胺類捕收劑對鋁硅礦物反浮選脫硅試驗

蘇歡歡,程 敢,馬俊偉,張建強

(1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041;2.國家鋁冶煉工程技術研究中心,河南 鄭州 450041;3.河南理工大學 化學化工學院,河南 焦作 454003)

中國鋁土礦儲量豐富,但是硅高、鋁硅比低的特點使得氧化鋁工業生產成本高、產品質量差[1],為了氧化鋁工業的健康、持續發展,對鋁土礦進行經濟合理的脫硅成為當務之急[2-4]。目前廣泛采用浮選脫硅的方法脫除其中的硅酸鹽脈石礦物,其中,根據浮少抑多的原則,反浮選脫硅更具有發展前景[5-6]。

鋁土礦反浮選脫硅捕收劑可分為陰離子和陽離子捕收劑兩類。陰離子捕收劑如脂肪酸鹽進行反浮選脫硅時,一般還需要加入金屬離子活化劑,藥劑制度復雜,并且脫硅結果并不理想[7-8]。陽離子捕收劑較陰離子而言藥劑制度簡單,藥劑種類少,無需再添加活化劑,藥劑消耗低,脫硅效果好。陽離子捕收劑一般為胺類捕收劑,胺類捕收劑是浮選氧化礦和硅酸鹽礦物的較好捕收劑。在鐵礦反浮選中烷基胺作捕收劑早已得到工業應用[9],用烷基胺浮選石英等硅酸鹽礦物[10]和螢石鹽類礦物[11]的研究也已有較為詳細的報導,而胺類捕收劑浮選層狀鋁硅酸鹽礦物如高嶺石、葉蠟石等的研究報導卻很少。我國鋁土礦中的主要含硅脈石礦物為高嶺石、葉蠟石等鋁硅酸鹽礦物[12],因此研究鋁硅礦物的浮選行為對用浮選一拜耳法生產氧化鋁具有重要的意義。本文主要研究了胺類反浮選脫硅捕收劑對鋁土礦、高嶺石和葉臘石的浮選行為規律及作用機理。

1 試 驗

1.1 試樣及性質

試驗中采用的實際礦物為河南鋁土礦,用到的單礦物為葉臘石,來自河南郟縣,礦物樣品純度較高,基本上達到了純礦物研究的要求,礦樣的化學成份分析結果示于表1中,鋁土礦礦樣的物相組成如表2所示。

表1 鋁土礦礦物化學成分分析結果 %

由表1可知,河南礦的Al2O3含量為57.22%,鋁硅比為3.5。從表2中可以看出,河南鋁土礦的主體礦物是一水硬鋁石,含有葉臘石等鋁硅酸鹽礦物。研究鋁土礦浮選脫硅,主要是研究一水硬鋁石與葉蠟石、高嶺石等的浮選分離。

表2 鋁土礦礦物的物相組成分析結果 %

1.2 試劑與儀器設備

試驗所用捕收劑有十二胺、十二烷基三甲基氯化銨(1231)、N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺(NSC86167)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)、及實驗室合成藥劑C401,利用鋁土礦和單礦物作為試驗原料,進行實驗室浮選脫硅試驗。試驗用主要儀器見表3。

表3 試驗用主要儀器

1.3 研究方法

(1)實際礦石浮選試驗

實際礦石的小型浮選試驗在1.5 L的浮選槽內進行,經過浮選后,泡沫產品和槽內產品分別過濾烘干稱重,送去化驗分析鋁硅,計算產率。

(2)單礦物浮選試驗

浮選試驗在XFG型掛槽式浮選機上進行,主軸轉速為 1650 r/min。試驗時,稱取3 g礦物放入40 mL浮選槽中,加入一定量(25～30 mL)蒸餾水,攪拌調漿1 min;再加入調整劑作用3 min,然后加入捕收劑,攪拌3 min,浮選5 min。浮選過程中收集泡沫產品,將泡沫產品和槽內產品分別烘干稱重并計算回收率。

2 結果與討論

2.1 鋁土礦浮選脫硅試驗

2.1.1 磨礦細度條件試驗

選擇500 g鋁土礦礦樣進行磨礦,固定一定的pH值,控制試驗礦漿溫度在30 ℃,以1231作為捕收劑,用量固定為250 g/t(對原礦),研究磨礦細度對鋁土礦浮選脫硅的影響,試驗流程見圖1,試驗結果見表4。

圖1 浮選試驗流程圖

浮選脫硅需要選擇合適的入選粒度,由表4可以看出,在所考察的磨礦細度條件下,磨礦細度-0.074 mm占比75%時,鋁精礦的鋁硅比較高,硅品位較低,另外考慮到鋁土礦的磨礦性質,磨礦細度越小,磨礦能耗越大,因此針對浮選脫硅認為最佳磨礦細度為-0.074 mm占比75%。

表4 不同磨礦細度條件下的鋁土礦試樣浮選試驗結果

2.1.2 捕收劑的篩選

固定磨礦細度為-0.074 mm占比75%,控制試驗礦漿溫度在30度,試驗pH值為5.5,進行分段浮選脫硅試驗,試驗流程如圖2所示,最終確定了各陽離子捕收劑的最佳用量(對原礦),并篩選出浮選指標優良的捕收劑,進行后續的條件試驗,各藥劑最佳用量下浮選試驗結果見表5。

圖2 分段浮選脫硅試驗流程圖

分析表5可知,針對A/S較低的河南鋁土礦反浮選脫硅,十二胺與NSC86167的捕收能力較強,選擇性較差。其中季銨鹽捕收劑1227與1231浮選脫硅的精礦產率較高,并且精礦鋁回收率達到75%以上,同時考慮精礦A/S增幅大小,浮選效果較好的是1227,1227含有一個苯環,一個苯環相當于2～3個碳原子,則1227相當于烴鏈碳原子數十四～十五烷基的季銨鹽。選擇烴鏈碳原子數較少的1231作捕收劑,進行后續的條件試驗。

表5 不同捕收劑對河南鋁土礦浮選脫硅的試驗結果

2.1.3 浮選礦漿pH條件試驗

礦漿的pH值影響礦粒表面的電性,其次,礦漿的pH值影響捕收劑捕收性的強弱[13]。所以,對于某種礦物而言,在其它條件一定時,都存在著一個比較適宜的pH值,只有在該pH值下進行浮選,才能取得較好的選別指標。

由表6可知,隨著試驗pH值的增加,藥劑用量也在逐漸增大。當pH值較低時,藥劑用量最少,而pH越低,酸性越強,腐蝕設備,所以pH值也不能選擇過低,也不能過高,否則會減弱捕收劑的捕收性,增大藥劑用量,另一方面影響礦粒表面的電性。綜合考慮精礦的鋁硅比與產率,選擇pH值為5.5時較為適宜;同時考慮理論上一水硬鋁石與鋁硅酸鹽礦物的零電點差異,一水硬鋁石和鋁硅酸鹽礦物表面所帶電荷電性相反時,即鋁硅酸鹽礦物表面帶負電,易于同陽離子捕收劑作用而上浮,因此選擇合適的試驗pH值為5.5。

表6 不同pH條件下的浮選脫硅試驗結果

以C401作為捕收劑,河南鋁土礦作為試驗原料,磨礦細度為-0.074 mm占比75%條件下在進行分段浮選試驗,試驗流程見圖2,試驗結果如表7所示。

表7可知,與1227、1231相比,C401的藥劑所需用量最少,同時觀察各精礦的產率與鋁硅比增加可知,C401的浮選效果較好。

表7 C401的浮選脫硅試驗結果

2.2 單礦物試驗

首先選擇十二胺、十二烷基三甲基氯化銨(1231)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)作為捕收劑,單礦物葉臘石作為試驗原料,固定捕收劑濃度為3.5x10-4mol/L,研究pH值與捕收劑濃度對葉臘石浮選回收率的影響,結果如圖3所示。

圖3 pH和捕收劑濃度對葉臘石單礦物浮選回收率的影響

由圖3(a)浮選結果可知,葉臘石的浮選回收率隨pH值的升高而下降,以十二胺與季銨鹽作捕收劑時,均能獲得較好的浮選結果。

胺類藥劑與硅質礦物表面的相互作用,大多數情況下主要是由于陽離子與礦物表面的雙電層通過靜電作用而吸附在一起。層狀硅酸鹽礦物在酸性溶液中,由于端面與層面荷電相反,靜電作用相互吸引,兩面發生凝聚而可浮性好;而在堿性溶液中,層面和端面同時荷負電,因靜電作用而相互排斥,礦物充分分散,可浮性變差[14]。

然后利用合成的新型季銨鹽藥劑C401,通過葉臘石與高嶺石的單礦物浮選試驗,對新型季銨鹽陽離子捕收劑的浮選性能進行研究,并與現有藥劑進行對比,目的是為了考察合成的新型季銨鹽藥劑用于礦物浮選領域的可行性。在不調節pH值(pH=6),25 ℃條件下,進行單礦物浮選試驗,試驗結果如圖3(b)所示。

從圖3(b)可以看出,C401藥劑對于葉臘石的捕收能力比現有的一些捕收劑的浮選效果要強。各藥劑對葉臘石的捕收能力強弱順序為:C401>1227>1231>十二胺。

葉蠟石是三層型層狀硅酸鹽礦物,由硅氧四面體/氫氧化鋁八面體/硅氧四面體三層組成,單元層與層之間由較弱的范德華力連結在一起,礦物破碎磨細時,沿層間斷裂,表面殘余鍵以范德華力為主,表面疏水性好,可浮性好[15]。

3 紅外光譜分析

葉臘石分別與1231、1227和C401作用前后的紅外光譜如圖4所示。

由圖4可以看出,鋁硅酸鹽礦物的明顯特征吸收峰主要是O-H鍵的對稱伸縮振動吸收峰,3673.757cm-1為葉臘石結構單元層四面體片與八面體片結合面上O-H伸縮振動吸收峰;在1114.98 cm-1、1006 cm-1為Si-O的伸縮振動吸收峰,937.23 cm-1為Al-OH伸縮振動吸收峰,789.60 cm-1、753.88 cm-1、796.85 cm-1為Si-O、Si-Si、Si-Al振動吸收峰,536.05 cm-1、467.24 cm-1、430.05 cm-1為Si-O彎曲振動吸收峰。各捕收劑與葉蠟石作用后的紅外譜圖中,礦物的特征吸收峰都基本上無變化,圖譜只在3000～2800 cm-1處出現了甲基和亞甲基的伸縮振動吸收峰,而其它峰沒有發生變化,說明季銨鹽在葉蠟石表面的吸附作用為物理吸附。

圖4 葉蠟石與季銨鹽作用前后的紅外光譜

4 結論與建議

(1)試驗以河南鋁土礦為試驗原料,利用現有的4種反浮選脫硅捕收劑及實驗室合成藥劑C401對其進行反浮選脫硅試驗,研究了不同的反浮選脫硅捕收劑對鋁土礦的浮選脫硅特點。季銨鹽類捕收劑1227與C401的浮選效果較好。而酰胺類捕收劑,N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺的用量較少,捕收能力較強。因此,對下一步合成具有強捕收性與選擇性的捕收劑有一定的指導意義,例如可以在季銨鹽中引入酰胺基等。

(2)季銨鹽捕收劑對河南鋁土礦反浮選脫硅的適宜條件為:磨礦細度為-0.074 mm占比75%,試驗pH值為5.5,在此條件下,當C401藥劑用量為150 g/t時,可以獲得產率為77.82%,鋁硅比為3.97,氧化鋁回收率為80.28%的精礦。

(3)各捕收劑對葉臘石的捕收能力強弱順序為:C401>1227>1231>十二胺,同時也可以看出,隨試驗pH值的增加,葉臘石浮選回收率逐漸下降。季銨鹽在鋁硅酸鹽礦物葉臘石表面的吸附為物理吸附。

(4)根據浮選實驗結果,如果鋁土礦中的含硅礦物主要是葉臘石,選用C401有利于葉臘石的浮選,可用于含有葉臘石的鋁土礦的反浮選脫硅體系研究。季銨鹽在鋁硅酸鹽礦物葉臘石表面的吸附為物理吸附,即靜電吸附作用,而在有效浮選pH值區間內,鋁硅酸鹽礦物表面呈現負電,因此,應用于鋁土礦反浮選,應以陽離子的靜電作用能力和供電子活性強的季銨鹽為捕收劑的浮選效果最好,同時建議實際礦石的反浮選脫硅宜采用弱酸性條件下進行。