絹云母的夾帶行為及其控制

陸英，李洪強，馮其明

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絹云母的夾帶行為及其控制

陸英，李洪強，馮其明

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

基于絹云母脈石在浮選過程中容易通過夾帶進入精礦，影響精礦品位，為探討影響絹云母夾帶的因素，更好地控制夾帶，通過篩析、表面張力測定及純礦物浮選實驗，研究不同條件下絹云母的夾帶行為。研究結果表明：隨著絹云母脈石粒度的減小，絹云母夾帶率呈線性急劇增大，泡沫水回收率先緩慢變化后急劇上升，導致絹云母的回收率急劇增加；隨著絹云母礦漿質量分數的增大，夾帶率變化不大，大，導致絹云母回收率緩慢增加；不同種類及用量的起泡劑對絹云母夾帶行為有很大影響；煤油作為消泡劑能很好地控制絹云母夾帶。

絹云母；夾帶行為；夾帶控制

浮選是利用礦物疏水性差異分離礦物的過程，疏水性顆粒附著于氣泡并隨之上升至泡沫層，親水性顆粒則留在水相成為尾礦。但在實際過程中，親水性顆粒隨著泡沫間水相夾帶進入精礦，降低精礦品位[1?3]。大量研究表明，決定夾帶的因素包括：浮選操作條件、親水脈石的特性、礦漿粘度以及泡沫結構[4?5]。泡沫特征對夾帶行為有很大的影響，Engelbrecht等[6]研究了充氣速率及泡沫層高度對浮選的影響，提高充氣速率導致高的脈石夾帶。Ekmekci等[7]研究表明，通過選擇合適的起泡劑和提高泡沫層高度，能將精礦Cr2O3含量降低到3%以下。Kirjavainen[8]用白云母和石英進行的小型浮選試驗，發現親水性脈石的夾帶是由4種因素或過程即水的回收率、礦漿黏度、顆粒質量及顆粒形狀所支配。夾帶與氣泡大小也有很大關系，氣泡大小取決于氣流速度、起泡劑濃度以及顆粒尺寸分 布[9?10]。有研究者將夾帶和水回收率聯系在一起，利用夾帶率來描述親水性顆粒的夾帶行為，并建立了很多模型。大量的研究發現，浮選中脈石的夾帶速率與水回收速率呈相關性[11]，即sgw(式中：s為在一定時間段內的回收率；g為夾帶率或夾帶因素，為常數；w為相同時間內水的回收率)。Kirjavainen[12]考慮到浮選過程中浮選物料逐漸減少，提出如下模型：R=1?exp(?PRw)(式中第個粒級脈石和水的回收率之間的關系用1個因數P表示，這因數取決于顆粒特點及過程變量)。絹云母在火成巖中分布普遍，在很多種礦石(特別是賤金屬礦石)中均有賦存，廣泛存在于輝鉬礦、石墨礦和鉛鋅礦中[13?15]，其結晶粒度為1~10 μm，磨礦階段很容易被磨細，在浮選過程中很容易通過泡沫夾帶進入精礦[16]。基于Warren所提出的模型sgw，本文系統地研究了絹云母粒度、礦漿濃度、起泡劑種類及用量和煤油用量等因素對絹云母夾帶率g、水回收率w以及對絹云母回收率s的影響。研究結果對于控制絹云母的夾帶，改善輝鉬礦、石墨礦和鉛鋅礦等礦石的浮選選擇性有著很重要的指導意義。

1 實驗研究方法

1.1 試樣

絹云母為呈極細鱗片狀或隱晶質塊狀集合體的白云母，是層狀結構的鋁硅酸鹽，由2層硅氧四面體夾著一層鋁氧八面體構成的復式硅氧層。絹云母兼具云母類礦物和黏土類礦物的多種特點。其化學式為(K,Na)0.5-1(Al,Fe,Mg)2(Si,Al)4O10(OH)2?H2O。一般化學成分(質量分數)為：SiO243.13%~49.04%，Al2O327.93%~ 37.44%，K2O+Na2O 9%~11%，H2O 4.13%~6.12%。

絹云母單礦物取自湖北襄陽，手選出純礦塊，用顎式破碎機破碎至粒度≤3.2 mm，然后用瓷球磨干磨，篩出粒級≤0.0974 mm礦樣，篩上部分返回再磨。干磨后的礦樣一部分不分級(≤0.097 4 mm全粒級)，另一部分根據實驗需要分成不同粒級。粒度≤0.0974 mm礦樣經濕篩獲得粒度為＞0.030 0~0.038 5，＞0.038 5~ 0.045 0，＞0.045 0~0.063 0，＞0.063 0~0.074 0和＞0.074 0~0.097 0 mm共5個礦樣，粒度≤0.030 0 mm礦樣通過沉降法獲得粒度≤0.018 0 mm和＞0.018 0~ 0.030 0 mm 2個粒級礦樣。

樣品經過X線熒光分析儀分析，元素組成(質量分數)見表1。從表1可見：K2O+Na2O質量分數為9.567%，在9%~11%范圍內，說明其純度很高。XRD定量物相檢測結果見圖1，其中絹云母純礦物中有92%(質量分數，下同)絹云母，8%石英，樣品符合純礦物試驗的純度要求。粒度≤0.097 0 mm粒級絹云母純礦物粒度分布如圖2所示。從圖2可見：粒度≤ 0.030 0 mm粒級絹云母產率為44.47%，說明絹云母磨礦過程中很容易泥化，進而影響浮選。

表1 絹云母純礦物元素組成(質量分數)

Table 1 Element composition of pure sericite mineral samples %

Na2OMgOAl2O3SiO2P2O5SO3K2O 0.690 00.239 036.590 047.110 00.013 00.130 08.877 0 CaOTiO2V2O5Cr2O3Fe2O3NiOCuO 0.064 21.350 00.033 00.025 00.334 00.004 00.007 0 Ga2O3Rb2OSrOY2O3ZrO2Nb2O5BaO 0.005 00.018 40.010 40.003 40.080 40.003 00.409 0

圖1 絹云母純礦物XRD譜

圖2 絹云母純礦物粒度分布

1.2 實驗方法

1.2.1 絹云母夾帶行為研究

夾帶測定方法如下：1) 稱取裝有蒸餾水的洗瓶總質量0，稱取絹云母2 g；2) 向絹云母中加入一定量的水，并超聲處理2 min，使絹云母分散均勻，再移入40 mL掛槽浮選機中，加藥攪拌(煤油為消泡劑，起泡劑為MIBC等)，浮選前加水使礦漿體積到達40 mL，開始充氣浮選，在浮選過程中不斷補加水使液面保持平衡；3) 用事先已記質量g0的塑料杯接取精礦泡沫，在第2，6和12 min換杯子，每10 s刮泡1次，共刮泡20 min，完成后洗瓶稱質量，記為1；每個精礦杯質量記為g1，并將烘干后的精礦杯質量記為g2；水回收率w和絹云母回收率s可以及夾帶率g通過以下方程式計算：

1.2.2 起泡劑溶液表面張力測定

每次固定待測溶液體積為30 mL，于玻璃器皿中配置不同濃度的MIBC、松油90、丁基醚醇、BK-201和2號油水溶液，然后利用法國 GBX公司接觸角測試儀，通過Wilhelmy吊片法測定不同濃度、不同種類起泡劑水溶液的表面張力。

2 實驗結果與討論

2.1 絹云母粒度對夾帶行為的影響

為了研究絹云母粒度對夾帶行為的影響，MIBC用量為200 g/t，分別就≤0.018 0，0.018 0~ 0.030 0，＞0.030 0~0.038 5，＞0.038 5~0.045 0，＞0.045 0~0.063 0，＞0.063 0~0.074 0和＞0.074 0~ 0.097 0 mm共7個粒級絹云母的夾帶行為進行研究。粒度與夾帶行為的關系見圖3。

(a) 絹云母粒度對水回收率和絹云母回收率的影響；(b) 絹云母粒度對夾帶率的影響；(c) 絹云母粒度對水回收率的影響；(d) 絹云母粒度對絹云母回收率的影響

圖3 絹云母粒度對夾帶行為的影響

Fig. 3 Effect of sericite size on entrainment behavior of sericite

從圖3(b)可看出：隨著絹云母粒度的減小，夾帶率線性急劇上升，從粒度為＞0.074 0~0.097 0 mm時的0.357大幅提高到粒度≤0.018 0 mm時的1.105。粒度對水回收率也有很大的影響，如圖3(c)所示。從圖3(c) 可見：在粒度≤0.097 0 mm范圍內，泡沫水回收率隨粒度的減小急劇增大，粒度低于30 μm絹云母對水回收率的影響更顯著，＞0.074 0~0.097 0 mm粒級水回收率為35%，≤0.018 0 mm粒級水回收率大幅提高至50%。夾帶率及水回收率隨絹云母粒度的減小大幅度提高，導致絹云母回收率隨粒度的減小大幅度增大，見圖3(d)。從圖3(d)可見：粒度≤0.018 0 mm粒級絹云母回收率是＞0.074 0~0.097 0 mm粒級絹云母回收率的5.5倍，高達54%。

應用Neethling等[17]建立的泡沫中脈石運動模型能很好地解釋上述實驗現象，此模型詳細地描述了親水性脈石在泡沫中以及在礦漿—泡沫界面之間的運動情況。親水性的絹云母存在于普拉特奧邊界內，隨著液體運動，并遵循以下脈石運動方程式：

在同一浮選體系中，所有脈石顆粒隨液體的向上運動速度基本一致，顆粒的沉降速度決定顆粒是向上還是向下運動。顆粒的沉降速度又取決于顆粒的粒度，粒度大的顆粒沉降速度快，粒度小的顆粒沉降速度慢。Cutting[18]通過實驗觀測到：隨著泡沫高度的增加，粗粒脈石含量急劇下降，而細粒脈石含量下降緩慢。這說明泡沫中脈石濃度的降低程度與脈石粒度密切相關；粒度越大，固體濃度的降低值越大。Neethling等的研究表明[17]，脈石?水回收率關系曲線的斜率即夾帶率g就是在普拉特奧邊界內(沒有擴散作用)的固體濃度。如圖3(b)所示，不同粒級的絹云母其夾帶率隨顆粒粒度的減小而提高。

浮選泡沫層上升水流速度決定了精礦水回收率，上升水流速度在一定程度上取決于泡沫穩定性[19]。絹云母類似于黏土礦物，在相同礦漿濃度下，粒度越小，泡沫層液相黏度越大，泡沫排液速度越慢，穩定泡沫的能力越強。如圖3(c)所示；隨著絹云母粒度的減小，水回收率逐步提高。

隨著絹云母粒度的減小，水回收率和夾帶率均逐步提高，如圖3(d)所示。絹云母回收率隨粒度的減小而急劇增大。

粒度是影響脈石夾帶的一個決定性因素，且粒度越小，越容易通過夾帶進入泡沫層。為減少浮選過程中脈石的夾帶，在磨礦過程中要注意防止泥化，也可以通過選擇性絮凝方法增大浮選體系中脈石顆粒的粒度來控制夾帶。

2.2 礦漿濃度對絹云母夾帶行為的影響

固定MIBC用量200 g/t，研究絹云母礦漿質量分數為2.5%，5%，10%，15%和20%時對絹云母夾帶行為的影響。礦漿質量分數與絹云母夾帶行為的關系見圖4。從圖4(b)可見：隨著絹云母礦漿質量分數的增加，夾帶率維持在0.80左右，變化很小，這與Neethling等[20]的觀點吻合，即夾帶率與脈石在礦漿中的質量分數無關。從圖4(c)可看出：水回收率隨礦漿質量分數的增大緩慢地增大，礦漿質量分數為2.5%和20%時的水回收率分別為42.33%和49.30%。可見，絹云母對泡沫有微弱的穩定作用。

(a) 礦漿質量分數對水回收率和絹云母回收率關系的影響；(b) 礦漿質量分數對夾帶率的影響；(c) 礦漿質量分數對水回收率的影響

圖4 礦漿質量分數對絹云母夾帶行為的影響

Fig. 4 Effect of pulp density on entrainment behavior of sericite

隨著礦漿質量分數的增加，顆粒聚集體增多，水相的黏度增大，因此，泡沫液膜的排液速率減慢，水回收率增加；另一方面，顆粒在連續相內形成三維網絡結構，氣泡被固定在顆粒形成的網格內，這種結構進一步提高了泡沫的穩定性。提高浮選礦漿質量分數可提高泡沫的穩定性，增大精礦水的回收率，進而提高絹云母夾帶進入精礦的質量。可見：降低浮選礦漿質量分數能略微降低脈石夾帶，但效果不顯著。在浮選過程中，可以根據實際需要調整礦漿礦漿質量分數，而不用考慮脈石在高礦漿質量分數下影響浮選效果。

2.3 起泡劑對絹云母夾帶行為的影響

起泡劑對絹云母夾帶行為影響如圖5所示。整體上，起泡劑的表面活性越低，泡沫水回收率越高，但夾帶率越低。

在低質量濃度下，不同類型的起泡劑溶液表面張力差別明顯；在高質量濃度下，各種起泡劑溶液之間的表面張力差異減小。見圖5(a)。在浮選實驗起泡劑質量濃度范圍內(如圖5(a)虛線框所示)，根據降低表面張力可以將起泡劑分作3類。MIBC和松油90降低溶液表面張力的能力較弱，且隨著起泡劑質量濃度的增大，表面張力變化很小；丁基醚醇和2號油降低溶液表面張力的能力很強，BK-201則介于兩者之間，且隨著起泡劑質量濃度的增大，溶液表面張力顯著下降。

從圖5(c)可看出：水回收率隨著起泡劑用量的增加緩慢增大，在相同用量下，MIBC和松油90水回收率在5種起泡劑中是最高的，丁基醚醇的回收率最低，2號油和BK-201的回收率居中，在質量濃度為13 mg/L時，MIBC和松油90的水回收率相差23%。從圖5(d)可看出：在相同用量下，松油90夾帶率在5種起泡劑中是最低的，且隨著起泡劑質量濃度的增大，夾帶率先增加，到達一定值后又出現下降趨勢；2號油的夾帶率是最高的，但隨起泡劑質量濃度的增大，夾帶率變化很小；在起泡劑質量濃度為2 mg/L時，2號油和松油90的夾帶率分別為0.97和0.50；在質量濃度提高到10 mg/L時，2號油和松油90的夾帶率分別0.96和0.73。

(a) 起泡劑對溶液表面張力的影響；(b) 起泡劑對絹云母回收率的影響；(c) 起泡劑對水回收率的影響；(d) 起泡劑對夾帶率的影響

1—MIBC；2—松油90；3—BK-201；4—2號油；5—丁基醚醇

圖5 起泡劑對絹云母夾帶行為的影響

Fig. 5 Effect of frothers on entrainment behavior of sericite

從圖5(b)可看出：MIBC為起泡劑時，絹云母回收率最高，為45%左右；丁基醚醇為起泡劑時，絹云母回收率最低。在實際生產過程中，為了降低脈石的夾帶，可考慮使用丁基醚醇為起泡劑。

3 煤油對絹云母夾帶行為的影響

煤油具有消泡作用。其消泡機理如下：未溶解煤油油滴進入氣液界面，取代吸附的起泡劑，然后在泡沫表面鋪展，排開液膜，泡沫表面彈性下降，導致泡沫破滅。根據Pugh[21]的研究，未溶解的煤油油滴覆蓋在泡沫液膜表面，導致液膜破裂，泡沫排液速度加快，水回收率下降。許宜蔚[22]利用煤油與苯乙烯磷酸浮選鈦鐵礦，在浮選試驗過程中明顯觀察到煤油改善了泡沫的特性，如不加煤油時，泡沫不僅量多，而且體積較大和礦化不良；當添加煤油后，泡沫量和大小適中，泡沫層穩定、礦化良好，泡沫產品的濃度提高。

在前述實驗過程中，發現泡沫直徑越小、發黏，則絹云母夾帶越嚴重。基于煤油能改善泡沫特性，通過添加煤油來控制夾帶過程。固定 MIBC 用量 200 g/t，進行不同用量煤油浮選試驗，探討煤油對絹云母夾帶的影響，試驗結果如圖6所示。

(a) 煤油用量對水回收率和絹云母回收率關系的影響；(b) 煤油用量對水回收率的影響；(c) 煤油用量對絹云母夾帶率的影響；(d) 煤油用量對絹云母回收率的影響

圖6 煤油用量對絹云母夾帶行為的影響

Fig. 6 Effect of kerosene dosage on flotation behavior of sericite

不同煤油用量下的夾帶率與不添加煤油時的夾帶率都為0.85左右，煤油對夾帶率的影響不大。但能顯著地影響水回收率。隨著煤油用量從0 kg/t增加至1.6 kg/t，水回收率從44.68%下降至11.74%，絹云母回收率從38.53%下降至10.25%，表明煤油能很好地降低絹云母夾帶程度。

煤油作為一種消泡劑能很好地改善浮選泡沫，控制夾帶，在浮選過程中可添加適量煤油來減弱細粒親水脈石夾帶的影響。

4 結論

1) 隨著絹云母粒度的減小，絹云母夾帶率呈線性急劇增大，泡沫水回收率隨粒度＞0.063 0~0.074 0，＞0.045 0~0.063 0，＞0.030 0~0.038 5和＞0.038 5~ 0.045 0 mm這4個粒級變化緩慢，隨后，隨著絹云母粒度的減小，泡沫水回收率急劇增加，導致絹云母的回收率急劇增加。在磨礦過程中防止泥化及脈石的選擇性絮凝能有效地減輕夾帶程度。

2) 絹云母礦漿質量分數的增加，夾帶率變化不大，泡沫水回收率緩慢增大；降低浮選礦漿質量分數對降低夾帶的效果有限。

3) 不同種類和不同用量起泡劑對絹云母夾帶有很大的影響；丁基醚醇在降低絹云母夾帶方面是一種很好的起泡劑。

4) 煤油能改善泡沫特性，控制絹云母夾帶。煤油對絹云母夾帶率的影響不大，但能顯著地影響水回收率，當煤油用量從0 kg/t增加至1.6 kg/t時，絹云母回收率從38.53%下降至10.25%。

[1] Ozcan Y, Gulsoy. A simple model for the calculation of entrainment in flotation[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2005, 22(4): 628?634.

[2] Ata S. Phenomena in the froth phase of ?otation: A review[J]. International Journal of Mineral Processing, 2012, 102/103: 1?12.

[3] Szyszka D, Glapiak E, Drzyma?a J. Entrainment-flotation activity of quartz in the presence of selected frothers[J]. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 2008, 42: 85?90.

[4] Neethling S, Cilliers J. The entrainment factor in froth flotation: Model for particle size and other operating parameter effects[J]. International Journal of Mineral Processing, 2009, 93(2): 141?148.

[5] Stevenson P. Foam engineering: Fundamentals and applications[M]. New Zealand: John Wiley & Sons, 2012: 238?241.

[6] Engelbrecht J A, Woodbum E T. The effect of froth height, aeration rate and gas precipitation on flotation[J]. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, 1975, 76(3): 125?132.

[7] Ekmek?i Z, Bradshaw D J, Allison S A, et al. Effects of frother type and froth height on the flotation behaviour of chromite in UG2 ore[J]. Minerals Engineering, 2003, 16(10): 941?949.

[8] Kirjavainen V M. Mathematical model for the entrainment of hydrophilic particles in froth ?otation[J]. International Journal of Mineral Processing, 1992, 35(1/2): 1?11.

[9] Ata S, Jameson G J. The formation of bubble clusters in flotation cells[J]. International Journal of Mineral Processing, 2005, 76(1/2): 123?139.

[10] Lee J E, Choi W S, Lee J K. A study of the bubble properties in the column flotation system[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2003, 20(5): 942?949.

[11] Zheng X, Johnson N, Franzidis J P. Modelling of entrainment in industrial flotation cells: water recovery and degree of entrainment[J]. Minerals Engineering, 2006, 19(11): 1191?1203.

[12] Kirjavainen V M. Application of a probability model for the entrainment of hydrophilic particles in froth flotation[J]. International Journal of Mineral Processing, 1989, 27(1/2): 63?74.

[13] Feng Q M, Chen Y, Zhang G F. Study on the purification of aphanitic graphite[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2003(3): 20?22.

[14] 孫嘉, 毛景文, 謝桂青, 等. 江西銅坑嶂斑巖銅礦床成礦流體特征與成礦作用研究[J]. 巖石學報, 2012, 28(1): 91?104.
SUN Jia, MAO Jingwen, XIE Guiqing. Characteristics of ore-forming fluid and metallogenesis of the Tongkengzhang porphyry molybdenum deposit, Jiangxi Province[J]. Acta Petrologica Sinica, 2012, 28(1): 91?104.

[15] 宋澤友, 賴鍵清, 王雄軍, 等. 青海三色溝鉛鋅礦流體包裹體特征及礦床成因[J]. 中國有色金屬學報, 2013, 22(3): 715?725.
SONG Zeyou, LAI Jianqing, WANG Xiongjun, et al. Characteristics of fluid inclusions and ore genesis of Sansegou Pb-Zn deposit in Qinghai Province, China[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 22(3): 715?725.

[16] Silvester E. The recovery of sericite in flotation concentrates[J]. Mineral Processing and Extractive Metallurgy, 2011, 120(1): 10?14.

[17] Neethling S J, Cilliers J J. The entrainment of gangue into a flotation froth[J]. International Journal of Mineral Processing, 2002, 64(2/3): 123?134.

[18] Cutting G W, Barber S P, Newton S. Effects of froth structure and mobility on the performance and simulation of continuously operated ?otation cells[J]. International Journal of Mineral Processing, 1986, 16(1/2): 43?61.

[19] Neethling S J, Cilliers J J. The entrainment factor in froth flotation: Model for particle size and other operating parameter effects[J]. International Journal of Mineral Processing, 2009, 93(2): 141?148.

[20] Neethling S J, Lee H T, Cilliers J J. A foam drainage model generalized for all liquid contents[J]. Journal of Physics- condensed Matter, 2002, 14(4): 331?342.

[21] Pugh R J. Foaming, foamfilms, antifoaming and defoaming[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 1996, 64(8): 67?142.

[22] 許宜蔚. 煤油對苯乙烯磷酸浮選鈦鐵礦的作用[J]．礦冶工程, 1981(4): 12?17.
XU Yiwei. The role of kerosene on flotation of ilmemite with styrylphosphoric acid[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 1981(4): 12?17.

Entrainment behavior and control of sericite

LU Ying, LI Hongqiang, FENG Qiming

(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

For gangue mineral, sericite was often strongly concentrated by entrainment in flotation, the desired minerals were diluted, and the grade of the concentrate was reduced. To study the factors affecting the entrainment of sericite and investigate the methods that effectively reduce the entrainment of sericite, sieve analyses, surface tension measurements and single mineral flotation were conducted. The entrainment behavior of sericite under different conditions was researched. The results show that with the decrease of the size, entrainment factor increases sharply, and the water recovery mounts steeply after gentle change, leading to a sharp increase in the recovery of sericite. With the increase of pulp density, the entrainment factor is constant, the water recovery increases slowly, and the recovery of sericite increases slowly. Frother affects the entrainment behavior of sericite greatly. As a defoamer, kerosene can control the entrainment of sericite effectively.

sericite; entrainment behavior; control of entrainment

TD952

A

1672?7207(2015)01?0020?07

2014?02?10；

2014?04?22

國家自然科學基金資助項目(50974133)；國家科技支撐計劃項目(2012BAB07B02) (Project(50974133) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012BAB07B02) supported by National Key Technology Support Program)

馮其明，教授，從事復雜細粒礦分選新技術研究；E-mail: feng_309@csu.edu.cn

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.004

(編輯 陳燦華)