考慮到探索性實驗起泡情況可能比較復雜，用刮板不方便，實驗室用的是自制的仿XFD－63型單槽浮選機.經測試攪拌情況和充氣情況符合浮選實驗要求，浮選槽容積為350 mL，簡明實驗流程見圖3.初步探索階段通過單因素實驗依次探索了磨礦細度、礦漿濃度、浮選時間、充氣和攪拌強度、藥劑制度對黑膏浮選磷礦的影響.

圖3 浮選條件實驗流程圖Fig.3 Flowsheet of the experiment of flotation condition

2.2 黑膏作為捕收劑的正反浮選實驗

在初步探索的基礎上，為了驗證黑膏的分子結構和探究黑膏的磷礦捕收性能，進行了黑膏作為磷礦捕收劑的正反浮選實驗.如果羧基是主要親水基團，那么正浮選效果要相對好一些，反之如果氨基是主要的親水基團，則反浮選效果要好一些.

2.2.1 黑膏的正浮選實驗在初步探索的基礎上，用模數為2．4的硅酸鈉和淀粉作為硅酸鹽礦物的抑制劑，進行了黑膏的正浮選試驗.試驗中采用的是一粗、一精、一掃的實驗開路流程，原礦統一用量50 g.同時，為了評估黑膏的捕收效果，用常規捕收劑油酸鈉做了對照試驗，浮選流程見圖4.

圖4 正浮選工藝流程圖Fig.4 Process flowsheet of direct flotation

2.2.2 黑膏的反浮選實驗在初步探索的基礎上，用磷酸作為磷灰石礦物的抑制劑，用硫酸作為介質調整劑，在pH5～6的弱酸性環境中，用黑膏反浮選黃麥嶺磷礦.實驗采用的是一粗、一精、一掃的開路流程.同時，為了評估黑膏的捕收效果，用十二烷基硫酸鈉作為反浮選捕收劑做了對照試驗，浮選流程見圖5.

圖5 反浮選工藝流程圖Fig.5 Process flowsheet of reverse flotation

3 結果與討論

3.1 黑膏的浮選條件試驗

3.1.1 磨礦細度和礦漿濃度磨礦的目的是讓膠磷礦充分解離，同時避免過度泥化對浮選造成的不利影響［6］.如表2和圖6所示，當磨礦時間為3 h時，磷精礦品位和回收率都較高.當磨礦時間不足3 h時，回收率較低，當磨礦時間大于3 h時，雖然回收率上升，但磷精礦品位受到較大影響.綜合考慮，磨礦時間定為3 h.當礦漿質量分數太低時，單位質量的原礦需要消耗較多的藥劑，當礦漿濃度太高時，磷精礦品位會降低，綜合考慮實驗中的礦漿質量分數為20%時較為理想，此時不僅單位質量原礦的藥劑消耗量在合理區間，而且磷精礦品位相對較高，見圖7.

3.1.2 捕收劑用量和浮選時間在磨礦時間為3 h，礦漿質量分數為20%的條件下，進行了捕收劑用量優化的實驗.黑膏在磷礦的浮選試驗中，同時被用作捕收劑和起泡劑.在黑膏用量不足的情況下，對膠磷礦的捕收不充分，正常起泡時間過短，磷精礦上浮率較低.在黑膏過量的情況下，則會出現泡沫過多，起泡時間過長，精礦品味下降.由圖8可知，當捕收劑用量在3 kg／t原礦時，磷精礦上浮率和品位都在理想范圍內，對應浮選時間為25 min.

表2 磨礦時間和顆粒大小的關系Table 2 Relationship between ore grinding time and grain size

圖6 磷精礦品位和回收率隨磨礦時間變化規律Fig.6 Effects of ore grinding time on the phosphor concentrate grade and percent recovery

圖7 調整劑用量和磷精礦品位隨礦漿質量分數的變化規律Fig.7 Effects of pulp concentration on phosphor concentrate grade and the regulator dose

圖8 捕收劑用量對上浮率和精礦品位的影響Fig.8 Effects of collecting agent dose on phosphor concentrate grade and flotation rate

3.1.3 調整劑用量調整劑Na2CO3主要用來調整礦漿的pH值，同時在一定程度上減輕硬水中Ca、Mg離子的影響，在一定的pH范圍內，能使膠磷礦和其它脈石礦物產生較大的浮選差異［7］.如圖9所示，當NaCO3用量在4 kg／t時，磷精礦品位和回收率較高，當NaCO3用量小于4 kg／t時，磷精礦品位和回收率較低，當NaCO3用量大于4 kg／t時，磷精礦品位和回收率變化不大.綜合浮選效果和藥劑成本考慮，NaCO3用量定位在4 kg／t.

圖9 調整劑用量對磷精礦品位和回收率的影響Fig.9 Effects of regulator dose on phosphor concentrate grade and recovery rate

3.2 黑膏在不同浮選工藝下的浮選效果

3.2.1 黑膏在正浮選工藝下的浮選效果分別用模數為2．4的硅酸鈉和淀粉作為硅酸鹽（含碳酸鹽）抑制劑，對黃麥嶺磷礦進行了正浮選，并用常規捕收劑油酸鈉作為對照進行了實驗［8］.如表3所示，實驗結果表明，與油酸鈉相比，黑膏的精礦品味要低3．5個百分點，同時尾礦品位要高5個百分點左右，說明黑膏的選擇性明顯沒有油酸鈉的好.但在相同質量原礦的條件下，黑膏最終得到的精礦質量要高一些，說明黑膏的捕收能力很強.同時也說明黃麥嶺磷礦適合用正浮選工藝進行浮選.

表3 正浮選工藝浮選結果Table 3 Results of direct flotation

3.2.2 黑膏在反浮選工藝下的浮選效果用硫酸作為介質調整劑，用磷酸和六偏磷酸鈉作為抑制劑，對黃麥嶺磷礦進行了反浮選.并用十二烷基硫酸鈉作為對照捕收劑進行了實驗［9］.如表4所示，實驗結果表明，與原礦P2O5的質量分數15．52%相比，無論是黑膏還是十二烷基硫酸鈉，用反浮選工藝對品位的提升都相當有限，都沒有超過3個百分點，其中黑膏的精礦品位更低.實驗結果表明黃麥嶺磷礦并不適合用反浮選工藝進行浮選，是一種以硅酸鹽為主的磷礦.同時也說明黑膏并不是一種性能較好的反浮選捕收劑.

表4 反浮選工藝浮選結果Table 4 Result of reverse flotation

4 結語

黑膏的浮選實驗結果表明，黑膏作為正浮選捕收劑的性能明顯好于作為反浮選捕收劑的性能.表明在黑膏的親水基團中其主要作用的是羧基，氨基和羥基起到了輔助作用.這證明了本研究第一部分對黑膏的結構推斷基本合理.

黑膏作為磷礦的正浮選捕收劑，在浮選過程中展現了較強的捕收性和較弱的選擇性，如果能和合適的選擇性較強的捕收劑復配，有作為磷礦捕收劑利用的良好前景.

致謝

在該項目進行過程中，得到湖北惠生藥業的幫助，在此表示感謝.

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Solid waste containing amido and carboxyl as phosphate collector

WANG Ya1，WANG Yan1,CHEN Jin－fang2
1．School of Chemical Engineering＆Pharmacy，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2．Key Laboratary for Green Chemical Process（Wuhan Institute of Technology），Ministry of Education，Wuhan 430074，China

To exploit a solid waste which was produced in the manufacture of Vatimin B6 by oxazole method，its structure was carefully analyzed and the solid waste was put in use in the experiments of phosphate flotation．Infrared spectrum analysis and dissolution experiment in various solvents show that the solid waste is a substance whose molecule weight is relatively large and possesses good surface active property．Garboxyl group and amino group are the main hydrophilic groups．Based on production process and reaction mechanism，the molecular structure was carefully inferred．The direct and reverse flotation experiments using Huangmeiling phosphate were conducted．The effect of direct flotation is better than the reverse flotation，which indicates that carboxyl group is the main hydrophilic group．Besides，the results also show that the solid waste as phosphate collector has better collecting property than sodium oleate but weak selectivity．If the solid waste is remixed with a collector which has good selectivity，it will have a good prospect as phosphate collector．

solid waste；phosphate collector；flotation

TD923

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.07.006

1674－2869（2015）07－0024－06

本文編輯：張瑞

2015－07－29

湖北惠生藥業三廢處理工藝

王亞（1990-），男，湖北天門人，碩士研究生．研究方向：化工廢物資源化．*通信聯系人