六偏磷酸鈉在鎳黃鐵礦/蛇紋石浮選體系的作用研究

李小黎， 張其東, 王雷, 羅慶教

1.中國黃金集團(tuán)(上海)貿(mào)易有限公司，上海 200120；2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 102628；3.有研資源環(huán)境技術(shù)研究院(北京)有限公司 生物冶金國家工程實驗室，北京 101407；4.有研工程技術(shù)研究院有限公司，北京 101407；5.南丹縣南方有色金屬有限公司，廣西 河池 547204

引 言

金屬鎳是一種重要的有色金屬戰(zhàn)略資源，因其具有良好的鐵磁性、延展性、耐腐蝕性、抗氧化性及較好的機(jī)械強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于航天、國防、軍工、能源、化工、電池等各個行業(yè)[1-2]。鎳在自然界中主要以硫化鎳礦、紅土鎳礦以及海底結(jié)核三種形式存在[3]，其中硫化鎳礦是目前提取鎳的主要原料之一，世界上近60%的鎳產(chǎn)自硫化鎳礦[4]。我國的鎳資源主要是硫化鎳礦為主，且相對集中，主要分布在甘肅、吉林、新疆等地，其中以甘肅金川最為豐富[5-6]。通常采用浮選法對硫化鎳礦進(jìn)行分選，但在浮選過程中，礦石中含鎂礦物如蛇紋石易與硫化鎳礦物-鎳黃鐵礦黏附在一起進(jìn)入鎳精礦而影響精礦的質(zhì)量[7]，為后續(xù)鎳精礦的閃速焙燒提鎳工藝帶來爐體結(jié)瘤等問題，因此鎳礦降鎂一直以來都是研究的重點和難點。

關(guān)于蛇紋石對硫化鎳礦浮選的影響，有研究[8-9]認(rèn)為蛇紋石與鎳黃鐵礦之間的表面電性差異使得礦物顆粒之間產(chǎn)生“異相凝聚”，導(dǎo)致難以分離，惡化浮選指標(biāo)；也有學(xué)者[10-11]認(rèn)為蛇紋石良好的可浮性是導(dǎo)致其進(jìn)入精礦難分離的主要原因。六偏磷酸鈉是常用的分散劑和降鎂抑制劑，能夠選擇性地與礦物表面作用，使目的礦物與脈石礦物有效分散，從而實現(xiàn)礦物的浮選分離。夏啟斌[12]等研究發(fā)現(xiàn)六偏磷酸鈉能夠與蛇紋石發(fā)生吸附作用，提高顆粒之間的位阻排斥和靜電排斥能，分散蛇紋石；王德燕[13]認(rèn)為六偏磷酸鈉能夠提高銅鎳浮選體系中蛇紋石的親水性，使其得到抑制；陳偉[14]研究發(fā)現(xiàn)六偏磷酸鈉能促進(jìn)蛇紋石表面的鎂遷移到液相，降低蛇紋石的表面電位，同時還可與液相中的Mg2+作用，阻止Mg2+向蛇紋石表面反吸附，保持蛇紋石表面的負(fù)電性，降低銅鎳礦中蛇紋石的含量。本文作者以蛇紋石和鎳黃鐵礦為研究對象，通過浮選試驗、動電位測試及Zeta電位分布測量、SEM電鏡掃描等手段對蛇紋石影響鎳黃鐵礦浮選的機(jī)理進(jìn)行研究，并通過添加六偏磷酸鈉研究其對于兩者浮選分離的影響機(jī)制，為含鎂鎳礦的浮選分離提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗方法和材料

1.1 試驗樣品

本試驗所用鎳黃鐵礦和蛇紋石樣品均取自甘肅金川。蛇紋石塊礦經(jīng)破碎手選后用瓷球磨、攪拌磨磨細(xì)，得到蛇紋石單礦物樣品；金川特富礦經(jīng)破碎手選后用瓷球磨磨細(xì)，經(jīng)磁選后篩分得到鎳黃鐵礦單礦物樣品。圖1為單礦物鎳黃鐵礦和蛇紋石的XRD圖，表1為單礦物化學(xué)多元素分析結(jié)果，表2所列為兩種單礦物樣品粒級組成。試驗所用藥劑均為分析純，試驗用水為一次蒸餾水。

圖1 鎳黃鐵礦(左)和蛇紋石(右)X射線衍射結(jié)果

表1 單礦物化學(xué)多元素分析結(jié)果

表2 單礦物樣品的粒度組成

經(jīng)X射線衍射分析和化學(xué)多元素分析結(jié)果可知，單礦物鎳黃鐵礦和蛇紋石的純度均在90%以上，由表2可知，鎳黃鐵礦的平均粒徑為51.49 μm，蛇紋石的平均粒徑為20.89 μm。

1.2 試驗方法

1.2.1 浮選試驗

浮選試驗在XFG型掛槽式浮選機(jī)中進(jìn)行，浮選溫度為室溫，每次試驗稱取2.0 g礦樣，放入40 ml的浮選槽中，加入30 mL蒸餾水，攪拌，用HCl或NaOH調(diào)節(jié)到要求的pH值，加入捕收劑，調(diào)漿3 min，加入起泡劑MIBC，攪拌2 min后充氣浮選，空氣流量為0.3 L/min，浮選刮泡5 min，分別將泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品在60 ℃時烘干稱量，單礦物試驗產(chǎn)率為回收率，人工混合礦浮選產(chǎn)品經(jīng)化驗后計算回收率。

1.2.2 動電位測試

動電位測定是用美國Brookhaven公司ZetaPALS/90 plus型電位分析儀完成的。將礦樣在瑪瑙研缽中磨細(xì)至-20 μm，每次稱取20 mg放入燒杯中，加入30 mL濃度為10-3mol/L的KNO3溶液，用NaOH或HCl調(diào)節(jié)礦漿pH值。加入藥劑后，用玻璃棒攪拌1 min，使礦樣均勻分散，然后用注射器抽取少量礦漿懸浮液，注入測試電泳管，進(jìn)行電位測試，測量三次取平均值

1.2.3 Zeta 電位分布測定

Zeta 電位分布的測定是使用 Zetaphoremeter Ⅲ儀器完成的，使用鎳黃鐵礦和蛇紋石兩種純礦物分別配置濃度為0.2 g/L 的懸浮液1 L，分別按11的比例取兩者的懸浮液混合在一起，并添加一定量的高濃度鹽溶液，用注射器把混合均勻的懸浮液注入電泳槽中，通過激光照明和 CCD 成像系統(tǒng)，觀察和記錄 20～100個顆粒的運動軌跡，儀器的軟件系統(tǒng)利用 Smoluchowski方程把顆粒的運動距離轉(zhuǎn)換為Zeta 電位值，測量在室溫下進(jìn)行(23±1 ℃)。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 浮選試驗

藥學(xué)院校實驗室種類繁多，用途各異，涉及的安全與環(huán)保隱患也各不相同。因此，學(xué)校和實驗室管理與使用部門，需要在加強(qiáng)普適性安全環(huán)保教育的基礎(chǔ)上，針對不同實驗室特色設(shè)定安全環(huán)保教育模式，制定適宜的管理規(guī)范；對于學(xué)生，在同一時間段涉足不同類型的實驗室，需要樹立正確的安全環(huán)保意識，防范不同不安全因素可能造成的傷害；對于教師和實驗室管理人員，如何讓學(xué)生進(jìn)入實驗室后迅速具備安全環(huán)保意識，快速了解所在實驗室的安全環(huán)保防控點，自覺遵守相關(guān)規(guī)定，是藥學(xué)類實驗室面臨的重要任務(wù)。

圖2 礦漿pH值對單礦物和混合礦浮選回收率的影響

圖3為不同蛇紋石添加量和有無添加六偏磷酸鈉對混合礦中鎳黃鐵礦浮選的影響結(jié)果，此時礦漿pH 8.5，鎳黃鐵礦濃度為25 g/L。由圖3可知，鎳黃鐵礦浮選過程中蛇紋石的添加會導(dǎo)致鎳黃鐵礦浮選回收率的下降，而且蛇紋石添加量越大，對鎳黃鐵礦浮選回收率降低越明顯，當(dāng)蛇紋石的添加量大于60%時，鎳黃鐵礦的回收率小于20%；而加入六偏磷酸鈉之后，鎳黃鐵礦的浮選指標(biāo)明顯提高，說明六偏磷酸鈉的添加有利于兩者的浮選分離。

圖3 蛇紋石占比和六偏磷酸鈉對浮選結(jié)果的影響

2.2 作用機(jī)理研究

對有無添加六偏磷酸鈉的蛇紋石和鎳黃鐵礦的Zeta電位進(jìn)行測定，結(jié)果如圖4所示，由圖可知，未添加六偏磷酸鈉時，蛇紋石零電點pH=9.7，鎳黃鐵礦零電點pH=3.4，因此在pH 3.4～9.7范圍內(nèi)，蛇紋石荷正電，鎳黃鐵礦荷負(fù)電，兩者電位相反，產(chǎn)生異相凝聚作用，蛇紋石會覆蓋鎳黃鐵礦表面，影響其浮選。而加入六偏磷酸鈉之后鎳黃鐵礦的Zeta電位無明顯變化，而蛇紋石的Zeta電位發(fā)生顯著變化，在整個pH范圍內(nèi)變成負(fù)值，這可能是是由于六偏磷酸鈉在水中電離，并與礦物表面溶出的金屬Mg2+發(fā)生反應(yīng)，生成絡(luò)合物[12-13]，反應(yīng)如下：

圖4 六偏磷酸鈉對蛇紋石和鎳黃鐵礦電位的影響

(1)

從而改變了蛇紋石的表面性質(zhì)，使其Zeta電位發(fā)生變化。

為了進(jìn)一步驗證上述結(jié)論，對單礦物和混合礦的Zeta電位分布的變化進(jìn)行研究，來判斷兩種礦物顆粒的狀態(tài)，如圖5所示，5-1為兩種礦物單獨測試的Zeta電位分布情況，當(dāng)兩種礦物不發(fā)生凝聚時，其Zeta電位分布表現(xiàn)如圖5-2所示，當(dāng)?shù)V物B完全罩蓋A時，其Zeta電位分布表現(xiàn)如圖5-3所示，當(dāng)?shù)V物B與礦物A發(fā)生凝聚作用時，其Zeta電位分布表現(xiàn)如圖5-4所示[14-17]。

圖5 樣品顆粒間作用行為的Zeta電位分布原理圖

圖6為pH 8.5時蛇紋石、鎳黃鐵礦及混合礦的Zeta電位分布測試結(jié)果，由圖可知，未加入六偏磷酸鈉時，蛇紋石和鎳黃鐵礦樣品測試結(jié)果都是單峰，而混合礦物的Zeta電位也是單峰，且分布的峰值介于鎳黃鐵礦和蛇紋石之間，偏蛇紋石峰值方向，說明兩者之間發(fā)生了“異相凝聚”且鎳黃鐵礦被蛇紋石包裹；而加入六偏磷酸鈉之后，蛇紋石和鎳黃鐵礦樣品測試結(jié)果均是單峰，而兩者的混合礦電位分布是雙峰，說明混合礦物沒有發(fā)生明顯的異相凝聚，和上述結(jié)論一致。

圖6 六偏磷酸鈉(SHMP)對蛇紋石、鎳黃鐵礦及其混合物的Zeta電位分布的影響

圖7 未添加(左)和添加(右)六偏磷酸鈉時人工混合礦浮選精礦SEM圖

3 結(jié)論

(1)硫化鎳礦浮選體系中，脈石礦物蛇紋石易與鎳黃鐵礦發(fā)生異相凝聚，影響鎳黃鐵礦的浮選，主要原因為在較大pH范圍內(nèi)兩者電性相反，存在較強(qiáng)的靜電吸引作用。

(2)六偏磷酸鈉可吸附在蛇紋石表面，這可能是與蛇紋石表面的鎂離子生成了絡(luò)合物，從而改變其表面Zeta電位，實現(xiàn)蛇紋石與鎳黃鐵礦的分散，減弱了蛇紋石對鎳黃鐵礦浮選的不利影響。